CN108061927B - 一种光子晶体波分模分混合复用解复用器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种光子晶体波分模分混合复用解复用器，包括二维正方晶格光子晶体(1)、单模波导一(2)、单模波导二(3)、单模波导三(4)、单模波导四(5)、单模直角波导一(6)、单模直角波导二(7)、锥形渐变波导(8)、多模波导(9)、组合谐振腔一(10)、组合谐振腔二(11)、组合谐振腔三(12)、组合谐振腔四(13)、波长选择反射微腔一(14)、波长选择反射微腔二(15)、波长选择反射微腔三(16)、波长选择反射微腔四(17)。改变组合谐振腔、波长选择反射微腔的半径及折射率，使得光波的透过率增高。通过改变多模波导的宽度使得光波发生模式转换，单模波导和多模波导组成的结构类似于不对称平行波导，通过调节不对称平行波导间的耦合间距及长度，可使模式转换效率达到最高。
Description
技术领域
本发明是一种光子晶体波分-模分混合复用/解复用器，采用二维正方晶格光子晶体，将波分复用和模分复用集成在一个器件上，涉及光通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
光通信系统正在向超高速率、超大容量的方向发展。目前波分复用系统、模分复用系统以及偏振复用系统被用来提高通信容量。但是单个的复用系统对通信系统容量的提高有限，为了进一步提高通信容量提出了波分-模分混合复用，而波分—模分混合复用/解复用器为波分—模分混合复用系统中关键器件。
光子晶体具有光子带隙和光子局域的特性，在光子晶体中引入线缺陷形成波导，引入五个点缺陷优化组合的谐振腔，将组合谐振腔与线缺陷相结合实现了波分复用。同时根据相位匹配原理，通过调节多模波导的宽度实现了光波基模(TE0)到一阶模(TE1)的转换，使得TE0模和TE1模同时在多模波导中传输实现模分复用。基于光子晶体的波分-模分混合复用/解复用器体积小，易于集成。并且性能优良，透射率高，插入损耗低，信道串扰小，在高速大容量通信系统中具有重要的价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种光子晶体波分模分混合复用解复用器。通过分析组合谐振腔、波长选择反射微腔的结构参数对透射谱的影响，改变组合谐振腔、波长选择反射微腔的半径及折射率，使得光波的透过率增高。通过改变多模波导的宽度使得光波发生模式转换，单模波导和多模波导组成的结构类似于不对称平行波导，通过调节不对称平行波导间的耦合间距及长度，可使模式转换效率达到最高。
技术方案:为了适应超高速、超大容量光通信系统的发展，提出了一种新型的光子晶体波分-模分混合复用/解复用器，使其工作在光波段，具有实际的应用价值。我们采用组合谐振腔、波长选择反射微腔和线缺陷波导相结合的结构，实现1530nm和1550nm的波分复用，同时通过单模波导和多模波导组成的不对称平行波导的结构实现了1530nm和1550nm的基模到一阶模的转换，从而实现模分复用。
本发明是一种光子晶体波分模分混合复用解复用器，该光子晶体的波分模分混合复用解复用器包括二维正方晶格光子晶体、单模波导一、单模波导二、单模波导三、单模波导四、单模直角波导一、单模直角波导二、锥形渐变波导、多模波导、组合谐振腔一、组合谐振腔二、组合谐振腔三、组合谐振腔四、波长选择反射微腔一、波长选择反射微腔二、波长选择反射微腔三、波长选择反射微腔四；其中，
多模波导、锥形渐变波导、单模波导三在X-Z平面内的上部从左到有顺序连接成一个整体；组合谐振腔一、组合谐振腔二分别位于单模波导三的两旁，波长选择反射微腔一、波长选择反射微腔二也分别位于单模波导三的两旁，单模波导一位于组合谐振腔一的上方，单模波导二位于组合谐振腔二的下方；
单模直角波导二在X-Z平面内的左下部，组合谐振腔三、组合谐振腔四分别位于单模直角波导二在X轴方向的两旁，波长选择反射微腔三、波长选择反射微腔四也分别位于单模直角波导二在X轴方向的两旁，单模波导四位于组合谐振腔四的下方，单模直角波导一位于组合谐振腔三的上方。
所述的二维正方晶格结构光子晶体是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格结构光子晶体中移除一排介质柱构成单模波导一、单模波导二、单模波导三、单模波导四、单模直角波导一、单模直角波导二；上下平移二维正方晶格光子晶体构成多模波导；在单模波导三和多模波导之间为锥形渐变波导；组合谐振腔一、组合谐振腔二、组合谐振腔三、组合谐振腔四、波长选择反射微腔一、波长选择反射微腔二、波长选择反射微腔三、波长选择反射微腔四为分别由5个介质柱组合构造而成。
本发明的光子晶体波分模分混合复用解复用器的复用解复方法，复用时，1530nm的TE0模从单模波导一输入，与组合谐振腔一的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔一进入单模波导三传输，经过波长选择反射微腔一的作用向左传输，依次通过锥形渐变波导、多模波导输出；
1550nm的TE0模从单模波导二输入，与组合谐振腔二的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔二进入单模波导三传输，经过波长选择反射微腔二的作用向左传输，依次通过锥形渐变波导、多模波导输出；
1530nm的TE0模从单模直角波导一输入，与组合谐振腔三的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔三进入单模直角波导二传输，经过波长选择反射微腔三的作用向右传输，经过耦合进入多模波导并且转换成TE1模向左输出；
1550nm的TE0模从单模波导四输入，与组合谐振腔四的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔四进入单模直角波导二传输，经过波长选择反射微腔四的作用向右传输，经过耦合进入多模波导并且转换成TE1模向左输出；
复用时，上述四个过程同时进行；最终在多模波导输出端口处有1530nm的TE0、TE1模以及1550nm的TE0、TE1模四个信道的信号输出，从而实现了波分模分混合复用。
解复用时，1530nm的TE0、TE1模以及1550nm的TE0、TE1模这四个信道的信号同时从多模波导的左端输入，解复用后从单模波导一和单模直角波导一输出1530nm的TE0模；单模波导二和单模波导四输出1550nm的TE0模；解复用为复用的逆过程。
透过率均达到98％以上，且串扰较小，在-16dB以下。
本发明是一种光子晶体波分-模分混合复用解复用器，复用解复用的原理是：在光子晶体中引入线缺陷形成波导，引入由5个介质柱按一定规律变化的组合构成组合谐振腔，将组合谐振腔与线缺陷相结合实现了波分复用。在光子晶体中，根据相位匹配原理，传输TE0模的单模波导的传播常数和传输TE1模的多模波导的传播常数相等时，经过一定的耦合距离，可以使得在单模波导中传输的TE0模耦合进多模波导中并转换成TE1模传播，实现了模分复用。波分-模分混合复用的传输信道总数由波分复用数和模分复用数共同决定，它能传输多个波长，同时能传输每个波长的多个模式。本发明设计的光子晶体波分-模分混合复用/解复用器实现了1530nm和1550nm两个波长的复用，同时能传输两个波长的TE0模和TE1模，是一个2×2的结构，总共实现四个信道信号的传输。解复用与复用的原理相同，是复用的逆过程。
有益效果：本发明设计了一种新型的光子晶体波分-模分混合复用/解复用器，在光子晶体中引入线缺陷形成波导，引入由5个介质柱按一定规律变化的组合构成组合谐振腔，将组合谐振腔与线缺陷相结合实现了波分复用。同时根据相位匹配原理，通过调节多模波导的宽度实现了光波基模(TE0)到一阶模(TE1)的转换，使得TE0模和TE1模同时在多模波导中传输实现模分复用。将波分复用和模分复用集成在一个器件中，减小了器件尺寸，降低了耦合损耗，并且大大提高了通信系统的容量。
附图说明
图1为本发明的光子晶体波分-模分混合复用/解复用器的结构图，图中有：二维正方晶格光子晶体1、单模波导一2、单模波导二3、单模波导三4、单模波导四5、单模直角波导一6、单模直角波导二7、锥形渐变波导8、多模波导9、组合谐振腔一10、组合谐振腔二11、组合谐振腔三12、组合谐振腔四13、波长选择反射微腔一14、波长选择反射微腔二15、波长选择反射微腔三16、波长选择反射微腔四17。
图2(a)为复用时，1530nm的TE0模从单模波导一输入时的时域稳态响应图，图2(b)为对应的稳态场强分布图。
图3(a)为复用时，1550nm的TE0模从单模波导二输入时的时域稳态响应图，图3(b)为对应的稳态场强分布图。
图4(a)为复用时，1530nm的TE0模从单模直角波导一输入时的时域稳态响应图，图4(b)为对应的稳态场强分布图。
图5(a)为复用时，1550nm的TE0模从单模波导四输入时的时域稳态响应图，图5(b)为对应的稳态场强分布图。
图6为解复用时，1530nm的TE0模从多模波导输入时的时域稳态响应图。
图7为解复用时，1550nm的TE0模从多模波导输入时的时域稳态响应图。
图8为解复用时，1530nm的TE1模从多模波导输入时的时域稳态响应图。
图9为解复用时，1550nm的TE1模从多模波导输入时的时域稳态响应图。
具体实施方式
为了适应超高速率、超大容量的光通信系统的发展，本发明提出了一种基于光子晶体的波分-模分混合复用/解复用器，满足大容量通信系统的要求，具有实际的应用价值。本发明采用具有波长选择反射微腔的结构实现波分复用，同时通过采用类似于不对称平行波导的结构实现了模式转换，从而实现模分复用，将两者相结合实现了1530nm、1550nm的TE0模和TE1模的波分-模分混合复用和解复用，并且透过率均高于98％，信道串扰均低于-16dB。
本发明提供的光子晶体波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于该光子晶体波分-模分混合复用/解复用器包括二维正方晶格光子晶体1、单模波导一2、单模波导二3、单模波导三4、单模波导四5、单模直角波导一6、单模直角波导二7、锥形渐变波导8、多模波导9、组合谐振腔一10、组合谐振腔二11、组合谐振腔三12、组合谐振腔四13、波长选择反射微腔一14、波长选择反射微腔二15、波长选择反射微腔三16、波长选择反射微腔四17；其中，二维正方晶格结构光子晶体1是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格结构光子晶体1中移除一排介质柱构成单模波导一2、单模波导二3、单模波导三4、单模波导四5、单模直角波导一6、单模直角波导二7；上下平移光子晶体构成多模波导9；在单模波导一2和多模波导9间为锥形渐变波导8；组合谐振腔一10、组合谐振腔二11、组合谐振腔三12、组合谐振腔四13、波长选择反射微腔一14、波长选择反射微腔二15、波长选择反射微腔三16、波长选择反射微腔四17为由5个介质柱按一定规律变化的组合构造而成的。
具体参数为：晶格常数a＝0.55μm，介质柱半径r＝0.11μm，组合谐振腔一、组合谐振腔三和波长选择反射微腔一、波长选择反射微腔三的中心介质柱半径r1＝0.034μm，折射率差Δn1＝2.4，周围四个介质柱半径r2＝0.11μm，折射率差Δn2＝2.41；组合谐振腔二、组合谐振腔四和波长选择反射微腔二、波长选择反射微腔四的中心介质柱半径r1＝0.038μm，折射率差Δn1＝2.4，周围四个介质柱半径r2＝0.11μm，折射率差Δn2＝2.39。多模波导的宽度W1＝3.548a，所有单模波导的宽度W＝2a。
此光子晶体波分-模分混合复用/解复用器的原理如下：在光子晶体中引入线缺陷形成波导，引入由五个介质柱按一定规律构造而成的组合谐振腔，产生缺陷模，当入射的光波长与缺陷模波长一致时能耦合进组合谐振腔并通过线缺陷传播。同时在光子晶体中引入了波长选择反射微腔，使得入射光波能按照理想路径在波导中传输且具有较高的透射率，根据适时耦合模理论，调节组合谐振腔和波长选择反射微腔的距离，使得透过率为1。本发明利用具有波长反射微腔的结构实现了波分复用。在光子晶体中，当传输TE0模的单模波导的传播常数和传输TE1模的多模波导的传播常数相等时，经过一定的耦合距离，可以使得在单模波导中传输的TE0模耦合进多模波导中并转换成TE1模传播。本发明通过调节多模波导的宽度可以实现不同波长TE0模到TE1模的模式转换。单模波导和多模波导组成的结构类似于不对称平行波导，通过调节不对称平行波导间的耦合间距及长度，可使模式转换效率达到最高。波分-模分混合复用的传输信道总数由波分复用数和模分复用数共同决定，它能传输多个波长，同时能传输每个波长的多个模式。本发明实现了1530nm和1550nm两个波长的复用，同时能传输两个波长的TE0模和TE1模，是一个2×2结构，总共实现四个信道信号的传输。解复用与复用的原理相同，是复用的逆过程。
此光子晶体波分-模分混合复用/解复用器的工作过程如下：
复用时，复用时，1530nm的TE0模从单模波导一2输入，与组合谐振腔一10的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔一10进入单模波导三4传输，经过波长选择反射微腔一14的作用向左传输，依次通过锥形渐变波导8、多模波导9输出；1550nm的TE0模从单模波导二3输入，与组合谐振腔二11的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔二11进入单模波导三4传输，经过波长选择反射微腔二15的作用向左传输，依次通过锥形渐变波导8、多模波导9输出；1530nm的TE0模从单模直角波导一6输入，与组合谐振腔三12的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔三12进入单模直角波导二7传输，经过波长选择反射微腔三16的作用向右传输，经过耦合进入多模波导9并且转换成TE1模向左输出；1550nm的TE0模从单模波导四5输入，与组合谐振腔四13的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔四13进入单模直角波导二7传输，经过波长选择反射微腔四17的作用向右传输，经过耦合进入多模波导9并且转换成TE1模向左输出；最终在多模波导9输出端口处有1530nm的TE0、TE1模以及1550nm的TE0、TE1模四个信道的信号输出，从而实现了波分模分混合复用。
解复用时，1530nm的TE0、TE1模以及1550nm的TE0、TE1模这四个信道的信号同时从多模波导9的左端输入，解复用后从单模波导一2和单模直角波导一6输出1530nm的TE0模；单模波导二3和单模波导四5输出1550nm的TE0模。解复用为复用的逆过程。
Claims (3)
1.一种光子晶体波分模分混合复用解复用器，其特征在于该光子晶体的波分模分混合复用解复用器包括二维正方晶格光子晶体(1)、单模波导一(2)、单模波导二(3)、单模波导三(4)、单模波导四(5)、单模直角波导一(6)、单模直角波导二(7)、锥形渐变波导(8)、多模波导(9)、组合谐振腔一(10)、组合谐振腔二(11)、组合谐振腔三(12)、组合谐振腔四(13)、波长选择反射微腔一(14)、波长选择反射微腔二(15)、波长选择反射微腔三(16)、波长选择反射微腔四(17)；其中，
多模波导(9)、锥形渐变波导(8)、单模波导三(4)在X-Z平面内的上部从左到右顺序连接成一个整体；组合谐振腔一(10)、组合谐振腔二(11)分别位于单模波导三(4)的两旁，波长选择反射微腔一(14)、波长选择反射微腔二(15)也分别位于单模波导三(4)的两旁，单模波导一(2)位于组合谐振腔一(10)的上方，单模波导二(3)位于组合谐振腔二(11)的下方；
单模直角波导二(7)在X-Z平面内的左下部，组合谐振腔三(12)、组合谐振腔四(13)分别位于单模直角波导二(7)在X轴方向的两旁，波长选择反射微腔三(16)、波长选择反射微腔四(17)也分别位于单模直角波导二(7)在X轴方向的两旁，单模波导四(5)位于组合谐振腔四(13)的下方，单模直角波导一(6)位于组合谐振腔三(12)的上方；
所述的二维正方晶格光子晶体(1)是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格光子晶体(1)中移除一排介质柱构成单模波导一(2)、单模波导二(3)、单模波导三(4)、单模波导四(5)、单模直角波导一(6)、单模直角波导二(7)；上下平移二维正方晶格光子晶体(1)构成多模波导(9)；在单模波导三(4)和多模波导(9)之间为锥形渐变波导(8)；组合谐振腔一(10)、组合谐振腔二(11)、组合谐振腔三(12)、组合谐振腔四(13)、波长选择反射微腔一(14)、波长选择反射微腔二(15)、波长选择反射微腔三(16)、波长选择反射微腔四(17)为分别由5个介质柱组合构造而成。
2.一种如权利要求1所述的光子晶体波分模分混合复用解复用器的复用解复方法，其特征在于，复用时，1530nm的TE0模从单模波导一(2)输入，与组合谐振腔一(10)的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔一(10)进入单模波导三(4)传输，经过波长选择反射微腔一(14)的作用向左传输，依次通过锥形渐变波导(8)、多模波导(9)输出；
1550nm的TE0模从单模波导二(3)输入，与组合谐振腔二(11)的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔二(11)进入单模波导三(4)传输，经过波长选择反射微腔二(15)的作用向左传输，依次通过锥形渐变波导(8)、多模波导(9)输出；
1530nm的TE0模从单模直角波导一(6)输入，与组合谐振腔三(12)的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔三(12)进入单模直角波导二(7)传输，经过波长选择反射微腔三(16)的作用向右传输，经过耦合进入多模波导(9)并且转换成TE1模向左输出；
1550nm的TE0模从单模波导四(5)输入，与组合谐振腔四(13)的谐振频率一致，耦合进组合谐振腔四(13)进入单模直角波导二(7)传输，经过波长选择反射微腔四(17)的作用向右传输，经过耦合进入多模波导(9)并且转换成TE1模向左输出；
复用时，上述四个过程同时进行；最终在多模波导(9)输出端口处有1530nm的TE0、TE1模以及1550nm的TE0、TE1模四个信道的信号输出，从而实现了波分模分混合复用。
3.一种如权利要求1所述的基于光子晶体的波分模分混合复用解复用器的复用解复方法，其特征在于，解复用时，1530nm的TE0、TE1模以及1550nm的TE0、TE1模这四个信道的信号同时从多模波导(9)的左端输入，解复用后从单模波导一(2)和单模直角波导一(6)输出1530nm的TE0模；单模波导二(3)和单模波导四(5)输出1550nm的TE0模；解复用为复用的逆过程。
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