CN108663748B - 基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单个线缺陷谐振腔结构的双信道下路滤波器。其基本结构为四方晶格介质柱结构的二维光子晶体，沿光束水平入射方向，依次为输入波导、线缺陷谐振腔以及垂直于线缺陷谐振腔方向的U型输出波导。其中，线缺陷谐振腔通过在二维光子晶体中沿水平阵列方向连续移除多个介质柱而构成。选择合适的结构参数，如谐振腔内移除的介质柱个数、相关介质柱的折射率及半径等，可以同时实现两个波长的下路输出，且下路波长大小和波长间隔满足所需光通信系统的相关要求，同时具有优异的下路滤波特性。本发明的双信道下路滤波器具有结构简单、易于制备、成本低、尺寸小、性能优异等突出优点，在未来光通信集成器件中扮演着重要角色。
Description
技术领域：
本发明是一种基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，主要用于波分复用通信系统中进行波长信号的选择。
背景技术：
随着光波分复用系统在光通信系统中的使用越来越广泛，作为光波分复用系统中的关键器件之一的信道下路滤波器得到研究人员的广泛关注。其中，基于二维光子晶体结构的信道下路滤波器，具有尺寸小、易于集成等特点。在结构中引入波导和谐振腔，使其相互作用，可实现高效的、具有波长选择特性的光学滤波器件。近些年来，为提高器件结构的光学性能，研究人员针对谐振腔结构进行了大量的理论分析与研究。理想的信道下路滤波器应该具备结构简单、尺寸小、易于制备及高的下路效率等特性。
在先技术[1](参见Optics Express，Shinya A，Mitsugi S，Kuramochi E，NotomiM.2006，14(25)：12394-12400)在三角晶格二维光子晶体中引入5个线缺陷谐振腔结构，实现了5个波长，即1569nm、1540nm、1513nm、1485nm、1457nm的下路输出，平均下路效率为74.6％。该结构一个谐振腔只能下路一个谐振波长，而且下路的波长不符合实际应用系统的波长大小和间隔要求。此外，下路效率也较低。
在先技术[2](参见Optics Express，Takano H，Song B S，Asano T，Noda S.2006，14(8)：3491-3486)基于多个异质结构的三角晶格二维光子晶体，通过引入多个谐振腔，实现了4个波长，即1516nm、1536nm、1559nm、1583nm的下路输出。该结构虽然实现了高效率的信道下路滤波功能，但是其一个谐振腔只能下路输出一个谐振波长，而且采用的异质结构增加了器件结构的复杂度，不利于器件的制备。
在先技术[3](参见Optik-International Journal for Light and ElectronOptics，Djavid M，Abrishamian M S.2012，123(2)：167-170)在四方晶格二维光子晶体中引入三个环形谐振腔结构，实现了三个信道的下路输出。三个谐振波长分别是1500nm、1550nm、1593nm，其透射率分别为90％、81％、82％。该结构也存在一个谐振腔只能下路输出一个谐振波长的问题，而且下路的波长不符合实际应用系统的波长大小和间隔要求。
在先技术[4](参见International Journal of Applied EngineeringResearch，Balaji V R，Murugan D M，Robinson D S，2015，10(6),5688-5692)在四方晶格二维光子晶体中引入两个方形谐振腔，同时实现了两个信道的下路输出。两个谐振波长分别是1556nm和1567nm，满足于密集波分复用系统的要求，但是该结构一个谐振腔也只能下路输出一个谐振波长，因而当同时实现多个波长的下路输出时，需采用多个谐振腔来进行，从而大幅度增加了器件结构的复杂性、尺寸和成本。
发明内容：
本发明的目的是解决以上在先技术中存在的问题，提供一种结构简单、尺寸小、易于制备、光学性能优异的基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，同时两个信道满足目前实际应用的光通信系统的波长大小和间隔的要求。
为达到上述目的，本发明的构思是一种基于单个线缺陷谐振腔结构的信道下路滤波器。线缺陷谐振腔通过在二维光子晶体中沿水平阵列方向连续移除多个介质柱而构成。通过选择线缺陷谐振腔内连续移除的介质柱个数来调节谐振波长的个数和波长间隔，利用U型波导下路输出，从而解决了目前在先技术中普遍存在的单个谐振腔只能下路输出一个谐振波长的问题。选择合适的结构参数，如晶格常数、关键介质柱的折射率及半径等，从而实现两个波长的下路输出，且下路波长大小和波长间隔满足所需光通信系统的相关要求，同时具有优异的下路滤波特性。
根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：
一种基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，其基本结构为四方晶格的二维光子晶体。沿光束水平入射方向，依次为输入波导、线缺陷谐振腔以及垂直于线缺陷谐振腔方向的U型输出波导。其中线缺陷谐振腔通过在二维光子晶体中沿水平阵列方向连续移除多个介质柱而构成。通过选择线缺陷谐振腔内连续移除的介质柱个数来调节谐振波长的个数和波长间隔。通过调节线缺陷谐振腔的输入介质柱半径来调控谐振波长的透射率。通过选择合适的晶格常数、关键介质柱的折射率及半径，同时实现满足所需光通信系统下路波长大小和波长间隔要求的两个波长的下路输出，且具有优异的下路滤波特性。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明的双信道下路滤波器采用的是单个线缺陷谐振腔，基于该单个谐振腔具有多个谐振波长的特点设计而成。因而，相对于在先技术[1]、[2]、[3]、[4]单个谐振腔只能下路一个谐振波长的特点，本发明结构的突出优点是在设计多信道下路滤波器时，可以明显减少结构中的谐振腔个数，从而大幅度降低器件结构的复杂程度，尺寸和成本。此外，相比于在先技术[2]的异质光子晶体结构和在先技术[3]和[4]的环形谐振腔结构，本发明结构由于采用的是单一光子晶体的线缺陷谐振腔，因而结构也更简单、更易实现，尺寸更小。相比于在先技术[1]的74.6％的平均下路效率，本发明结构具有更高的下路效率。另一方面，本发明结构通过选择合适的结构参数可实现下路波长大小和波长间隔满足所需光通信系统的相关要求的特点，克服了在先技术[1]、[2]、[3]不能应用于实际的光通信系统的不足。综上，本发明的信道下路滤波器具有单个谐振腔结构下路多个信道的特点、同时结构简单、易于实现、性能优异，在未来大规模集成光通信器件中扮演重要角色。
附图说明：
图1为本发明信道下路滤波器的结构示意图。其中，a为四方晶格二维光子晶体结构的晶格常数；1为输入波导，2为线缺陷谐振腔，3为U型输出波导。端口A为输入端口，B和C端口为输出端口。
图2为图1所示的线缺陷谐振腔结构。其中，介质柱2.1为谐振腔的输入介质柱；2.2为谐振腔内的其它关键介质柱。
图3为图1所示的U型输出波导。其中介质柱3.1和3.2为输出波导内的关键介质柱。
图4为连续移除不同介质柱个数时的谐振腔的光谱图。其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)图分别为移除介质柱个数为4、6、9、12、14和28的光谱图。
图5为不同输入介质柱半径时线缺陷谐振腔的光谱图。其中实线、虚线和点线分别对应输入介质柱半径分别是0.1196μm、0.1200μm和0.1204μm的情况。
图6为实施例中的两个输出端口的透射谱图。
图7为实施例中不同下路波长的光场分布图。其中下路波长(a)为1531nm(b)为1551nm。
具体实施方式：
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：参见图1～图3，本基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，其特征在于：
1)基本结构为四方晶格的二维光子晶体，
2)沿光束水平入射方向，依次为输入波导(1)、线缺陷谐振腔(2)以及垂直于线缺陷谐振腔方向的U型输出波导(3)。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，其线缺陷谐振腔(2)通过在二维光子晶体中沿水平阵列方向连续移除多个介质柱而构成；通过选择线缺陷谐振腔(2)内连续移除的介质柱个数可调节谐振波长的个数和波长间隔；通过调节线缺陷谐振腔的输入介质柱(2.1)的半径可以调控谐振波长的透射率；通过选择合适的晶格常数、关键介质柱(2.2，3.1，3.2)的折射率及半径，可以同时实现满足所需光通信系统下路波长大小和波长间隔要求的两个波长的下路输出，且具有优异的下路滤波特性。
实施例三：
图2所示为本实施例的线缺陷谐振腔结构，通过连续移除28个介质柱而构成。若改变连续移除介质柱的个数，其光谱特性会有明显变化，结果如图4所示。从该图可知，谐振腔的谐振波长个数随着移除介质柱个数的增加而增多。并且同时发现，相邻两个谐振波长之间的间隔随着连续移除介质柱个数的增多而减小。因而，通过选择线缺陷谐振腔内连续移除的介质柱个数可调节谐振波长的个数和波长间隔，从而可使下路输出波长及波长间隔满足实际应用系统的波长大小和波长间隔要求。另一方面，从图4还可知，随着移除介质柱个数的增多，谐振波长的透射率会减小。这对设计信道下路滤波器来说是不利的。图5为不同输入介质柱半径时线缺陷谐振腔的光谱图。从图5可知，减小谐振腔的输入介质柱半径，可以提高谐振波长的透射率，从而克服了增加移除介质柱个数产生的谐振波长透射率下降的不足。为了使下路信道的波长大小和波长间隔满足具体应用的光通信系统的相关要求，同时实现优异的滤波特性，可通过进一步选择合适的介质柱，如图2中的介质柱2.2、图3中所示的介质柱3.1和3.2等的折射率和半径，及晶格常数来实现。
本实施应用于CWDM光通信系统，实现波长满足ITU-T G.694.2标准的双信道下路滤波器。下路波长分别为1531nm和1551nm。整体的信道下路滤波器结构如图1所示。光从A端口输入，从B和C两个端口分别下路输出。其中，二维光子晶体的阵列为横向36列介质柱、纵向15排介质柱。其中的线缺陷谐振腔由在水平方向连续移除28个介质柱而构成，具体如图2所示。下路输出波导为U型结构，具体结构如图3所示。整个结构的背景材料为空气，四方晶格二维光子晶体的晶格常数a＝0.43μm。线缺陷谐振腔中输入介质柱2.1的折射率和半径分别为4.00和0.03μm，线缺陷谐振腔中关键介质柱2.2的折射率和半径分别为4.00和0.121μm。U型输出波导中，关键介质柱3.1的折射率和半径分别为3.85和0.110μm；关键介质柱3.2的折射率和半径分别为3.85和0.115μm。除介质柱2.1、2.2、3.1和3.2之外的其它介质柱的折射率和半径分别为3.85和0.120μm。
通过在输入波导端口A处，输入高斯脉冲信号，在U型输出波导端口B和端口C处进行观测，得到TE偏振光的透射谱，如图6所示。在输入波导端口A处，分别输入单波长1531nm和1551nm的连续波长信号，得到光场分布如图7(a)和(b)所示。从图7可知，该滤波器同时实现了1531nm波长和1551nm波长分别从输出端口B和C的下路输出。从图6可计算，谐振波长1531nm在端口B的透射率为97.22％；谐振波长1551nm在端口C的透射率为75.00％。
综上可见，该信道下路滤波器，仅用简单的单个线缺陷谐振腔结构同时实现了满足CWDM光通信系统中ITU-T G.694.2标准的1531nm和1551nm波长的双信道下路滤波功能，且具有较理想的下路滤波特性。
Claims (2)
1.一种基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，其特征在于：
1)基本结构为四方晶格的二维光子晶体，
2)沿光束水平入射方向，依次为输入波导(1)、线缺陷谐振腔(2)以及垂直于线缺陷谐振腔方向的U型输出波导(3)；
所述线缺陷谐振腔(2)通过在二维光子晶体中沿水平阵列方向连续移除多个介质柱而构成；
通过选择线缺陷谐振腔(2)内连续移除的介质柱个数可调节谐振波长的个数和波长间隔；
通过选择合适的晶格常数、关键介质柱(2.2，3.1，3.2)的折射率及半径，同时实现满足所需光通信系统下路波长大小和波长间隔要求的两个波长的下路输出，且具有下路滤波特性。
2.根据权利要求1所述的基于单个线缺陷谐振腔的双信道下路滤波器，其特征在于:通过调节线缺陷谐振腔的输入介质柱(2.1)的半径可以调控谐振波长的透射率。
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