CN108008486A - 基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，包括相互连接的第一光子晶体单元和第二光子晶体单元，第一光子晶体单元上设有一条主波导和两条下路波导，两条下路波导分别位于主波导的两侧，两条下路波导的轴心线重叠且与主波导的轴心线相互垂直，第二光子晶体单元设有一条上路波导，上路波导的轴心线与主波导的轴心线重叠，主波导与两条下路波导之间、主波导与所述上路波导之间分别设有一个耦合微腔，三个耦合微腔内分别设有无源硅缺陷介质柱。本发明采用异质结型光子晶体材料，实现多信道滤波；通过调整两微腔中无源硅缺陷介质柱的半径和偏移量，提高透射率，减小插入损耗，增大目标光波透过率。
Description
技术领域
本发明涉及一种单纤三向光器件，尤其涉及一种基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件。
背景技术
随着数据业务对带宽的需求日益增长，传统的光学器件已无法满足高速发展的通信网络。在现代光通信系统中，单纤三向光器件是PON方式FTTH的一个核心器件，它的性能直接影响到通信质量，其主要功能是将波长为1550nm的模拟CATV信号、波长为1490nm的数字信号和波长为1310nm的终端用户传输信号耦合进一根光纤中，从而实现“三网融合”业务。
目前实际应用中的单纤三向光器件是由分立式元件耦合而成的，具有不易封装、损耗严重和成本高等缺点，而且尺寸一般为毫米和厘米数量级，远不能满足于未来集成光学器件发展。作为一种新兴介质材料，光子晶体具有高集成、易控制等特点，可灵活控制光的传输，被广泛应用于集成光路领域中，特别是光通信用器件的研制，如单纤双向光器件、单纤三向光器件(Triplexer)和光解复用器等。
光子晶体是同折射率分布的周期性排列的一种晶格结构，其最根本的特征就是“光子禁带”(PBG)，即频率落在禁带范围内的电磁波均不能通过光子晶体。利用这一特性，在完整光子晶体中引入点缺陷和线缺陷形成的谐振微腔和波导产生共振耦合，就可实现对光路波长量级的控制。
在单纤三向光组件的实际应用中，除要求其具有高度集成的结构外，还需具有处理多个通信波段的能力。然而目前基于光子晶体的多信道下路滤波器的报道甚少，所能操作的波长普遍较为单一，结构较为复杂，且对通信波段仍存在一定的损耗，间接减小了所需光波的透过率，具体缺陷如下：
1.传统单纤三向光器件是由分立式元件耦合而成的，集成度相对较低，加工过程易产生误差，从而降低耦合效率，造成损耗严重，器件封装难度较大，生产效率低，存在滤波片易刮花等问题，废品率及成本较高，不适用于未来光子集成的发展；
2.由于不同介质的介电常数比、晶格结构、介质填充比等材料参数设计的不合理，导致光子禁带较窄，所对应的波长λ范围部分满足通信波段范围，使得滤波频段较为单一，不能满足复用系统的要求；
3.微腔的整体结构设计以及与波导的耦合容易造成部分光波能量的损耗，存在基于光子晶体微环结构的滤波器设计方案，结构复杂，而且这种结构容易在环区拐弯的地方激发起其他模式，从而降低滤波器下路效率，增大了损耗，减小了透过率。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单、透过率高、插入损耗小、隔离度高的基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，包括相互连接的第一光子晶体单元和第二光子晶体单元，所述第一光子晶体单元的光子晶体晶格常数为a1 nm、第一无源硅介质柱半径为r1 nm，所述第二光子晶体单元的光子晶体晶格常数为a2 nm、第二无源硅介质柱半径为r2 nm，所述第一光子晶体单元上设有一条较长的线缺陷形成的主波导和两条较短的线缺陷形成的下路波导，两条所述下路波导分别位于所述主波导的两侧，两条所述下路波导的轴心线重叠且与所述主波导的轴心线相互垂直，所述第二光子晶体单元设有一条较短的线缺陷形成的上路波导，所述上路波导的轴心线与所述主波导的轴心线重叠，所述主波导与两条所述下路波导之间、所述主波导与所述上路波导之间分别设有一个耦合微腔，三个所述耦合微腔内分别设有无源硅缺陷介质柱，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔位于所述第二光子晶体单元上。
作为优选，每个所述耦合微腔内的所述无源硅缺陷介质柱均为两个，所述主波导与两条所述下路波导之间的两个所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的连接线与所述下路波导的轴心线平行，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的连接线与所述上路波导的轴心线平行。
作为优选，每个所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱之间均间隔三个对应的无源硅介质柱。
作为优选，a1为460，r1为110，a2为420，r2为100。
作为优选，所述主波导与第一条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的直径为101.2nm，所述主波导与第二条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的直径为85.6nm，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的直径为70.6nm；所述主波导与第一条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱分别向中心位置偏移112nm，所述主波导与第二条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱分别向中心位置偏移110nm，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱分别向中心位置偏移100nm。
本发明的有益效果在于：
本发明利用人工微结构材料——光子晶体，并采用由第一光子晶体单元和第二光子晶体单元形成的异质结型结构，具有极强的光控能力，易于器件的集成化，为单纤三向光器件的集成化、微型化提供了可能；采用异质结型光子晶体材料，合理设计介质材料参数，调整光子禁带满足Triplexer波段范围，实现多信道滤波；能够利用双微腔耦合波导结构(这里的双微腔指一个耦合微腔内的两个无源硅缺陷介质柱形成的双微腔结构)选出1310nm的光，并对其他波段的光反射，采用异质结型设计，即两个光子晶体单元的晶格常数不同，使1310nm光处于II结构中的光子禁带中，确保1310nm光被束缚在波导内直至稳定地到达输出端；通过调整两微腔中无源硅缺陷介质柱的半径和偏移量，使得微腔能量中心间距小于无源硅缺陷介质柱的间距，从而增大邻腔间的跃迁系数，提高透射率；通过设计对称式双微腔耦合波导结构，调整缺陷结构参数和波导反射距离，减小插入损耗，增大目标光波透过率至99％以上。
附图说明
图1是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的俯视结构示意图；
图2是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的TE能带结构示意图；
图3是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的双微腔型耦合腔波导结构示意图；
图4是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的耦合微腔的波导透射谱示意图；
图5是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的简化模型图；
图6是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的峰值反射率示意图；
图7是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的透射谱示意图；
图8是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的1310nm稳态电场分布图；
图9是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的1490nm稳态电场分布图；
图10是本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的1550nm稳态电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件包括相互连接的第一光子晶体单元1和第二光子晶体单元9，第一光子晶体单元1的光子晶体晶格常数为a1 nm、第一无源硅介质柱2的半径为r1 nm，第二光子晶体单元9的光子晶体晶格常数为a2 nm、第二无源硅介质柱10的半径为r2 nm，第一光子晶体单元1上设有一条较长的线缺陷形成的主波导3和两条较短的线缺陷形成的下路波导即第一下路波导4和第二下路波导11，第一下路波导4和第二下路波导11分别位于主波导3的两侧且相互对称，第一下路波导4和第二下路波导11的轴心线重叠且与主波导3的轴心线相互垂直，第二光子晶体单元9设有一条较短的线缺陷形成的上路波导7，上路波导7的轴心线与主波导3的轴心线重叠，主波导3与第一下路波导4之间、主波导3与第二下路波导11之间、主波导3与上路波导7之间分别设有一个耦合微腔6，三个耦合微腔6内分别设有无源硅缺陷介质柱，其中，主波导3与第一下路波导4之间的耦合微腔6内设有两个直径为101.2nm的第一无源硅缺陷介质柱5，两个第一无源硅缺陷介质柱5的连接线和两个第二无源硅缺陷介质柱12的连接线均与第一下路波导4和第二下路波导11的轴心线平行，主波导3与第二下路波导11之间的耦合微腔6内设有两个直径为85.6nm的第二无源硅缺陷介质柱12，主波导3与上路波导7之间的耦合微腔6内设有两个直径为70.6nm的第三无源硅缺陷介质柱8，两个第三无源硅缺陷介质柱8的连接线与上路波导7的轴心线平行，两个第一无源硅缺陷介质柱5之间、两个第二无源硅缺陷介质柱12之间均间隔三个第一无源硅介质柱2，两个第三无源硅缺陷介质柱8之间间隔三个第二无源硅介质柱10，主波导3与上路波导7之间的耦合微腔6位于第二光子晶体单元9上。
上述a1优选为460，r1优选为110，a2优选为420，r2优选为100；相应地，主波导3与第一下路波导4之间的耦合微腔6内的两个第一无源硅缺陷介质柱5的直径为101.2nm，主波导3与第二下路波导11之间的耦合微腔6内的两个第二无源硅缺陷介质柱12的直径为85.6nm，主波导3与上路波导7之间的耦合微腔6内的两个第三无源硅缺陷介质柱8的直径为70.6nm；主波导3与第一下路波导4之间的耦合微腔6内的两个第一无源硅缺陷介质柱5分别向该耦合微腔6的中心位置偏移112nm，主波导3与第二下路波导11之间的耦合微腔6内的两个第二无源硅缺陷介质柱12分别向该耦合微腔6的中心位置偏移110nm，主波导3与上路波导7之间的耦合微腔6内的两个第三无源硅缺陷介质柱8分别向该耦合微腔6的中心位置偏移100nm。
说明：上述三个耦合微腔6均为对应的无源硅介质柱构成的3×5矩阵形成的区域，对应的两个无源硅缺陷介质柱分别位于两端中部的无源硅介质柱对应位置向耦合微腔6的中心位置偏移上述距离后的位置；上述主波导3、第一下路波导4、第二下路波导11、上路波导7均为去除一行或一列对应的无源硅介质柱形成的线缺陷，主波导3为两端贯通的线缺陷，第一下路波导4、第二下路波导11和上路波导7均为一端贯通、另一端仍然有无源硅介质柱的线缺陷。
为了证明本发明所述基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件的创造性，下面结合设计思路、实际应用和部分性能指标进行具体说明：
(1)能带结构：
以空气(有效折射率为1)作为背景，以无源硅材料作为介质柱，晶格结构为正方晶格型，半径R为0.2a，其中a表示光子晶体晶格常数且值为420nm，微腔与硅介质柱有效折射率均为3.48。利用平面波展开法计算得出含有光子晶体能带间隙的色散曲线图如图2所示，计算表明，该光子晶体结构只有TE带隙而无TM带隙，图中所示光子禁带归一化频率[0.251，0.366]，对应真空中波长范围[1147，1673.3]nm，满足Triplexer(即单纤三向光器件，下同)波段范围。
(2)新型耦合腔波导结构：
两微腔介质柱半径r均定为0.09a，确保两微腔具有相同的共振频率。为抑制波导中的多模光波传输，将两个相邻微腔中心距离设置为d＝4a。图3所示双微腔型耦合腔波导结构，定义沿x轴正方向偏移记为“+”，沿x轴负方向偏移记为“-”，偏移量Δx＝0.5a并采用对称偏移的方式，利用时域有限差分法分析该结构的透射特性如图4所示，可以看出当两微腔的偏移量控制在[80，120]nm时，可得到近100％的透射效率，且半高全宽值约为10nm，窄带特性好。
(3)新型Triplexer结构设计：
图1所示为总体设计方案，器件尺寸为14μmx10μm，具体参数如表一所示。图5为设计方案简化模型，该模型由两个具有不同晶格常数的光子晶体I即第一光子晶体单元1和光子晶体II即第二光子晶体单元9组成。1490nm和1550nm波段的光被分别下路到第一下路波导4和第二下路波导11中，剩余的部分光x1和x2在异质结界面处被反射，分析图6，设定1490nm波导和1550nm波导反射距离为2.26um，使反射光与耦合腔内泄露到主波导的光的相位相差为π从而相干相消，确保目标波段光尽可能多地到达下路通道。
表一 缺陷主要参数
图7-图10所示为本单纤三向光器件的归一化透射谱及稳态电场分布效果，在1310nm、1490nm和1550nm处的透射效率达到近100％，且线型为洛仑兹线型，在下路波导中利用探测器测取数据，得出Triplexer性能指标如表二所示。由表中数据可知，本设计在插入损耗、隔离度、透过率等具有优越的性能。
表二 Triplexer性能指标
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，其特征在于：包括相互连接的第一光子晶体单元和第二光子晶体单元，所述第一光子晶体单元的光子晶体晶格常数为a1 nm、第一无源硅介质柱半径为r1 nm，所述第二光子晶体单元的光子晶体晶格常数为a2 nm、第二无源硅介质柱半径为r2 nm，所述第一光子晶体单元上设有一条较长的线缺陷形成的主波导和两条较短的线缺陷形成的下路波导，两条所述下路波导分别位于所述主波导的两侧，两条所述下路波导的轴心线重叠且与所述主波导的轴心线相互垂直，所述第二光子晶体单元设有一条较短的线缺陷形成的上路波导，所述上路波导的轴心线与所述主波导的轴心线重叠，所述主波导与两条所述下路波导之间、所述主波导与所述上路波导之间分别设有一个耦合微腔，三个所述耦合微腔内分别设有无源硅缺陷介质柱，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔位于所述第二光子晶体单元上。
2.根据权利要求1所述的基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，其特征在于：每个所述耦合微腔内的所述无源硅缺陷介质柱均为两个，所述主波导与两条所述下路波导之间的两个所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的连接线与所述下路波导的轴心线平行，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的连接线与所述上路波导的轴心线平行。
3.根据权利要求2所述的基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，其特征在于：每个所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱之间均间隔三个对应的无源硅介质柱。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，其特征在于：a1为460，r1为110，a2为420，r2为100。
5.根据权利要求4所述的基于异质结光子晶体耦合腔波导的单纤三向光器件，其特征在于：所述主波导与第一条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的直径为101.2nm，所述主波导与第二条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的直径为85.6nm，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱的直径为70.6nm；所述主波导与第一条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱分别向中心位置偏移112nm，所述主波导与第二条所述下路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱分别向中心位置偏移110nm，所述主波导与所述上路波导之间的所述耦合微腔内的两个所述无源硅缺陷介质柱分别向中心位置偏移100nm。
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