CN105388562B - 一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器 - Google Patents

一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器，所述波分复用器的折射率分布为介质柱型，整个结构的介质柱以三角晶格结构排列，晶格常数a＝0.6μm，介质柱半径r＝0.12μm，材料折射率为2.95，对应III‑V族参杂半导体材料氮化铟，其长度方向含29或30个介质柱，宽度方向含14个介质柱，其中：去掉倒数第6排介质柱引入一条波导，为波导I；去掉正数第6排中间部分介质柱，两边至少各保留4个，形成一条与波导I平行的波导，在右端引出，为波导II；波导I与波导II之间间隔两排介质柱形成相互作用区，两波导构成方向耦合波导结构。该波分复用器具有结构简单、性能良好、尺寸利于集成等优势，在通信集成光路方面有较好的应用前景。

Description

一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器
技术领域
本发明涉及一种光子晶体波分复用器，尤其涉及一种用于通信波长1.31和1.55μm光波的光子晶体波分复用器。
背景技术
在光纤通信、集成光路中，光子晶体因具有控制光波传输的能力和微纳量级的尺度得到广泛应用，如以光子晶体实现的分束器、干涉仪、波分复用器等。光子晶体波分复用器可以提高系统传输容量，增强信息处理能力,成为集成光路中最重要的器件之一。
为满足集成光路的尺寸要求，大多数光子晶体波分复用器都设计在微米尺度，普遍存在的问题是现有的光子晶体1.31/1.55μm波分复用器的输出效率并不是太高。为了增加效率，以往波分复用器的设计引入了维度杂化结构或环形波导结构使其制作难度加大。
在波分复用器实际应用中，除要求其具有微米量级尺寸，便于制备，尽量低的串扰及尽量高的传输效率外，还要求其具有尽量大的传输容量，具有能同时处理多个通信波的能力。然而，以往大多数光子晶体双通道波分复用器所能操作的波长都普遍较为单一。
发明内容
为了保持器件尺寸在微米量级且串扰小，输出比和传输效率高，传输容量大，制造难度低，本发明提出了一种具有结构简单、性能良好、尺寸利于集成等优势的基于方向耦合的双通道光子晶体波分复用器。该器件适用于1.31μm、1.55μm等多个通信波长，在通信集成光路方面有较好的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器，其长度方向含29或30个介质柱，宽度方向含14个介质柱，其中：去掉倒数第6排介质柱引入一条波导，为波导I；去掉正数第6排中间部分介质柱，两边至少各保留4个，形成一条与波导I平行的波导，在右端引出，为波导II；波导I与波导II之间间隔两排介质柱形成相互作用区，两波导构成方向耦合波导结构。
本发明中，波分复用器的折射率分布为介质柱型，整个结构的介质柱以三角晶格结构排列，晶格常数a＝0.6μm，介质柱半径r＝0.12μm，材料折射率为2.95，对应III-V族参杂半导体材料氮化铟。
本发明提出的光子晶体1.31/1.55μm波分复用器具有以下优点：
(1)对于两个重要的通信波长1.31和1.55μm，具有很高的输出比及传输效率，其输出比OPR分别为24.16dB和24.56dB，传输效率分别为99.62％和99.65％，故在输出端相互串扰小，能满足高质量解复用及复用的要求；
(2)该器件不仅能用于波长1.31μm和1.55μm光波，还能用于波长1.38μm、1.47μm、1.48μm、1.49μm、1.59μm和1.61μm光波，即具有较大应用范围，具备同时处理多个通信波的能力；
(3)其结构简单，制造难度低。
附图说明
图1为二维三角晶格高效光子晶体波分复用器平面图，解复用(复用)时Port 1为信号光的共同输入端(输出端)，Port 2和Port 3分别为第一信号光输出端(输入端)和第二信号光输出端(输入端)。1为波导I，2为波导II；
图2为光子晶体双波导耦合器的初始模型；
图3为光子晶体双通道耦合波导的能带结构；
图4为波长1.55μm波在两平行波导中来回耦合传输的能量分布平面图；
图5为波长1.55μm波在两平行波导中来回耦合传输的能量分布立体图；
图6为波长1.31和1.55μm光波的耦合长度与材料折射率n的变化关系；
图7为波长1.31和1.55μm光波的耦合长度与介质柱半径r的变化关系；
图8为波长1.31μm的光波的稳定传输场图；
图9为波长1.55μm的光波的稳定传输场图；
图10为波长1.37μm的光波的稳定传输场图；
图11为输出比OPR与入射波长的关系；
图12为1.38μm波长光波对应的稳定传输场图；
图13为1.47μm波长光波对应的稳定传输场图；
图14为1.48μm波长光波对应的稳定传输场图；
图15为1.49μm波长光波对应的稳定传输场图；
图16为1.59μm波长光波对应的稳定传输场图；
图17为1.61μm波长光波对应的稳定传输场图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
通常二维平板光子晶体波导按材料折射率分布可分为介质柱型(介质柱分布于空气中)和空气孔型(空气孔分布于介质层中)，按晶格结构可分为正方晶格型和三角晶格型。本发明高效光子晶体波分复用器的俯视图如图1所示。其折射率分布为介质柱型，整个结构的介质柱(即图中深黑色点阵)以三角晶格结构排列，晶格常数a＝0.6μm，介质柱半径r＝0.12μm，材料折射率为2.95，对应III-V族参杂半导体材料氮化铟。图1面积约为18μm×8.4μm(长度方向含29或30个介质柱，宽度方向含14个介质柱)。去掉倒数第6排介质柱引入一条波导，为波导I1，定义一端为信号光的共同输入端(输出端)Port 1,另一端为第二信号光输出端(输入端)Port 3。去掉正数第6排部分介质柱(两边至少各保留4个，中间去掉22个)，形成一条与波导I1平行且长为13.56μm的波导，为波导II2，并在靠近Port 3的一侧以60度角引出，定义为第一信号光输出端(输入端)Port 2。波导I1与波导II2之间间隔两排介质柱形成相互作用区，两波导构成方向耦合波导结构。
基本算法和理论：
平面波展开法(PWE)是目前计算光子晶体能带结构最广泛采用的方法之一。其运用布洛赫定理，将电磁波在倒易空间以平面波形式展开，麦克斯韦方程组将化成一个本征方程，求解该方程的本征值便得到传播光子的本征频率和光在光子晶体中传播的色散关系，即可得到能带分布情况。
时域有限差分法(FDTD)是分析光子晶体中光波传输特性的常用方法，1966年首先由华裔科学家Yee提出的。这种方法是将空间离散化，以在三维空间和时间上对电场分量E和磁场分量H进行交替抽样，使得每一个电场周围都有四个磁场环绕，每一个磁场周围都有四个电场环绕。利用这种离散方法，使得含有时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，按照时间步长逐步求解电磁场的值。时域有限差分法计算出的任一时间的电磁波的值只与上一步的值和周围环绕的电场或磁场分量有关。因此可用这种方法模拟各种复杂的电磁场问题，其计算时所占空间小，计算速度较快，并适合并行运算，是处理电磁波传输特性的主要方法。
耦合模式理论(CMT)是分析光子晶体波导中光波耦合特性的重要理论，耦合模式理论指出当两列平行光波导之间的间隔足够小时，其中的缺陷模式就会分裂为奇模和偶模。光波在波导中的传输情况能由它所对应的奇模和偶模的相互叠加导出。由于不同结构参数下不同频率对应的奇偶模之间的相位差不一样，叠加的效果也会不一样。这使得光束耦合到另一波导的距离会不一样即耦合长度不一样。设奇偶模的传播常数分别为βo和βe，相位分别为和如果满足条件：
耦合长度可写为：
通过应用以下两式：
耦合长度可重写为：
a是晶格常数，Ke是偶模的归一化波矢，Ko是奇模的归一化波矢。设|Ke－Ko|为ΔK。显然耦合长度Lc取决于ΔK。从能带关系可知ΔK又取决于频率对应的奇偶模式，当器件的材料参数或结构参数发生变化时，能带结构会发生变化，特定频率对应的奇偶模式也会发生变化，这将导致ΔK发生变化，从而引起耦合长度Lc发生变化。这便是材料或结构参数改变后光波的耦合长度随即发生改变的原因。
仿真计算模型：
所研究的光子晶体波导耦合器的初始模型，如图2，在完整的二维光子晶体中通过沿X轴方向去除两排介质柱以引入两列波导，中间保留两排介质柱形成相互作用区。这里的二维光子晶体由晶格常数a＝0.6μm的三角晶格介质柱点阵构成。首先我们考虑介质柱半径和折射率分别为r＝0.2a，n＝2.8。在图2所示的结构中，光波从信号光的共同输入端Port 1输入，从第一信号光输出端Port 2或第二信号光输出端Port 3输出，剩下的端口闲置。
能带结构：
平面波展开法可以计算出当光波通过光子晶体中的一个超原胞(图2中以虚线框标出)时其所经历的布洛赫相移。相应的含有光子晶体能带间隙的色散曲线图可以被算出。图2中模型所对应的具体的能带结构，如图3。X轴的“K”对应的是归一化波矢(ka/2π)，Y轴对应的“Frequency”表示归一化频率(ωa/2πc＝a/λ)。可观察到该结构的能带间隙PBG从归一化频率0.335扩展到0.49。
计算表明，该光子晶体结构只有TE带隙而无TM带隙。从能带结构图中可知，波长1.31和1.55μm的光波对应归一化频率0.458和0.387恰好处于光子带隙中。这表明波长1.31和1.55μm的光波可以被局限在该光子晶体波导内传播。因此只考虑TE偏振波长为1.31和1.55μm的光波的传输情况。
耦合传输效果及耦合长度：
为了检测光波在该模型中传输的耦合效果，从信号光的共同输入端Port 1分别输入波长1.31μm和1.55μm的光波并用时域有限差分法进行分析。1.55μm波在波导I1和波导II2中能量交替传输的情况，见图4-5。通过检测发现，波长1.31μm光波的传输效果良好，由于其单次能量转换的距离太长不便于画出，故在此不做展示。直观地，平行波导中光波的耦合长度Lc即为两列波导中两相邻能量峰之间X轴方向的距离。光波的拍长Lb为一列波导中两相邻能量峰之间X轴方向的距离，其值等于耦合长度Lc的两倍。
耦合长度测量及分析：
接下来，改变材料的折射率n，并用时域有限差分法计算分析波长1.31和1.55μm光波对应耦合长度的变化。折射率n的变化范围为2.7到3.1，这个范围保证了波长1.31和1.55μm光波所对应的频率依然处于光子带隙中。折射率n的计算步长取为Δn＝0.025。介质柱的半径依然设为0.2a。计算结果如图6所示。
如图6所示，波长1.55μm的耦合长度随材料折射率的增加而增加，相反地，波长1.31μm光波的耦合长度随材料折射率的增加而减小。波长1.55μm光波的耦合长度变化范围小，从2.6μm变化到9.6μm。而波长1.31μm光波的耦合长度变化范围大，从40μm变化到7μm。
然后，取材料折射率为恒值2.95并使介质柱半径从0.105μm变化到0.125μm，此范围同样保证了波长1.31和1.55μm光波所对应的频率依然处于光子带隙中。半径r的计算步长取为Δr＝0.0125μm。计算结果如图7所示。
对比图6和图7可以发现，这两图中的变化趋势非常相似。对波长1.55μm光波，其耦合长度的变化都是正比于自变量(n和r)的。相反地，对于波长1.31μm光波，其耦合长度的变化都是反比于自变量的。两图中波长1.55μm光波的耦合长度的变化范围都较小(图7中从3.3μm变化到7.5μm)。相反地，两图中波长1.31μm光波的耦合长度的变化范围都较大(图7中从50μm变化到7μm)。变化范围的差异表明波长1.31μm光波的耦合长度对参数n和r的变化更为敏感。
双通道1.31/1.55μm波分复用器件设计：
该光子晶体波分复用器的机理基于方向耦合理论。不同频率光波的耦合长度不同，如果两列入射波的耦合长度之比满足奇数比偶数(如：1：2，3：4等)，那么当经过一个长度上等于它们耦合长度共有倍数的距离L时这两束光将被分开，从不同的端口输出，这便是解复用。如果相反，这两束光分别从它们的输出口输入，再次经历L时，这两束光将被耦合到原来的同一条波导中去，实现合并传输，这便是复用。定义两不同频率的光波的耦合长度之比为LcR。从图6中可以看出当折射率n＝2.8时，波长1.55和1.31μm光波的耦合长度分别为4μm和24μm，LcR＝1:6，满足分束条件。当折射率n＝2.95时，波长1.55和1.31μm光波的耦合长度分别为6.7μm和13.4μm，LcR＝1:2，满足分束条件。由于后者耦合长度的共有倍数要小于前者，故采用后者的折射率参数来设计器件将能得到一个更紧凑的长度。我们取光子晶体的材料折射率为n＝2.95，半径为r＝0.2a，晶格常数为a＝0.6μm。去除22个介质柱构成一条长为L＝13.56μm的波导。该光子晶体波分复用器如图1所示。
传输仿真计算及性能分析：
通过FDTD计算可得出波长1.31μm、1.55μm和1.37μm光波的频域传输场图，见图8-10。图8中1.31μm光波从信号光的共同输入端Port 1输入，进入波导I1，经一次耦合进入波导II1，然后从第一信号光输出端Port 2输出；图9中1.55μm光波从信号光的共同输入端Port 1输入进入波导I1，经两次耦合后再次回到波导I1，最后从第二信号光输出端Port 3输出。因此，可用该结构来实现1.31和1.55μm光波的复用及解复用。当两束波同时在同一波导中传输，并从信号光的共同输入端Port 1输入，经过L后他们将被分离到不同端口，实现解复用。反之，将他们从各自的输出口输入，经过L他们将再次合并到同一波导中进行传输，实现复用。图10所对应的是解耦合传输，即光波在波导间不会发生耦合。由于在该结构中，波长为1.37μm的光波的奇模与偶模所对应的波矢几乎相等，即ΔK趋近于零，由公式(5)可知此时耦和长度将趋近于无限长，故在L内不会发生耦合。因此，也可用此结构实现波长1.31和1.37μm光波的复用与解复用。
在此，定义输出比output power ratio(OPR)为目标端口的输出功率与非目标端口的泄漏功率的比值的对数值。第一信号光输出端Port 2和第二信号光输出端Port 3的输出比公式分别为：
取波长λ的变化步长为Δλ＝0.01μm，并取波长的变化范围为λ∈[1.28μm,1.66μm]，采用时域有限差分法计算分析得出各波长对应的稳定输出比，如图11。在该结构中，波长1.31μm光波第一信号光输出端Port 2的输出比OPR为24.18dB，输出效率为99.62％。波长1.55μm光波第二信号光输出端Port 3的输出比OPR为24.56dB，输出效率为99.65％。波长1.37μm光波第二信号光输出端Port 3的输出比OPR为21dB，输出效率为99.21％。由于其传输比及效率较高，该波分复用器可用于对传输性能要求较严格的系统。从图11中可知，除波长1.31μm、1.55μm和1.37μm光波外，其他波长如1.38μm、1.47μm-1.49μm、1.59μm和1.61μm光波在第一信号光输出端Port 2或第二信号光输出端Port 3也有较高的输出比，这说明该器件也可用于这些波长的复用与解复用，有较宽的应用范围。设输入端口都为信号光输入端Port 1，则具体的输出端口、输出比和输出效率见表1。
表1各波长的输出端口、输出比及输出效率
波长1.38μm、1.47μm、1.48μm、1.49μm、1.59μm和1.61μm光波对应的稳定传输场图，如图12-17，可以清楚地看出各波长光波在该器件中的传输情况。

Claims (2)

1.一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器，其特征在于所述波分复用器的长度方向含29或30个散射子，宽度方向含14个散射子，其中：去掉倒数第6排散射子引入一条波导，为波导I；去掉正数第6排中间部分散射子，两边至少各保留4个，形成一条与波导I 平行的波导，在右端引出，为波导II；波导I与波导II之间间隔两排散射子形成相互作用区，两波导构成方向耦合波导结构；所述波分复用器的折射率分布为介质柱型，整个结构的散射子以三角晶格结构排列，晶格常数a = 0.6μm，散射子半径r = 0.12μm，材料折射率为2.95，对应III-V族参杂半导体材料氮化铟。
2.根据权利要求1所述的高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器，其特征在于所述波分复用器适用于波长1.38μm、1.47μm、1.48μm、1.49μm、1.59μm和1.61μm的光波。
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