CN105137623A - 基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器 - Google Patents

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Abstract

一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，包括一根光子晶体非对易单向波导、N个单模光子晶体下路微腔和N根波长下路波导，其中N为波长数，N根波长下路波导、N个单模光子晶体下路微腔位于光子晶体非对易单向波导的同一侧，所述单模光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔，下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q1与下路微腔衰减进波长下路波导的Q因子Q2之比Q1/Q2等于1。本发明提供了一种下路效率较高、器件制作难度较小的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器。

Description

基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器
技术领域
本发明涉及一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，适用于光纤通信系统和网络。
背景技术
目前的光纤通信系统广泛使用波分复用技术(WDM)，它能有效地利用光纤的带宽实现大容量、长距离光纤通信，能在用户分配系统中增加业务数量。在这些波分复用技术的应用中，为了充分利用十分宝贵的带宽资源，波长通道间隔变的越来越窄，信道数变得越来越多,形成密集波分复用(DWDM)系统，乃至超密集波分复用(UDWDM)系统。这就要求多波长波分复用/解复用器不仅要有更小的尺寸，而且也要易于集成。然而利用传统的硅平板回路或者光纤得到的多波长波分复用/解复用器的尺寸都在厘米量级左右，无法适用于未来密集波分复用(DWDM)和超密集波分复用(UDWDM)系统中光网络节点的需要。另一方面，光子晶体具有光子带隙效应，能够控制光波的传播。基于这个特性，许多光通信器件，例如波分复用/解复用器，光开关以及调制器等被研究设计，它们具有传统器件所不具备的尺寸微小和易于集成的优点。在基于二维光子晶体的波分解复用器中，以光子晶体点缺陷共振构成的三端口和四端口结构因其具有更加微小的尺寸，已经引起广泛关注。四端口系统，即在两平行光子晶体波导结构中间放置两个光子晶体微腔，是目前研究的比较成熟的一种。但是这种系统具有较为苛刻和复杂的共振设计，即两波导间的两个微腔模式要完全简并，这可能给器件制作带来很大的困难。另外四端口系统与三端口系统相比，不易设计多波长波分解复用器。在三端口系统中使用单个光子晶体点缺陷微腔，波长下路效率理论上不超过50％。因此,必须设计相应的反射反馈部分，才能提高波长下路效率。有的采用异质结构光子晶体(晶格常数不同)，在晶格常数不同的光子晶体界面形成特定波长的反射反馈，在垂直于二维平面的方向从单个光子晶体点缺陷收集下路光能量，显然这样的结构比平面结构尺寸要大很多，且不易集成。有的在主波导末端直接设置反射界面结构来提供下路波长光信号的反射反馈，但这样的结构不可避免使得其他波长的光信号也完全反射到入射端，严重增大整个波分解复用器的反射干扰。在专利[CN101252407A]中，采用两个微腔来提高波分复用器的下路效率，一个微腔采用下路微腔使用，另外一个微腔作为波长选择性反射微腔使用。但这种结构要求两个微腔具有完全相同的共振频率，由于两个微腔Q值最小也在几千以上，这在当前的器件制作工艺条件下制作难度较大。
发明内容
发明内容
为了克服已有光纤通信系统波分复用方式的下路效率较低、器件制作难度较大的不足,本发明提供了一种下路效率较高、器件制作难度较小的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，包括一根光子晶体非对易单向波导、N个单模光子晶体下路微腔和N根波长下路波导，其中N为波长数，N根波长下路波导、N个单模光子晶体下路微腔位于光子晶体非对易单向波导的同一侧，所述单模光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔，下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q1与下路微腔衰减进波长下路波导的Q因子Q2之比Q1/Q2等于1。
进一步，在外界施加的静磁场作用下，所述光子晶体非对易单向波导在普通介质光子晶体和磁光光子晶体的界面产生。
每个单模光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得。
每根波长下路波导通过在普通介质光子晶体中去除一列光子晶体介质柱获得。
再进一步，所述的普通介质光子晶体和磁光光子晶体的晶格类型均为正方形或者三角形。
在本发明中，下路微腔支持单模共振。经适时耦合模理论推导，证明在频率ω等于下路微腔的共振频率ωo时，如果下路微腔本征损失的Q因子Qo远远大于下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q1，此时下路微腔的本征损失可忽略不计。
由于光子晶体非对易单向波导中只有单向传输的波导模式存在，反方向的波导模式不存在。所以光子晶体下路微腔中光信号能量只能衰减进光子晶体非对易波导的单向传输的波导模式方向，而不能衰减进其波导模式方向的反向方向。在此情况下，经适时耦合模理论推导，发现只有当光子晶体下路微腔的Q因子满足Q1/Q2＝1时，具有共振频率ωo的光信号能量能从光子晶体非对易单向波导完全解复用到下路波导。这里Q1是下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子，Q2是下路微腔衰减进下路波导的Q因子。
在本发明的波分复用器中，普通介质光子晶体由III-V组普通介质材料(如氧化铝)构成，磁光光子晶体由具有磁光效应的介质材料(如钇铁石榴石)构成。该波分复用器实现了以一个单模光子晶体微腔进行高效率下路滤波，可以实现在任意波长位置的波分解复用，波长通道间串扰低。通过设置光子晶体晶格常数的大小，可以自由选定某个下路波长在通信窗口1550nm处。下路的线宽和通道间隔可以通过设计微腔的共振频率和Q因子获得，所以在密集波分复用(DWDM)和超密集波分复用(UDWDM)系统中也可以使用这个波分解复用器。
本发明的有益效果主要表现在：下路效率较高、器件制作难度较小。
附图说明
图1为一种在普通介质光子晶体和磁光光子晶体界面形成的光子晶体非对易单向波导。
图2为基于图1这种光子晶体非对易单向波导的三波长波分解复用器的结构示意图。
图3为三波长波分解复用器的传输强度谱。
图4为在某个下路波长位置时，三波长波分解复用器稳态光波传播模式图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，包括一根光子晶体非对易单向波导、N个单模光子晶体下路微腔和N根波长下路波导，其中N为波长数，N根波长下路波导、N个单模光子晶体下路微腔位于光子晶体非对易单向波导的同一侧，所述单模光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔，下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q1与下路微腔衰减进波长下路波导的Q因子Q2之比Q1/Q2等于1。
进一步，在外界施加的静磁场作用下，所述光子晶体非对易单向波导在普通介质光子晶体和磁光光子晶体的界面产生。
每个单模光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得。
每根波长下路波导通过在普通介质光子晶体中去除一列光子晶体介质柱获得。
再进一步，所述的普通介质光子晶体和磁光光子晶体的晶格类型均为正方形或者三角形。
图1为本发明的光子晶体非对易单向波导结构示意图。在外界静磁场(磁场方向为垂直纸面方向)作用下，光子晶体非对易单向波导1在普通介质光子晶体11和磁光光子晶体12界面产生,仅支持从左向右的单向传播波导模式存在，反方向无波导模式存在。下层的二维磁光光子晶体由沿x和y方向方形晶格排列的具有磁光特性的介质圆柱构成，介质圆柱沿与纸面垂直的方向(z方向)放置，周围为空气介质。相邻两介质圆柱中心之间的距离称为晶格常数，长度为a1,介质圆柱的半径为r1,介电常数为ε1。在z方向施加直流磁场将会产生强烈的各向异性旋磁特性，磁导率张量为如下形式， μ = μ i k 0 - i k μ 0 0 0 μ 0 , 其中μ0是真空中的磁导率,μ值与在z方向施加的外部直流磁场大小有关。上层的普通介质二维光子晶体为方形晶格排列，介质圆柱由III-V组半导体材料组成，其晶格排列方向较下层的磁光光子晶体的晶格方向旋转了45度。普通介质光子晶体晶格常数为a2,介质圆柱的半径为r2,介电常数为ε2。这里，波长下路波导为光子晶体线缺陷波导，通过在普通介质光子晶体中去除一排(列)介质柱获得。光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得，如可以通过减小某个介质柱的半径而获得单模光子晶体微腔。在这个光子晶体微腔中，通过轻微改变位于这个较小半径的介质柱附近的其他介质柱的半径或折射率，可以微调该微腔的共振频率。通过改变较小半径介质柱周围的介质柱的数目，可以改变该微腔的Q因子。
本发明实施例的三波长波分解复用器结构如图2所示，这个结构是基于上述光子晶体非对易单向波导而获得。这个结构由一根光子晶体非对易单向波导1，三根波长下路波导2以及三个光子晶体微腔3构成，三根波长下路波导2分别为波长λ1下路波导21、波长λ2下路波导22和波长λ3下路波导23，三个光子晶体微腔3分别为波长λ1下路微腔31、波长λ2下路微腔32和波长λ3下路微腔33；在外界静磁场(磁场方向为垂直纸面方向)作用下，光子晶体非对易单向波导在普通介质光子晶体和磁光光子晶体界面产生。三根波长下路波导分别位于光子晶体非对易单向波导的一侧，每根波长下路波导通过在普通介质光子晶体中去除一排(列)介质柱获得。光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔。每个光子晶体微腔通过改变一个介质柱的半径而获得。在这个光子晶体微腔中，通过轻微改变位于这个较小半径的介质柱附近的其他介质柱的半径或折射率，可以微调该微腔的共振频率。通过改变较小半径介质柱周围的介质柱的数目，可以改变该微腔的Q因子。
如图2所示,当某个频率(波长)的输入光信号光从光子晶体非对易单向波导左端输入时，假如这个非对易单向波导仅有向右的波导模式存在，信号光将沿波导向右传输，因为该波导没有向左传输的波导模式存在，因此将没有任何光信号能量被反射。如果该输入信号光频率等于下路微腔的共振频率，该下路微腔将被共振激发，从而向下路波导和光子晶体非对易单向波导的前向方向辐射光信号。当下路微腔的Q因子比满足Q1/Q2＝1，光子晶体非对易单向波导中的光信号能量将几乎全部转移到下路波导中。
实例：光通信窗口的三波长波分复用器。图1为本发明的光子晶体非对易单向波导结构示意图。在外界静磁场(磁场方向为垂直纸面向里的+z方向)作用下，光子晶体非对易单向波导在普通介质光子晶体和磁光光子晶体界面产生,仅支持从左向右的单向传播波导模式存在，反方向无波导模式存在。下层的二维磁光光子晶体由沿x和y方向方形晶格排列的介质圆柱构成，介质圆柱沿与纸面垂直的方向(z方向)放置，这些介质圆柱为具有磁光特性的钇铁石榴石(Y3Fe5O12)材料，周围为空气介质。相邻两介质圆柱中心之间的距离称为晶格常数，长度为a1＝829.5nm,介质圆柱的半径为r1＝0.11a1,介电常数为ε1＝15ε0,ε0为空气的介电常数。在+z方向(垂直纸面向里),施加1600高斯直流磁场将会产生强烈的各向异性旋磁特性，磁导率张量为如下形式， μ = μ i k 0 - i k μ 0 0 0 μ 0 , 其中张量元素k＝12.4μ0,μ＝14μ0,μ0是真空中的磁导率。上层的普通介质二维光子晶体为方形晶格排列，介质圆柱由氧化铝材料组成，其晶格排列方向较下层的磁光光子晶体的晶格方向旋转了45度。普通介质光子晶体晶格常数为介质圆柱的半径为r2＝0.106a1,介电常数为ε2＝10ε0。这种光子晶体非对易单向波导仅仅有电场方向平行于介质柱的TM(横磁波，电场方向沿z方向)波导模式存在，归一化频率范围是0.525＜a/λ＜0.575,这里λ是光在自由空间的波长。这在频率范围内，波仅仅有从左到右传输的波导模式存在，因此光信号仅仅能从左向右传输；相反方向传输的波导模式不存在，所以无任何后反射光存在。如图2所示，基于普通介质光子晶体，波长下路波导为光子晶体线缺陷波导，通过沿着其晶格方向去除一行(排)氧化铝介质柱而形成。如图2所示，光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔,通过在连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的几个氧化铝介质圆柱中改变一个氧化铝介质柱的半径而形成。如图2所示，从左到右，三个光子晶体微腔中较小的氧化铝介质柱半径分别为0.085a2,0.084a2和0.083a2。在这些光子晶体微腔中，通过轻微改变位于这个较小半径的介质柱附近的其他介质柱的半径或折射率，可以微调该微腔的共振频率。
在本发明中，当下路微腔的Q因子比满足Q1/Q2＝1，才能实现高效率的波分复用器。因此如何设计光子晶体微腔的结构，使其Q因子比满足这个关系是关键所在。这里提供一种设计微腔Q因子的具体方法。因为这些光子晶体微腔可以通过改变较小半径介质柱周围的介质柱的数目，来改变该微腔的Q因子，而其Q因子的大小可以通过数值仿真的办法具体计算。这样，总是可以改变光子晶体微腔的结构参数而得到合适的微腔结构。对于图2所示的三波长波分解复用器结构中，仅将下层的磁光光子晶体去掉。当入射光在波长下路波导的输出端口反方向入射时，根据适时耦合模理论，在这个入射端得到的反射系数R＝(1/2Q'2-1/2Q1')/(1/2Q'2+1/2Q1'),依照这种方法，不断改变微腔的结构参数直至R≈0，此时显然Q1'/Q'2≈1，这里Q1'和Q'2分别表示下路微腔衰减进晶体外的空间和下路波导的Q因子。因为下层磁光光子晶体存在与否对该光子晶体微腔的Q因子不大，因此，Q1≈Q1'，Q2≈Q'2，这样Q1/Q2＝1的条件可以得到满足。如图2所示，在这些光子晶体微腔中，沿着波长下路波导方向，较小半径的介质柱与波长下路波导之间有3根介质柱，较小半径的介质柱与光子晶体非对易单向波导之间有4根介质柱。
图3为三波长波分解复用器的传输强度谱。在三个波长位置，波分解复用的下路效率都在95％以上，而相互间的串扰很小。图4为在归一化频率为0.536时,对应波长为1548nm，发射连续波得到的这个结构的稳态场分布，它表明在这个系统中实现了在这个波长的完全波分解复用。这些下路波长从λ1到λ3依次是1544，1548和1550nm,在光通信波长是窗口位置。
本发明所述普通介质光子晶体的晶格类型可以为多种，包括方形，三角形。本发明基于光子晶体非对易单向波导设计了一种新型波分解复用器，这个波分解复用器使用一个单模光子晶体微腔，该光子晶体微腔的Q因子满足一定关系后，可以实现高的下路效率，减小入射端后向反射及下路波导间的串扰。这为未来WDM光通信系统的发展提供了一种重要的保证。

Claims (5)

1.一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于：所述波分解复用器包括一根光子晶体非对易单向波导、N个单模光子晶体下路微腔和N根波长下路波导，其中N为波长数，N根波长下路波导、N个单模光子晶体下路微腔位于光子晶体非对易单向波导的同一侧，所述单模光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔，下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q1与下路微腔衰减进波长下路波导的Q因子Q2之比Q1/Q2等于1。
2.如权利要求1所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于：在外界施加的静磁场作用下，所述光子晶体非对易单向波导在普通介质光子晶体和磁光光子晶体的界面产生。
3.如权利要求1所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于：每个单模光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得。
4.如权利要求1所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于：每根波长下路波导通过在普通介质光子晶体中去除一列光子晶体介质柱获得。
5.如权利要求2或4所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于：所述的普通介质光子晶体和磁光光子晶体的晶格类型均为正方形或者三角形。
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