CN111505756B - 一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，包括介质柱、三通道光子晶体滤波器，有效的解决了三通道光子晶体滤波器在波分复用系统中存在的尺寸过大而不适用的问题。本发明利用提出的优化方法将多通道光子晶体滤波器划分为顶部、底部、左侧、右侧四个方向，从四个方向分别以一层介质柱为单位进行缩减，每缩减一层便采用二维时域有限差分法对三通道光子晶体滤波器的透射谱进行计算，并得到透射谱峰值处的透射率，在保证透射率的降低不超过10%的基础上选择缩减的层数，达到了缩减三通道光子晶体滤波管的尺寸的效果，使其能够应用于波分复用系统中。

Description

一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法

技术领域

本发明涉及滤波器领域，特别是一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法。

背景技术

伴随着人们对于通信和网络速度需求的不断提高，光通信技术得到了极大的发展，为进一步提高光通信速度，全光网络和光集成器件的研究应用已经成为了一种重要手段，单通道光子晶体滤波器是光集成电路的重要组成部分之一，也是光集成电路的关键器件，因此具有着广泛的应用前景。为解决单通道光子晶体滤波器均是每个通道只能下载一个谐振波长的问题，现有技术通过波导、反射壁、多模谐振腔及输出端口并结合多种结构的耦合特性，设计出了如三通道光子晶体滤波器等多通道光子晶体滤波器，实现了光子晶体滤波器可以同时对三个波长甚至更多的波长同时进行下载的作用。

但单通道光子晶体滤波器变为三通道光子晶体滤波器的同时其尺寸也增大，导致三通道光子晶体滤波器在波分复用系统中进行时使用的时候，却存在着因尺寸过大而不适用的问题。

因此本发明提供一种的新的方案来解决此问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，有效的解决了三通道光子晶体滤波器在波分复用系统中存在的尺寸过大而不适用的问题。

其解决的技术方案如下：

本发明提供了一种多模谐振腔的多通道光子晶体滤波器的优化方法，包括介质柱、三通道光子晶体滤波器，所述优化方法包括以下步骤：

S1、将多通道光子晶体滤波器划分为顶部、底部、左侧、右侧四个方向，从四个方向分别进行优化；

S2、对顶层进行优化时，从上往下以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S3、对底层进行优化时，从最底层从下往上以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S4、对左侧进行优化时，从最左列往右以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S5：对右侧进行优化时，从最右列往左以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S6、根据步骤S2、S3、S4、S5得到的透射谱，将三通道光子晶体滤波器每一端口的透射谱峰值处的透射率进行比较，当透射率降低超过10%时不再进行缩减。

本发明实现的有益效果是：在保证每个通道的透射率降低不超过10%、制作难度和尽量避免串扰的条件下，通过采用本发明提供的优化方法将多通道光子晶体滤波器分为顶部、底部、左侧、右侧四个方向并分别进行优化，从而实现对三通道内光子晶体滤波器的尺寸进行优化，最终使三通道光子晶体滤波器能适用于波分复用系统。

附图说明

图1为本发明的三通道光子晶体滤波器从顶部缩减示意图。

图2为本发明的三通道光子晶体滤波器从顶部缩减后的透射谱图。

图3为本发明的顶部介质柱缩减后不同通道在透射谱峰值处的透射率图。

图4为本发明的三通道光子晶体滤波器从底部缩减示意图。

图5为本发明的底部介质柱缩减后不同通道在透射谱峰值处的透射率图。

图6为本发明的三通道光子晶体滤波器从左侧缩减示意图。

图7为本发明的左侧介质柱缩减后不同通道在透射谱峰值处的透射率图。

图8为本发明的三通道光子晶体滤波器从右侧缩减示意图。

图9为本发明的右侧介质柱缩减后不同通道在透射谱峰值处的透射率图。

图10为本发明完成缩减后三通道的透射谱。

图11为本发明的三通道不同波长的下载效率及与优化前对比的增减率表。

具体实施方式

为有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1-11对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，利用本发明提供的优化方法将三通道光子晶体滤波器的尺寸过大的问题解决，使其适用在波分复用系统中，所述优化方法包括以下步骤：

S1、将多通道光子晶体滤波器划分为顶部、底部、左侧、右侧四个方向，从四个方向分别进行优化；

S2、对顶层进行优化时，从上往下以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S3、对底层进行优化时，从最底层从下往上以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S4、对左侧进行优化时，从最左侧往右以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S5：对右侧进行优化时，从最右侧往左以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S6、根据步骤S2、S3、S4、S5得到的透射谱，将三通道光子晶体滤波器每一端口的透射谱峰值处的透射率进行比较，当透射率降低超过10%时不再进行缩减；

所述步骤S2中采用二维时域有限差分法进行计算得到该层对应的透射谱；

所述步骤S2中每缩减一层，光子晶体滤波器的整体便缩小27um×0.55um；

所述步骤S6中的透射率降低的计算公式为：当缩减至A-1层的透射率为X，缩减至A层的透射率为Y，则(Y-X)/X≤10%；

当需要对三通道光子晶体滤波器进行优化的时候，将三通道光子晶体滤波器的三个通道命名为端口A、端口B、端口C,以一层介质柱为单位，介质柱的半径0.2a，晶格常数a=550nm，未优化前的端口A可下载的波长分别为1.595 um、1.45um、1.39 um，未优化前的端口B可下载的波长分别为1.566 um、1.436 um、1.383 um，未优化前的端口C可下载的分别波长为1.513 um、1.427 um、1.376 um，未优化前的三通道光子晶体滤波器的尺寸27um×17um：

当对顶部进行缩减时如图1所示，从顶部以虚线框内的介质柱为起始行 ，沿着箭头方向依次向下缩减，每缩减一层便采用二维时域有限差分法对三通道光子晶体滤波器的透射谱进行计算，如图2所示，（1）图为端口A、端口B、端口C缩减一层时的透射谱，（2）图为端口A、端口B、端口C缩减两层时的透射谱，（3）图为端口A、端口B、端口C缩减三层时的透射谱，（4）图为端口A、端口B、端口C缩减四层时的透射谱，根据通端口A、端口B、端口C的透射谱中得出透射谱峰值处的透射率，如图3所示，并从图3中发现，当上层缩减3层时，发现端口A、端口B、端口C降低的透射率都超过10%，故三通道光子晶体滤波器的顶部缩减至第2层；

当对底部进行缩减时如图4所示，从最底部以虚线框内的介质柱为起始行，沿着箭头方向依次向上缩减，每缩减一层便采用二维时域有限差分法对三通道光子晶体滤波器的透射谱进行计算，并得到透射谱峰值处的透射率，如图5所示，并从图5中发现在底部缩减至5层时，端口A、端口B、端口C透射率降低也未超过10%，考虑到制作难度与每优化一层而增加的串扰，将三通道光子晶体滤波器的底部缩减至5层；

当对左侧进行缩减时如图6所示，从最左侧的虚线框内的介质柱为起始行，沿着箭头方向依次向右缩减，每缩减一层便采用二维时域有限差分法对三通道光子晶体滤波器的透射谱进行计算，并得到透射谱峰值处的透射率，如图7所示，并从图7中发现，当缩减至第4或第5层时，端口C的透射率降低，并超过10%，当缩减至3层时，端口A的透射率明显降低，并超过10%，故三通道光子晶体滤波器对于左侧缩减至2层时才能保证有较高的透射率；

当对右侧进行缩减时如图8所示，从最右侧的虚线框内的介质柱为起始行，沿着箭头方向依次向左缩减，每缩减一层便采用二维时域有限差分法对三通道光子晶体滤波器的透射谱进行计算，并得到透射谱峰值处的透射率，如图9所示，并从图9中发现，当对右侧缩减至4层时，端口A峰值处的透射率降低，并超过10%，端口B、端口C的透射率的降低并未超过10%，故三通道光子晶体滤波器对于右侧缩减至3层时才能保证有较高的透射率；

综合来看，根据本发明提供的优化方法，三通道光子晶体滤波器的优化方案为：底部缩减5层，左侧缩减2层，右侧缩减3层，顶部缩减2层，并对此时的三通道光子晶体滤波器采用二维时域有限差分法对该滤波器进行模拟计算得到的透射谱如图10所示，表明缩减后的端口A、端口B、端口C都能够下载3个波长：端口A可下载的波长分别为1.593 um、1.451um、1.390 um，端口B可下载的波长分别为1.566 um、1.436 um、1.383 um，端口C可下载的波长分别为1.513 um、1.427 um、1.376 um，与未优化前的三个通道可下载的波长进行对比发现可下载的波长几乎不变；对于端口A、端口B、端口C在波长1.500um到1.600um这一通信波段同样具有较高的透射率、下载效率，滤波三通道光子晶体滤波器各信道对不同波长透射率与优化前的对比增减率如表11所示，端口A、端口B、端口C的下载效率保持较高状态，优化后的透射率与优化前相比较，透射率也未有过多损耗，此时三通道光子晶体滤波器的尺寸为15um×7µm。

本发明在进行使用的时候，利用优化方法将三通道光子晶体滤波器分为顶部、底部、左侧、右侧分别进行优化，在每个方向以一层介质柱为单位进行缩减，每缩减一层便采用二维时域有限差分法对三通道光子晶体滤波器的透射谱进行计算，并得到透射谱峰值处的透射率，在保证透射率的降低不超过10%、制作难度和尽量避免串扰的基础上选择缩减的层数，达到了缩减三通道光子晶体滤波管的尺寸的效果，使其能够应用于波分复用系统中；

本发明提供的优化方法用于但不仅限于三通道光子晶体滤波器，还可用于四通道、五通道等多通道光子晶体滤波器，还可根据实际需要选择其中一个方向进行优化。

Claims (4)

1.一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，所述三通道光子晶体滤波器包括介质柱，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：

S1、将多通道光子晶体滤波器划分为顶部、底部、左侧、右侧四个方向，从四个方向分别进行优化；

S2、对顶层进行优化时，从上往下以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S3、对底层进行优化时，从最底层从下往上以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S4、对左侧进行优化时，从最左侧往右以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S5：对右侧进行优化时，从最右侧往左以一层介质柱为单位依次缩减，每缩减一层便计算该层对应的透射谱；

S6、根据步骤S2、S3、S4、S5得到的透射谱，将三通道光子晶体滤波器每一端口的透射谱峰值处的透射率进行比较，当透射率降低超过10%时不再进行缩减。

2.如权利要求1所述的一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，其特征在于，所述步骤S2中采用二维时域有限差分法进行计算得到该层对应的透射谱。

3.如权利要求1所述的一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，其特征在于，所述步骤S2中每缩减一层，光子晶体滤波器的整体便缩小27um×0.55um。

4.如权利要求1所述的一种多模谐振腔的三通道光子晶体滤波器的优化方法，其特征在于，所述步骤S6中的透射率降低的计算公式为：当缩减至A-1层的透射率为X，缩减至A层的透射率为Y，则(Y-X)/X≤10%。

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