CN107976738A - 基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器 - Google Patents

基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器 Download PDF

Info

Publication number
CN107976738A
CN107976738A CN201711129678.XA CN201711129678A CN107976738A CN 107976738 A CN107976738 A CN 107976738A CN 201711129678 A CN201711129678 A CN 201711129678A CN 107976738 A CN107976738 A CN 107976738A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wavelength
photonic crystal
crystal
division
filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711129678.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107976738B (zh
Inventor
陈鹤鸣
庄煜阳
胡宇宸
季珂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Post and Telecommunication University
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Post and Telecommunication University filed Critical Nanjing Post and Telecommunication University
Priority to CN201711129678.XA priority Critical patent/CN107976738B/zh
Publication of CN107976738A publication Critical patent/CN107976738A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107976738B publication Critical patent/CN107976738B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/107—Subwavelength-diameter waveguides, e.g. nanowires
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明是一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器。其中，二维三角晶格光子晶体滤波器(1)是沿X‑Y平面周期性分布的空气孔型光子晶体平板结构，其基质材料为硅；L3型谐振腔(2)是通过移除三个空气孔形成的；窄波导结构区Ⅰ和Ⅱ均是通过将光子晶体波导一侧的空气孔整体平移构成；纳米线模分复用器(5)的基质为硅，衬底材料为二氧化硅，其采用的是非对称定向耦合结构。利用微腔与波导的耦合效应，实现了对特定频率光波的下载滤波功能。并在此基础上结合了纳米线波导模分复用结构，组合构成混合复用结构。该波分模分混合复用器结构可进一步的级联扩展，能够应用于C+L波段的粗波分(信道间隔为20nm)多模式(>2)复用系统之中。

Description

基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器
技术领域
本发明是一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，尤其是一种光通信波段的混合复用器件，涉及光通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
随着技术与产业链的逐步成熟，100G的光纤传输技术在全球市场迎来了爆发性的增长，400G的时代也即将来临。但正如摩尔定律已经在半导体行业失效一样，传统单模光纤的传输容量正在逐步逼近其信道的香农极限，巨大的带宽需求和有限的容量之间的矛盾日益加剧。但在当前的光纤传输网络中，各种复用技术早已被充分利用，如波分复用、频分复用、时分复用、副载波复用等。若要在这些传统复用方式的基础上进一步地提高光纤传输系统的容量，必然会使得技术难度和成本大幅度提高，同时也会增加系统的能耗。在此背景下模分复用技术应运而生。模分复用技术作为空分复用的一种，它利用各模式间的正交性，以有限的稳定模式作为独立信道传递信息，如果与现有的波分复用相结合可以成倍的提高系统容量和频谱效率，为突破光纤香农极限提供了一种可能。在该技术中模分复用/解复用器是关键器件之一。目前模分复用/解复用器可以分为波导型和空间型两种。其中，波导型模分复用/解复用器主要基于硅纳米线波导结构，其因为具有可控性好和集成性好的特点而受到广泛关注。
同时，近年来光子晶体作为一种新型的光学功能材料，也受到了广泛的关注。人们正试图利用光子晶体的特殊性质，开发出更多的光学元器件。相比于传统的波分复用器结构，诸如阵列波导光栅、环形腔结构，基于二维三角晶格空气孔型的光子晶体波分复用器的尺寸更小，结构更加紧凑。另外，光子晶体波分复用器结构不受自由光谱范围的约束，其可应用的波长范围更广。
将模分复用技术和波分复用技术结合是一个热点。目前已经有相当多的文献对此类混合复用技术进行研究，但绝大部分是基于纳米线波导，且其中的波分复用模块主要是基于环形腔结构。本专利创造性地将光子晶体波分复用器和纳米线波导结构进行结合，不仅可以扩展波长应用范围，还能进一步缩小器件尺寸。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器。其光子晶体波分复用模块，利用微腔与波导的耦合效应，实现了对特定频率光波的下载滤波功能。并在此基础上结合了纳米线波导模分复用结构，组合构成混合复用结构。该波分模分混合复用器结构可进一步的级联扩展，能够应用于C+L波段的粗波分(信道间隔为20nm)多模式(>2)复用系统之中。
技术方案:为了适应高集成、大容量光通信系统的发展，能够在光波导器件中同时传输多个频率多个模式的光信号，提出了一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，其具有可应用光谱范围宽，尺寸小的特点，具有重要的实用价值。
传统的波分模分混合复用器，绝大部分是基于纳米线波导结构。模分复用部分主要有非对称Y结型结构、反向耦合光栅结构、非对称定向耦合结构等。其中，非对称定向耦合结构应用更多。而模分复用部分主要有阵列波导光栅结构和环形腔结构。其中阵列波导光栅可以应用于密集波分复用系统，但其缺点是尺寸相对于环形腔结构来说较大。环形腔结构主要应用于粗波分复用系统，虽然进行各种形式的级联可以应用于密集波分复用系统，但此类设计会增加设计的复杂度。环形腔结构的缺点是其存在自由光谱范围，即其可应用的光波范围是受到限制的。而光子晶体平板滤波器结构由于传输机理的不同，不受此类约束。
本发明是一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器包括二维三角晶格光子晶体滤波器、L3型谐振腔、窄波导结构区Ⅰ、窄波导结构区Ⅱ和纳米线波导模分复用器；其中，二维三角晶格光子晶体滤波器位于衬底材料二氧化硅上，在二维三角晶格光子晶体滤波器的一侧设有第一输入端口、第二输入端口输入端口，在二维三角晶格光子晶体滤波器的另一侧设有第三输入端口输入端口、第四输入端口输入端口；在二维三角晶格光子晶体滤波器的中线位置设有窄波导结构区Ⅱ，在窄波导结构区Ⅱ的两侧为窄波导结构区Ⅰ，在两窄波导结构区Ⅰ的外侧设有L3型谐振腔；纳米线模分复用器与二维三角晶格光子晶体滤波器的波导相连，构成所述的波分模分混合复用器。
所述的二维三角晶格光子晶体滤波器是沿X-Y平面周期性分布的空气孔型光子晶体平板结构；L3型谐振腔是通过移除三个空气孔形成的；窄波导结构区Ⅰ和窄波导结构区Ⅱ均是通过将光子晶体波导一侧的空气孔整体平移构成；将二维三角晶格光子晶体滤波器与纳米线模分复用器级联，使得原本单一的滤波功能扩展为波分模分混合复用功能，进一步提高了器件的传输容量。
所述的二维三角晶格光子晶体滤波器，其构成方式是由L3型谐振腔、窄波导结构区Ⅰ和窄波导结构区Ⅱ组合构成的面内型光子晶体滤波器结构，区别于常见的光子晶体平板滤波器结构。
所述的二维三角晶格光子晶体滤波器基质材料为硅。
所述的纳米线波导模分复用器的基质为硅，衬底材料为二氧化硅。
基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器主要包括光子晶体滤波模块和纳米线波导模分复用模块两个部分。该波分模分混合复用器的工作过程是：1530nm的光波从光子晶体波导端口I1输入，因为其谐振频率与其对应的L3谐振腔的频率一致而被捕获耦合至光子晶体主波导中传输。经过纳米线波导的过渡区域后，光波传输至纳米线波导的模分复用区。由于其满足相位匹配原理，1530nm的基模光束耦合至多模纳米线波导区并转换为一阶模光束；同样为1530nm的光波从光子晶体波导端口I3输入，因为其谐振频率与其对应的L3谐振腔的频率一致而被捕获耦合至光子晶体主波导中从左向右传输。经过纳米线波导的过渡区域后，光波传输至纳米线波导的模分复用区。由于其不满足相位匹配条件，其仍以基模光束的形式从多模纳米线波导区通过。1550nm的光波的传输过程同理，不再赘述。
有益效果：本发明提出了一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，可以实现对1530nm和1550nm两个波长的基模和一阶模光束的复用。在该波分模分混合复用器具有可应用波长范围大、器件尺寸小、信道串扰小的特点。并且该器件可进一步的级联扩展，能够应用于C+L波段的粗波分(信道间隔为20nm)多模式(>2)复用系统之中。
附图说明
图1为本发明提出的基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器结构图。图中有：二维三角晶格光子晶体滤波器1、L3型谐振腔2、窄波导结构区Ⅰ3、窄波导结构区Ⅱ4、纳米线模分复用器5。
图2为1530nm光束从各端口输入后的稳态场分布图；
其中，a为1530nm光束从I1端口输入后的稳态场分布图；b为1550nm光束从I2端口输入后的稳态场分布图；c为1530nm光束从I3端口输入后的稳态场分布图；d为1550nm光束从I4端口输入后的稳态场分布图。
图3为该结构的三维示意图。
具体实施方式
基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，它包括二维三角晶格光子晶体滤波器1、L3型谐振腔2、窄波导结构区Ⅰ3、窄波导结构区Ⅱ4、纳米线模分复用器5。其中，二维三角晶格光子晶体滤波器1是沿X-Y平面周期性分布的空气孔型光子晶体平板结构，其基质材料为硅；L3型谐振腔2是通过移除三个空气孔形成的；窄波导结构区Ⅰ和Ⅱ均是通过将光子晶体波导一侧的空气孔整体平移构成；纳米线模分复用器5的基质为硅，衬底材料为二氧化硅。本发明提出的基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器可复用1530nm和1550nm两个波长的基模和一阶模光。
具体参数为：PhCA区域中，晶格常数a1＝418.4nm，空气孔半径r1＝0.25a1，光子晶体波导宽度为W1＝sqrt(3)/2×a1，L3腔中8个对称空气孔向内侧移动18nm，L3腔中两侧空气孔向外平移0.15a1，窄波导区域Ⅰ的空气孔向内侧移动0.05W1，窄波导区域Ⅱ的空气孔向内侧移动0.07W1；PhCB区域中，晶格常数a2＝411.0nm，空气孔半径r1＝0.25a1，光子晶体波导宽度为W2＝sqrt(3)/2×a2，L3腔中8个对称空气孔向内侧移动16nm，L3腔中两侧空气孔向外平移0.15a2，窄波导区域Ⅰ的空气孔向内侧移动0.05W2，窄波导区域Ⅱ的空气孔向内侧移动0.07W2。纳米线多模波导的宽度为1.2μm，单模波导的宽度为0.6μm，多模波导耦合区的长度为27μm。光子晶体平板和纳米线波导的厚度均为220nm，模式耦合区域中单模波导与多模波导的间距40nm，衬底二氧化硅的厚度为2μm。硅在1550nm波长附近的折射率为3.4，二氧化硅的折射率为1.44。
基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器：1530nm的光波从光子晶体波导端口I1输入，因为其谐振频率与其对应的L3谐振腔的频率一致而被捕获耦合至光子晶体主波导中传输。经过纳米线波导的过渡区域后，光波传输至纳米线波导的模分复用区。由于其满足相位匹配原理，1530nm的基模光束耦合至多模纳米线波导区并转换为一阶模光束，最终从输出端口O1输出；同样为1530nm的光波从光子晶体波导端口I3输入，因为其谐振频率与其对应的L3谐振腔的频率一致而被捕获耦合至光子晶体主波导中从左向右传输。经过纳米线波导的过渡区域后，光波传输至纳米线波导的模分复用区。由于其不满足相位匹配条件，其仍以基模光束的形式从多模纳米线波导区通过，同样从输出端口O1输出。1550nm的光波的传输过程同理，不再赘述。

Claims (5)

1.一种基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，其特征在于该复用器包括二维三角晶格光子晶体滤波器(1)、L3型谐振腔(2)、窄波导结构区Ⅰ(3)、窄波导结构区Ⅱ(4)和纳米线波导模分复用器(5)；其中，二维三角晶格光子晶体滤波器(1)位于衬底材料二氧化硅上，在二维三角晶格光子晶体滤波器(1)的一侧设有第一输入端口(I1)、第二输入端口(I2)输入端口，在二维三角晶格光子晶体滤波器(1)的另一侧设有第三输入端口(I3)输入端口、第四输入端口(I4)输入端口；在二维三角晶格光子晶体滤波器(1)的中线位置设有窄波导结构区Ⅱ(4)，在窄波导结构区Ⅱ(4)的两侧为窄波导结构区Ⅰ(3)，在两窄波导结构区Ⅰ(3)的外侧设有L3型谐振腔(2)；纳米线模分复用器(5)与二维三角晶格光子晶体滤波器(1)的波导相连，构成所述的波分模分混合复用器。
2.根据权利1所述的基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，其特征在于，所述的二维三角晶格光子晶体滤波器(1)是沿X-Y平面周期性分布的空气孔型光子晶体平板结构；L3型谐振腔(2)是通过移除三个空气孔形成的；窄波导结构区Ⅰ(3)和窄波导结构区Ⅱ(4)均是通过将光子晶体波导一侧的空气孔整体平移构成；将二维三角晶格光子晶体滤波器(1)与纳米线模分复用器(5)级联，使得原本单一的滤波功能扩展为波分模分混合复用功能，进一步提高了器件的传输容量。
3.根据权利1所述的基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，其特征在于所述的二维三角晶格光子晶体滤波器(1)，其构成方式是由L3型谐振腔(2)、窄波导结构区Ⅰ(3)和窄波导结构区Ⅱ(4)组合构成的面内型光子晶体滤波器结构，区别于常见的光子晶体平板滤波器结构。
4.根据权利1所述的基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，其特征在于所述的二维三角晶格光子晶体滤波器(1)基质材料为硅。
5.根据权利1所述的基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器，其特征在于所述的纳米线波导模分复用器(5)的基质为硅，衬底材料为二氧化硅。
CN201711129678.XA 2017-11-15 2017-11-15 基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器 Active CN107976738B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711129678.XA CN107976738B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711129678.XA CN107976738B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107976738A true CN107976738A (zh) 2018-05-01
CN107976738B CN107976738B (zh) 2019-10-01

Family

ID=62013512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711129678.XA Active CN107976738B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107976738B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110530264A (zh) * 2019-09-26 2019-12-03 重庆工商大学 一种位置敏感探测器
CN112462535A (zh) * 2020-11-18 2021-03-09 南京邮电大学 一种硅基电光调制与模分复用集成器件
CN113419304A (zh) * 2021-06-11 2021-09-21 太原理工大学 一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构
CN114019604A (zh) * 2022-01-06 2022-02-08 浙江大学 一种小型波分解复用-复用器件
CN114779398A (zh) * 2022-06-20 2022-07-22 之江实验室 一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020191905A1 (en) * 2001-06-11 2002-12-19 Prather Dennis W. Multi-channel wavelength division multiplexing using photonic crystals
US20030123827A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-03 Xtalight, Inc. Systems and methods of manufacturing integrated photonic circuit devices
CN101840126A (zh) * 2010-04-21 2010-09-22 中国科学院半导体研究所 一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构
CN105911646A (zh) * 2016-06-13 2016-08-31 南京邮电大学 一种基于光子晶体的波分模分混合复用解复用器及方法
CN104678492B (zh) * 2015-02-26 2017-05-24 南京邮电大学 基于光子晶体的模分复用与解复用器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020191905A1 (en) * 2001-06-11 2002-12-19 Prather Dennis W. Multi-channel wavelength division multiplexing using photonic crystals
US20030123827A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-03 Xtalight, Inc. Systems and methods of manufacturing integrated photonic circuit devices
CN101840126A (zh) * 2010-04-21 2010-09-22 中国科学院半导体研究所 一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构
CN104678492B (zh) * 2015-02-26 2017-05-24 南京邮电大学 基于光子晶体的模分复用与解复用器
CN105911646A (zh) * 2016-06-13 2016-08-31 南京邮电大学 一种基于光子晶体的波分模分混合复用解复用器及方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110530264A (zh) * 2019-09-26 2019-12-03 重庆工商大学 一种位置敏感探测器
CN110530264B (zh) * 2019-09-26 2021-08-20 重庆工商大学 一种位置敏感探测器
CN112462535A (zh) * 2020-11-18 2021-03-09 南京邮电大学 一种硅基电光调制与模分复用集成器件
CN113419304A (zh) * 2021-06-11 2021-09-21 太原理工大学 一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构
CN113419304B (zh) * 2021-06-11 2022-06-17 太原理工大学 一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构
CN114019604A (zh) * 2022-01-06 2022-02-08 浙江大学 一种小型波分解复用-复用器件
CN114779398A (zh) * 2022-06-20 2022-07-22 之江实验室 一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片
CN114779398B (zh) * 2022-06-20 2022-09-23 之江实验室 一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片

Also Published As

Publication number Publication date
CN107976738B (zh) 2019-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107976738B (zh) 基于光子晶体和纳米线波导的波分模分混合复用器
CN106199836B (zh) 一种基于硅基波导光栅的带宽可调滤波器
Wang et al. Channel drop filters with folded directional couplers in two-dimensional photonic crystals
CN105322438B (zh) 一种基于硅基的窄线宽可调外腔激光器
CN104914506B (zh) 基于多模干涉耦合器的InP基模分复用/解复用器结构
Rezaee et al. A novel optical filter based on H-shape photonic crystal ring resonators
CN105068189B (zh) InP基波分‑模分复用少模光通信光子集成发射芯片
JP2015522180A5 (zh)
JP3692354B2 (ja) 電磁波周波数フィルタ
CN109407209B (zh) 一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器
CN106785906B (zh) 一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器
CN105137623A (zh) 基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器
CN107611774A (zh) 一种硅基集成可调谐激光器结构及其控制方法
CN106950646A (zh) 一种内外双微环谐振器结构
CN102262267A (zh) 基于光子晶体非对易单向波导的高效率通道下路滤波器
CN101726798A (zh) 一种可集成的耦合微腔光学滤波器
CN101614844A (zh) 基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器
CN105278041B (zh) 光学元件、光发射装置以及光接收装置
CN109491175B (zh) 一种基于模式复用的可重构导向逻辑器件
KR20070093285A (ko) 가변 대역폭을 갖는 마이크로링 공진기형 필터 및 그의제조방법
CN106054410A (zh) 一种基于黑磷的硅基微环光路由器
CN111158087B (zh) 一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器
Zhuang et al. On-chip hybrid demultiplexer for mode and coarse wavelength division multiplexing
CN200997432Y (zh) 一种直线闭环谐振腔结构
CN105204112B (zh) 一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant