CN109655968B - 一种应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，为三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，通过在两个水平直通波导中引入两臂具有不同参数、且末端不构成通路的Y波导及两个六边形状的双环结构的谐振腔而实现。整个结构的介质柱材料为相变材料，通过外界诱导两个谐振腔的内环介质柱到不同的相变态，同时合适选择特殊位置介质柱的半径等，可实现满足粗波分复用光通信系统要求的四信道下路滤波功能，具有优良的下路滤波特性。本发明的四通道下路滤波器基于两个谐振腔结构而实现，具有结构简单、尺寸小，易于实现和集成的突出特点，且灵活性高、下路输出波长大小和间隔满足目前实际应用的CWDM光通信系统的要求，在未来光集成系统中有重要应用。

Description

一种应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器
技术领域
本发明是一种多通道的信道下路滤波器，主要应用于粗波分复用通信系统，实现特定波长信号的选择下路。
背景技术
随着人们进入光集成、全光通信时代，波分复用(WDM)系统得到了广泛的研究。基于二维光子晶体的信道下路滤波器具有体积小、易于集成等优势，在波分复用系统中得到了越来越多的应用。环形腔结构具有很好的频谱选择特性，在二维光子晶体中引入波导与环形谐振腔结构，可以实现高性能的信道下路滤波器。近年来，很多研究者通过设计不同结构的谐振腔，实现信号的前向下路或者后向下路输出功能；通过级联多个谐振腔，实现多通道下路滤波器。理想的多通道下路滤波器应该具有尺寸小、结构简单、易于实现、下路输出效率高、谐振波长大小以及波长间隔满足系统要求等特性。
在先技术[1](参见Optics Express，Takano H,Song B S,Asano T,Noda S.2006，14(8)：3491-3496)采用五个不同晶格常数的三角晶格二维光子晶体，通过引入不同参数的四个谐振腔，实现了四波长分别为1516nm、1536nm、1559nm和1583nm的下路输出。该结构虽然实现了高效率的下路输出功能，但是实现四通道的下路输出需要四个谐振腔，器件整体尺寸较大，而且采用的异质结构大大增加了器件结构的复杂性，不利于器件的制备。此外，四个下路波长不符合目前普遍采用的WDM系统，如粗波分复用(CWDM)或密集波分复用系统(DWDM)对传输信号波长的具体要求。
在先技术[2](参见Optik，Alipour-Banaei H,Mehdizadeh F,SerajmohammadiS.2013,124:5964-5967)通过在三角晶格的二维光子晶体中引入四个不同参数的“X”形谐振腔，实现了四通道信号的下路输出。下路波长分别为：1563.5nm、1566.2nm、1569.7nm、1572.6nm，其透射率分别为45％、50％、51％、63％，平均透射率只有53％。可见该下路滤波器下路效率不高，下路波长也不符合CDWM系统或DWDM系统的具体要求，且由于结构中需要四个谐振腔来实现，结构复杂，尺寸较大。
在先技术[3](参见Optik，Gupta N D,Janyani V.2014,125：5833-5836)通过在正方格子的二维光子晶体中引入四个不同参数的谐振腔结构，实现了四通道信号下路滤波，其下路波长分别为1558.9nm、1559.7nm、1560.6nm、1561.3nm。该信道下路滤波器的下路效率较低，且四个下路波长不满足WDM系统的特定要求。此外，该结构由于也采用了四个谐振腔结构，结构复杂，尺寸较大，不利用实际应用和集成。
在先技术[4](参见Opt Rev,Fallahi V,Seifouri M,Olyaee S,Alipour-BanaeiH.2017,24:605–610)通过在三角晶格两维光子晶体中引入不同参数的四个六边形环形腔，实现了四通道信号下路输出，下路波长分别为1583nm、1585.2nm、1587.2nm、1589nm，平均透射率高达95.8％。该结构也存在实现四通道下路输出需要四个谐振腔的突出问题，大幅度增加了器件结构的复杂性、尺寸和成本，而且四个下路波长的大小以及间隔也不满足CDWM系统或DWDM系统的具体要求。
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、光学性能优异的多信道下路滤波器，且下路的多个信号的波长满足实际应用的CWDM系统的波长大小和波长间隔的要求，具有更强的实用性。
为达到上述目的，本发明的构思是：
在二维光子晶体的两个水平直通波导中引入Y波导以及两个六边形的双环结构的谐振腔来实现四通道下路滤波器。Y波导的输入端水平放置，其上、下两个输出臂端各沿输入方向继续平行延伸构成水平直波导，但其末端不构成通路。同时，在Y波导的上、下两个延伸水平直波导的起始端引入不同参数的介质柱。此外，与Y波导的上、下两个臂延伸的水平直波导相关的介质柱参数也不相同。输入的四波长信号经Y波导的输入端输入后被分成两路，分别在Y波导的上、下两个臂内传输，经过水平直波导部分，分别选频出与该水平直波导部分相应的两个波长信号，这样经过整个Y波导后在上、下两臂各选频出了总共两组双波长信号，之后再分别与上、下两个双环结构的谐振腔耦合，通过上、下两个水平直通波导进行前向和后向同时下路输出，从而最终实现四波长信号的下路滤波。通过选择合适的晶格常数、不同位置的介质柱折射率及半径等，以实现下路的四个波长满足CWDM系统应用的具体要求，同时具有优异的下路滤波特性。该信道下路滤波器在结构上巧妙设计了Y波导，只利用了两个双环结构的谐振腔即可实现四波长信号的下路输出，从而克服了目前在先技术普遍存在的下路四个波长信号需要四个谐振腔而导致的结构复杂，尺寸较大，不利于实现的突出问题。
根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：
一种应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，基本结构是三角晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括上水平直通波导和下水平直通波导，一个Y波导位于两个水平直通波导中间；双环结构的上谐振腔，位于上水平直通波导和Y波导之间，双环结构的下谐振腔，位于Y波导和下水平直通波导之间。
进一步地，所述Y波导在两个输出臂端沿输入方向继续平行延伸构成水平直波导，但其末端不构成通路；同时，在Y波导的上、下两个延伸水平直波导的起始端引入介质柱。
进一步地，所述上谐振腔和下谐振腔都由一大一小两个六边形状的介质柱排布结构嵌套构成，且两个六边形状介质柱排布结构的中心具有对称分布的若干个介质柱；一大一小两个六边形状的介质柱排布结构之间以及中心对称分布的若干个介质柱与小的六边形状的介质柱排布结构之间均不相邻，至少间隔一排介质柱，从而构成了双环结构的谐振腔。
进一步地，所述上谐振腔和下谐振腔沿与输入光垂直的方向分别位于Y波导的上、下两个延伸水平直波导处。
进一步地，所述上谐振腔和下谐振腔在水平方向的位置不相同。
进一步地，所述Y波导的上、下两个延伸水平直波导部分的相关介质柱参数不相同，以及在上、下两个延伸水平直波导的起始端引入的介质柱参数也不相同。
进一步地，所述Y波导的上臂中延伸的水平直波导部分的相关介质柱与在该水平直波导的起始端引入的介质柱的参数不相同；Y波导的下臂中延伸的水平直波导部分的相关介质柱与在该水平直波导的起始端引入的介质柱的参数也不相同。
进一步地，所述上谐振腔和下谐振腔中小的六边形状的介质柱排布结构的介质柱折射率不相同；制备时，选择所有位置的介质柱材料为相变材料，基于介质柱材料的相变特性，通过外界诱导两个谐振腔中小的六边形状的介质柱排布结构的介质柱到不同的相变态来实现该位置所需的介质柱折射率。
通过选择合适的晶格常数、背景介质柱折射率和半径、上谐振腔和下谐振腔中小的六边形状的介质柱排布结构的介质柱折射率、Y波导的上、下两个延伸水平直波导部分的相关介质柱及其起始端引入的介质柱的半径、Y波导的上、下两个延伸水平直波导部分的长度、Y波导的上、下两个延伸水平直波导的间距、上谐振腔和下谐振腔的水平方向的位置，以及上水平直通波导和下水平直通波导的宽度等，可以同时实现满足CWDM光通信系统下路波长大小和波长间隔要求的四个波长的下路输出，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：
本发明的四通道下路滤波器基于两个双环结构的谐振腔而实现，因而相比在先技术[1]、[2]、[3]和[4]实现四通道的下路输出需要四个谐振腔而言，具有结构简单、尺寸小，易于实现和集成的突出特点。特别是相比在先技术[1]的复杂的异质结构的二维光子晶体，该特性尤为明显。此外，相比在先技术[1]、[2]、[3]和[4]的下路的四个信号波长不满足实际系统应用的不足，本发明结构实现的下路四个信号的波长和波长间隔满足目前实际应用的CDWM系统的具体要求，具有更高的实用性；相比于在先技术[2]、[3]中较低的下路透射率，本发明结构可以实现更高的下路效率，性能更加优异。
另一方面，本发明结构的两个双环结构的谐振腔，除内环介质柱折射率外，其余加工所需的结构参数均相同。制备时，选择所有介质柱材料相同，基于介质柱材料的相变特性，只需简单的外界诱导两个谐振腔的内环介质柱到所需折射率对应的相变态，即可实现所需的内环介质柱折射率，因而相比在先技术[1]、[2]、[3]和[4]中各谐振腔的结构参数不同，需要额外制备众多不同折射率及半径的介质柱而言，本发明结构制备简单，实现容易，具有更大的灵活性和实用性。
综上所述，本发明所实现的四通道下路滤波器具有结构简单、尺寸小、易于实现、相比于其他结构实现相同的信道下路输出需要更少的谐振腔，且下路输出波长大小和间隔满足目前实际应用的CWDM光通信系统的要求，在未来光集成系统中将会有更好的应用。
附图说明
图1为本发明四通道下路滤波器的结构示意图。其中1和2为水平直通波导；3为两臂具有水平延伸的Y波导；4和5为具有双环结构的谐振腔；A为输入端口，B、C、D和E端口为下路输出端口。
图2为图1中所示的Y波导的具体结构。其中以圆圈标示的3.1以及3.2分别为Y波导上、下两个延伸水平直波导的起始端引入的介质柱，称为输入介质柱；以虚线框标示的3.3和3.4分别为Y波导的上、下两个延伸水平直波导部分的相关介质柱，称为关键介质柱；以三角形框标示的3.5，称为中心介质柱。
图3为图1中所示双环结构的谐振腔的结构示意图。其中六边形框所示的双环结构的谐振腔内，位于最中心的几个介质柱称为中心介质柱；位于中间的排布结构呈六边形的介质柱称为内环介质柱；位于最外面的排布结构呈六边形的介质柱称为外环介质柱。
图4为本实施例的四个输出端口的透射谱。
图5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1490nm，(b)为1510nm，(c)为1530nm，(d)为1550nm。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，基本结构是三角晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括上水平直通波导1和下水平直通波导2，一个Y波导3位于两个水平直通波导中间；双环结构的上谐振腔4，位于上水平直通波导1和Y波导3之间，双环结构的下谐振腔5，位于Y波导3和下水平直通波导2之间。
选择合适的晶格常数、背景介质柱折射率及半径，使待下路的满足CDWM具体应用的四个信号的波长位于该光子晶体的光子带隙内。输入的四波长信号从Y波导3的输入端口输入，之后被分成两路，分别在两个输出臂内单独传输，选择合适的上、下臂的水平直波导的长度，上、下臂内的输入介质柱3.1和3.2及关键介质柱3.3和3.4的半径，可以使这两路信号经过水平直波导后，分别选频出与该水平直波导部分相应的两个波长信号，这样经过整个Y波导后在上、下两臂各选频出了总共两组双波长信号。合适的选择两个谐振腔的内环介质柱折射率，可以分别使Y波导3上臂选频出的两个波长信号与上谐振腔4发生耦合，最后经上水平直通波导1后分别前向和后向下路，从输出端口B和C输出；Y波导3下臂选频出的两个波长信号与下谐振腔5发生耦合，最后经下水平直通波导2后分别前向和后向下路，从输出端口D和E输出，从而最终实现四波长信号的下路滤波。其中，为了实现各下路端口高的下路效率，还需要优化选择上谐振腔4和下谐振腔5的水平位置及上水平直通波导1和下水平直通波导2的宽度等。选择相变材料为介质柱材料，可以基于材料的相变特性灵活的改变内环介质柱的折射率，从而便于实际应用。
实施例：
本实施应用于CWDM光通信系统，实现标准波长间隔20nm的下路波长分别为：1490nm、1510nm、1530nm和1550nm的四通道下路滤波器。
整个光学结构如图1所示。其为三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，整个结构为29×37介质柱阵列，A端口为输入端口，B、C、D和E端口为下路输出端口。背景材料为空气，介质柱材料为相变材料Ge2Sb2Se4Te1(GSST)，其折射率n＝3.5，介质柱半径R＝0.0975μm，晶格常数a＝0.58μm。如图2所示，Y波导3上、下臂的水平直波导的长度相等，其上输入介质柱3.1与上关键介质柱3.3间移除15个介质柱，下输入介质柱3.2与下关键介质柱3.4间也移除15个介质柱。Y波导3的上、下两个延伸水平直波导，中间间隔9行介质柱。Y波导3的上输入介质柱3.1和下输入介质柱3.2的半径分别为Rup,in＝0.03μm和Rlo,in＝0.03μm，上关键介质柱3.3和下关键介质柱3.4的半径分别为Rup,c＝0.0955μm和Rlo,c＝0.1000μm。上谐振腔4和下谐振腔5的结构如图3所示，其中心介质柱、内环介质柱和外环介质柱的个数分别为3、16和28，内环介质柱与外环介质柱之间间隔一排介质柱；中心介质柱与内环介质柱之间也间隔一排介质柱。上谐振腔4和下谐振腔5的最中间的中心介质柱相比Y波导3的中心介质柱3.5，分别沿水平方向向右偏移8个和9个介质柱，即下谐振腔5相比上谐振腔4沿水平方向向右偏移1个介质柱。上谐振腔4和下谐振腔5的内环介质柱折射率分别为nup,in＝3.55和nup,in＝3.8。上水平直通波导1和下水平直通波导2的波导宽度为2.01379×a。
通过在输入端口A处，输入高斯脉冲信号，在端口B、端口C、端口D、端口E处进行观测，得到TE偏振光的透射谱，如图4所示。在输入波导端口A处，分别输入单波长1490nm、1510nm，1530nm和1550nm的连续波长信号，得到的光场分布如图5所示。从图5可知，该滤波器同时实现了1490nm波长、1510nm波长、1530nm波长和1550nm波长光分别从输出端口B、E、C和D的下路输出。从图5可计算，下路波长1490nm、1510nm和1550nm分别在端口B、E和D的透射率接近100％，下路波长1530nm在端口C的透射率为85.4％。
综上可见，该信道下路滤波器，基于两个双环结构的谐振腔同时实现了满足CWDM光通信系统标准波长间隔20nm的1490nm、1510nm、1530nm和1550nm波长的四信道下路滤波功能，结构简单、尺寸小、易于集成，下路滤波特性较理想。此外，本发明结构的两个双环结构的谐振腔，除内环介质柱折射率外，其余加工所需的结构参数均相同。制备时，可以在所有介质柱材料相同的情况下，通过外界诱导两个谐振腔的内环介质柱到不同的相变态来实现所需的内环介质柱折射率。从而，相比在先技术，本发明结构更容易制备，更易实现，具有更大的灵活性和实用性。

Claims (9)

1.一种应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，基本结构是三角晶格介质柱类型的二维光子晶体，其特征在于，包括上水平直通波导（1）和下水平直通波导（2），一个Y波导（3）位于两个水平直通波导中间；双环结构的上谐振腔（4），位于上水平直通波导（1）和Y波导（3）之间，双环结构的下谐振腔（5），位于Y波导（3）和下水平直通波导（2）之间。
2.根据权利要求1所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述Y波导（3）在两个输出臂端沿输入方向继续平行延伸构成水平直波导，但其末端不构成通路；同时，在Y波导（3）的上、下两个延伸水平直波导的起始端引入介质柱。
3.根据权利要求1所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述上谐振腔（4）和下谐振腔（5）都由一大一小两个六边形状的介质柱排布结构嵌套构成，且两个六边形状介质柱排布结构的中心具有对称分布的若干个介质柱；一大一小两个六边形状的介质柱排布结构之间以及中心对称分布的若干个介质柱与小的六边形状的介质柱排布结构之间均不相邻，至少间隔一排介质柱，从而构成了双环结构的谐振腔。
4.根据权利要求1所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述上谐振腔（4）和下谐振腔（5）沿与输入光垂直的方向分别位于Y波导（3）的上、下两个延伸水平直波导处。
5.根据权利要求1所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述上谐振腔（4）和下谐振腔（5）在水平方向的位置不相同。
6.根据权利要求1所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述Y波导（3）的上、下两个延伸水平直波导部分的相关介质柱参数不相同，以及在上、下两个延伸水平直波导的起始端引入的介质柱参数也不相同。
7.根据权利要求1所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述Y波导（3）的上臂中延伸的水平直波导部分的相关介质柱与在该水平直波导的起始端引入的介质柱的参数不相同；Y波导（3）的下臂中延伸的水平直波导部分的相关介质柱与在该水平直波导的起始端引入的介质柱的参数也不相同。
8.根据权利要求3所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：所述上谐振腔（4）和下谐振腔（5）中小的六边形状的介质柱排布结构的介质柱折射率不相同；制备时，选择所有位置的介质柱材料为相变材料，基于介质柱材料的相变特性，通过外界诱导两个谐振腔中小的六边形状的介质柱排布结构的介质柱到不同的相变态来实现该位置所需的介质柱折射率。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的应用于粗波分复用系统的四通道下路滤波器，其特征在于：通过选择合适的晶格常数、背景介质柱折射率和半径、上谐振腔（4）和下谐振腔（5）中小的六边形状的介质柱排布结构的介质柱折射率、Y波导（3）的上、下两个延伸水平直波导部分的相关介质柱及其起始端引入的介质柱的半径、Y波导（3）的上、下两个延伸水平直波导部分的长度、Y波导（3）的上、下两个延伸水平直波导的间距、上谐振腔（4）和下谐振腔（5）的水平方向的位置，以及上水平直通波导（1）和下水平直通波导（2）的宽度，同时实现满足CWDM光通信系统下路波长大小和波长间隔要求的四个波长的下路输出。
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