CN112987177B - 一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列 - Google Patents

一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，包括自上至下设置的光子晶体平面波导基材和衬底，其中光子晶体平面波导基材中设置周期排布的多个空气孔晶格结构，空气孔晶格由五对椭圆气孔和呈正三角形排布的圆形气孔构成。本发明设计原理清晰，其可达到的效果突破了一般光子晶体平面波导中单偏振单模工作带宽和有效模场面积的限制，并在谐振波长处存在近零传输损耗现象，以此实现的波导结构对高速、大容量光通信及大功率激光器、放大器等应用领域的未来具有不可估量的价值和作用。

Description

一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列
技术领域
本发明属于保偏光子晶体平面波导阵列技术领域，特别涉及一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列。
背景技术
单偏振单模波导是仅支持一种偏振态基模传输的单模光波导，可以有效抑制偏振损耗、偏振色散和偏振模耦合。单偏振单模的概念首先在高双折射光纤设计中被提出，一般情况下可以通过引入椭圆芯、蝴蝶结结构以及应力诱导的双折射效应来调控单偏振特性。相对于传统的单结构光纤，光子晶体光纤灵活多变的晶格结构，具有单模无截止、色散易调控以及高双折射等传输特性，更容易实现工作带宽更宽的单偏振单模运转。近年来，通过引入非圆形气孔以及调整晶格排列方式不断改善了光波导的单偏振单模性能，实现了0.1-2.5μm波段范围内的“无截止”单偏振单模条件。
随着全光通信和高功率激光技术不断增长的需求，在保证超宽带单偏振单模条件下，有效提高光波导的模场面积也成为另一个研究焦点。目前，棒状光子晶体光纤可以在1.03-1.08μm波段范围内实现模场面积超过2300μm2的单偏振单模运转。然而面对未来超高速、大容量光通信和高功率激光领域的需求，工作带宽只有50nm难以满足要求。光子晶体平面波导通常是将光子晶体的特性和平面波导相结合而形成的结构，这类波导也已被证实能实现单偏振单模条件，但是对于基本的光子晶体平面波导而言，大幅提高工作带宽及模场面积仍然受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，解决现有光子晶体平面波导中低损耗、超宽带宽和超大模场面积无法同时兼顾的困难，可用于大容量、超高速光通信和大功率激光器、放大器等领域应用。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，该阵列包括自上至下设置的光子晶体平面波导基材和衬底，所述光子晶体平面波导基材中心处设有若干个第一圆形空气孔，用于调节模式耦合，第一圆形空气孔的外围设有若干个椭圆形空气孔，作为传导单元以增强单偏振单模特性，椭圆形空气孔的外围设有若干个第二圆形空气孔，作为包层以限制光的传输；其中第二圆形空气孔的尺寸大于第一圆形空气孔的尺寸。
进一步地，所述若干个第一圆形空气孔沿光子晶体平面波导基材的轴向呈线性排列，其中位于两端的两个孔分别与其相邻孔之间的距离为Λ4，其余孔之间的距离为Λ3，且Λ4大于Λ3。
进一步地，所述若干个椭圆形空气孔形成若干个传导单元，每个传导单元包括两个椭圆形空气孔，该两个椭圆形空气孔关于所述若干个第一圆形空气孔形成的线性轴向对称分布，且所有传导单元中两个椭圆形空气孔之间的距离相同。
进一步地，不同传导单元之间相邻椭圆形空气孔间的距离相同，记为Λ2。
进一步地，所述第二圆形空气孔呈正三角形晶格排列。
进一步地，该光子晶体平面波导的横截面结构沿光波导轴向不发生变化。
进一步地，所述各传导单元之间第一圆形空气孔、椭圆形空气孔的几何参数均可调。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)具有椭圆空气孔的多传导单元光子晶体平面波导阵列结构，通过调节各传导单元之间的微小空气孔(第一圆形空气孔)和椭圆空气孔几何参数，可以实现模场面积超过2600μm2的超大模场“无截止”单偏振单模条件；2)光子晶体平面波导阵列在谐振波长处，存在“无损”传输条件，有利于促进超高速、大容量光通信和大功率激光器、放大器的发展。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列的横截面示意图。
图2为一个实施例中光波导结构参数为D1＝5μm，D2＝2.2μm，Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm，a＝25μm，b＝5μm时，各阶模式的泄漏损耗特性图。
图3为一个实施例中光波导结构参数为D1＝5μm，D2＝2.2μm，Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm时，谐振波长分别随a和b的变化图。
图4为一个实施例中光波导结构参数为D1＝5μm，D2＝2.2μm，Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm，a＝25.01μm，b＝5μm时，在1.55μm波长处的模场分布图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，该阵列包括自上至下设置的光子晶体平面波导基材1和衬底4，所述光子晶体平面波导基材1中心处设有若干个第一圆形空气孔5，用于调节模式耦合，第一圆形空气孔5的外围设有若干个椭圆形空气孔3，作为传导单元以增强单偏振单模特性，椭圆形空气孔3的外围设有若干个第二圆形空气孔2，作为包层以限制光的传输；其中第二圆形空气孔2的尺寸大于第一圆形空气孔5的尺寸。
进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个第一圆形空气孔5沿光子晶体平面波导基材1的轴向呈线性排列，其中位于两端的两个孔分别与其相邻孔之间的距离为Λ4，其余孔之间的距离为Λ3，且Λ4大于Λ3。
进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个椭圆形空气孔3形成若干个传导单元，每个传导单元包括两个椭圆形空气孔3，该两个椭圆形空气孔3关于所述若干个第一圆形空气孔5形成的线性轴向对称分布，且所有传导单元中两个椭圆形空气孔3之间的距离相同。
进一步地，在其中一个实施例中，不同传导单元之间相邻椭圆形空气孔3间的距离相同，记为Λ2。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第二圆形空气孔2呈正三角形晶格排列。
进一步地，在其中一个实施例中，该光子晶体平面波导的横截面结构沿光波导轴向不发生变化。
进一步地，在其中一个实施例中，所述各传导单元之间第一圆形空气孔5、椭圆形空气孔3的几何参数均可调，包括孔之间的间距、孔的直径以及椭圆长轴a和短轴b等等几何参数。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述光子晶体平面波导基材1采用二氧化硅。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述衬底4采用硅。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述光子晶体平面波导基材1的折射率n1＝1.45，衬底4的折射率n2＝3.455，第二圆形空气孔2的直径D1＝5μm，第一圆形空气孔5的直径D2＝2.2μm，第二圆形空气孔2之间的间距Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm，椭圆形空气孔3的长轴a＝25.01μm，短轴b＝5μm；若干个椭圆形空气孔3形成5个传导单元。
上述单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列的工作原理如下：
由于在光子晶体晶格中引入椭圆空气孔，因此在两个正交偏振基模之间产生较大的泄漏损耗差，从而在更宽的波段内仅支持一种偏振态基模传输。根据耦合模理论，多对椭圆空气孔组成的阵列传导区域大幅扩展了有效模场面积及单偏振单模带宽，并通过在相邻单元之间嵌入了四个微小圆形空气孔，增强单偏振条件下各单元之间的倏逝耦合作用。根据耦合谐振腔诱导透明效应，各单元中的模式之间发生谐振耦合，在阵列波导内部形成了微腔结构，导致x偏振基模具有有效的“透明”传输条件，其泄漏损耗在谐振波长处随之急剧减小。
综上，本发明以多对大椭圆空气孔和微小椭圆空气孔取代中心空气孔，通过微调取代后的空气孔的几何参数，实现对单偏振特性的调控，最终在超宽带波段范围内实现超大模场面积的单偏振模传输，并且在谐振波长处存在近零传输损耗现象，从而获得低损耗传输的超大模场单偏振单模光子晶体平面波导阵列。
在一个实施例中，下面将对本发明的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列进行进一步分析验证说明。
利用配合完全匹配层的有限元法计算所述光子晶体平面波导两个偏振态基模和最低损耗的高阶模的泄漏损耗图，如图2所示，此时0.13-4.32μm波段范围内，x偏振态基模的泄漏损耗小于0.1dB/m，同时y偏振态基模、高阶模与x偏振态基模的损耗比大于100，满足单偏振单模条件。从图2中可以看到，x偏振态基模在1.45μm处的泄漏损耗只有5.8×10-7dB/m，具有近零传输损耗特性。
图3为本发明中波导结构参数为D1＝5μm，D2＝2.2μm，Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm时，谐振波长随椭圆长轴a和短轴b的变化图。可以得出：通过调整光子晶体平面波导阵列的椭圆长轴和短轴，谐振波长可以向特定的工作波长偏移，并保持单偏振单模运转。
图4为本发明中波导结构参数为D1＝5μm，D2＝2.2μm，Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm，a＝25.01μm，b＝5μm时，在1.55μm波长处的模场分布图。进一步计算得到有效模场面积为2658.5μm2，x偏振态基模的泄漏损耗为1.14×10-7dB/m，在0.11-4.42μm超宽的波段范围内可以满足单偏振单模条件。
本发明设计原理清晰，其可达到的效果突破了一般光子晶体平面波导单偏振单模带宽和有效模场的限制，并在谐振波长处能实现近零传输损耗条件，以此实现的光波导对高速、大容量光通信及大功率激光器和放大器等应用领域的未来具有不可估量的价值和作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，该阵列包括自上至下设置的光子晶体平面波导基材(1)和衬底(4)，所述光子晶体平面波导基材(1)中心处设有若干个第一圆形空气孔(5)，用于调节模式耦合，第一圆形空气孔(5)的外围设有若干个椭圆形空气孔(3)，作为传导单元以增强单偏振单模特性，椭圆形空气孔(3)的外围设有若干个第二圆形空气孔(2)，作为包层以限制光的传输；其中第二圆形空气孔(2)的尺寸大于第一圆形空气孔(5)的尺寸；
所述若干个第一圆形空气孔(5)沿光子晶体平面波导基材(1)的轴向呈线性排列，其中位于两端的两个孔分别与其相邻孔之间的距离为Λ4，其余孔之间的距离为Λ3，且Λ4大于Λ3；
所述若干个椭圆形空气孔(3)形成若干个传导单元，每个传导单元包括两个椭圆形空气孔(3)，该两个椭圆形空气孔(3)关于所述若干个第一圆形空气孔(5)形成的线性轴向对称分布，且所有传导单元中两个椭圆形空气孔(3)之间的距离相同。
2.根据权利要求1所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，不同传导单元之间相邻椭圆形空气孔(3)间的距离相同，记为Λ2。
3.根据权利要求1所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，所述第二圆形空气孔(2)呈正三角形晶格排列。
4.根据权利要求3所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，该光子晶体平面波导的横截面结构沿光波导轴向不发生变化。
5.根据权利要求4所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，各所述传导单元之间第一圆形空气孔(5)、椭圆形空气孔(3)的几何参数均可调。
6.根据权利要求5所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，所述光子晶体平面波导基材(1)采用二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，所述衬底(4)采用硅。
8.根据权利要求7所述的单偏振单模超大模场光子晶体平面波导阵列，其特征在于，所述光子晶体平面波导基材(1)的折射率n1＝1.45，衬底(4)的折射率n2＝3.455，第二圆形空气孔(2)的直径D1＝5μm，第一圆形空气孔(5)的直径D2＝2.2μm，第二圆形空气孔(2)之间的间距Λ1＝20μm，Λ2＝28μm，Λ3＝28μm，Λ4＝38μm，椭圆形空气孔(3)的长轴a＝25.01μm，短轴b＝5μm；若干个椭圆形空气孔(3)形成5个传导单元。
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