CN113777674B - 一种可实现光学频率梳的光子晶体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现光学频率梳的光子晶体结构，两种折射率不同电介质薄片A和B按照序列SN=S0(3NB)S0排列形成光子晶体；此结构的透射谱中存在多波长共振的光学频率梳，对应着一系列的透射模；透射模的数量随序列序号的增加而增加；各光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；信道的中心频率可通过改变入射角的大小来灵活地调控。本发明的技术方案可用于多通道光子滤波，经调制光子晶体的序列序号和光波的入射角对的滤波通道的数量进行扩展和控制频率梳的位置。
Description
技术领域
本发明属于全光通信系统技术领域，涉及一种可实现光学频率梳的光子晶体结构。
背景技术
光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络。光学频率梳可用于对频率的精确测量、光通信、多载波光源的产生，以及全光变频等。
在多信道光通信中，需要对多个分离的单一频率进行滤波，这就需要用到多通道滤波器。根据滤波器的幅频特性，可以将滤波器分为带通、带阻、低通和高通四种类型。因此，传统的滤波器都不能满足同时对多个单一波长进行滤波的功能。在光纤通信的光波分复用中，可通过改变光纤光栅的空间周期来实现对信号的滤波和分离。然而，随着人造光子晶体的出现，以及对频率梳现象的研究，为波分复用技术中的多通道滤波器发展带来了新的机遇。
将两种折射率不同的电介质在空间中形成周期性排列，就可以形成一维、二维或三维光子晶体。光子晶体具有光子能带结构，可以实现对光波的全透射和全反射。如果在光子晶体中插入缺陷，则在光子能带中会出现单一波长的缺陷模。一般地，当入射光波长等于缺陷模波长时，就会形成共振输出，此时透射率极大，而反射率极小。这是因为光子晶体对缺陷模具有电场局域性的作用，从而使得共振输出加强，而反射被抑制。
研究表明，非周期光子晶体也具有光子能带结构，只是非周期光子晶体的有序性不如有周期性光子晶体规整。更重要的是，非周期光子晶体中存在天然的多个缺陷层，因此，常将其用于得到多波长共振缺陷模。而准周期光子晶体的有序性位于周期性光子晶体和非周期光子晶体之间。在准光子晶体中，既可以得到多个较强的共振缺陷模，模的数量和位置又可以方便地调控。
因此，可以考虑设计一种准周期光子晶体，即准光子晶体，得到一系列的透射模，这些透射模是由不同波长的光波在缺陷层中共振形成的。如果这些透射模的频率间隔相等，就构成了光学频率梳。增大光子晶体的序列序号，频率梳中透射模的数量迅速地增加。可以将光学频率梳对应的透射模应用于多通道光子滤波器中，滤波信道的数量可以通过光子晶体的序列序号来扩展，信道的位置可以通过入射角的大小来灵活地调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现光学频率梳的光子晶体结构。
本发明的技术方案是：
一种可实现光学频率梳的光子晶体结构， 将折射率不同的两种电介质薄片A和B按照序列SN = S0(3NB)S0排列，其中S0=(9B)ABA(3B)ABA(9B)，N（N=1，2，3，……）序列的序号，SN表示序列的第N项，(9B)表示9个B，(3B)表示3个B，(3NB)表示3N个B，形成光子晶体；此结构的透射谱中存在多波长共振的光学频率梳，对应着一系列的透射模；透射模的数量随序列序号的增加而增加；
各信道的中心频率可通过改变入射角的大小来灵活地调控；
其中，光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；入射光为横磁波，入射角为θ。
进一步地，上述 A的基质为碲化铅，折射率为na=4.1； B的基质为冰晶石，折射率为nb=1.35。
进一步地，上述A和B电介质薄片厚度均为1/4光学波长，即A的厚度为da=λ0/4/na=0.0945μm，其中λ0=1.55μm为中心波长，B的厚度为db=λ0/4/nb=0.287μm。
进一步地，上述入射角可以从0°至90°范围内可调。
本发明的特点和有益效果在于：本发明通过准光子晶体，通过两种电介质薄片A和B的按迭代规则即SN = S0(3NB)S0排列得到了一系列的透射模，这些透射模是由于不同波长的光波在缺陷层共振形成的；这些透射模的频率间隔相等，就构成了光学频率梳。经增大光子晶体的序列序号，同时频率梳的透射模的数量也迅速增加。
而将光学频率梳对应的透射模可以应用于多通道光子滤波器中，滤波信道的数量也可以通过光子晶体的序列序号来扩展，其信道的位置可以通过入射角的大小来灵活地调控。
附图说明
图1是本发明的光子晶体结构示意图；
图2是不同序号对应的光子晶体透射谱；
其中图(a)对应的序号是N=1；图2(b)对应的序号是N=2；图2(c)对应的序号是N=3；图2(d)对应的序号N=4；
图3是不同入射角对应的光子晶体的透射谱(N=1)；
其中图3(a)中的入射角为θ=0°；图3(b)的入射角为θ=15°；图3(c)的入射角为θ=30°；图3(d)的入射角为θ=45°；
图4是光子晶体结构的频率梳对应的4个信道中心频率随入射角的变化关系(N=1)。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，数学上，所设计的光子晶体对应的序列的迭代规则为：S0=(9B)ABA(3B)ABA(9B)，S1=S0(3B)S0，S2=S0(9B)S0，……，SN = S0(3NB)S0，……，其中N（N=1，2，3，……）序列的序号，SN表示序列的第N项，(9B)表示9个B，(3B)表示3个B，(3NB)表示3N个B。光子晶体中的字母A、B分别为两种折射率不同的均匀电介质薄片。如图1（a）给出了序号为N的光子晶体一般结构。其中，A的基质为碲化铅，折射率为na=4.1；B的基质为冰晶石，折射率为nb=1.35。入射光为横磁波，从左边入射，入射角为θ。电介质薄片A和B厚度均为1/4光学波长，即A厚度为da=λ0/4/na=0.0945μm（μm表示微米），其中λ0=1.55μm为中心波长，B的厚度为db=λ0/4/nb=0.287μm。
参见图2为不同序号对应的光子晶体透射谱。其中图2(a)对应的序号N=1；图2(b)对应的序号N=2；图2(c)对应的序号N=3；图2(d)对应的序号N=4。当横磁波垂直入射时，图2（a）给出的是序列序号N=1对应的光子晶体透射谱。纵坐标T表示透射率，横坐标(ω−ω 0)/ω gap表示归一化角频率，其中ω=2πc/λ、ω 0 =2πc/λ0和ω gap= 4ω0arcsin│(na−nb)/(na+nb)｜2/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。可以看到，在归一化频率的虚线区间内，由4个共振峰构成一个光学频率梳，对应着4个信道。这4个信道的中心透射率都为T=1，对应的中心频率分别为：(ω−ω 0)/ω gap=−0.24215，−0.08149，0.24215和0.08149，可见，这4个信道的中心频率关于中心原点对称。因此，该结构可应用于4通道的光子滤波器。
图2（b）给出的是N=2时光子晶体对应的透射谱，在带隙中间的两虚线之间，频率梳的透射峰数目为6，则该结构中的滤波通道数为6。图2（c）给出的是N=3时光子晶体对应的透射谱，在两虚线之间，频率梳的透射峰数目为10，则该结构中的滤波通道数为10。图2（d）给出的是N=4时光子晶体对应的透射谱，在带隙中间，频率梳的透射峰数目数目为22，则该结构中的滤波通道数为22。
为了对比清晰，在表1中给出了不同序号N对应的光子晶体对应的光学频率梳的透射峰数目。光波为垂直如射。从表中可以看到，随着序号N的增加，频率梳的透射峰的数目迅速地增加。当把该光子晶体应用于滤波器时，以次可以用来扩展滤波通道的数目。
表1 不同序号的光子晶体对应的频率梳的透射峰数目
上述内容提到，当N=1时，光子晶体带隙中间的频率梳的透射峰数目为4。改变光波的入射角，则各透射峰的中心频率随之改变。当光波入射到N=1的光子晶体上时，图3（a）给出是入射角为θ=0°对应的透射谱。为了对比方便，我们将这4个滤波通道从左到右依次命名为通道I、II、III和IV，用*标注这四个通道的位置。图3（b）、（c）和（d）分别给出的入射角分别为θ=15°、30°和45°对应的透射谱。可以看到，尽管入射角度在变化，但在带隙中间，频率梳的透射峰数目，即滤波通道的数目仍然保持不变。只是随着入射角大小的增加，透射谱整体上向右移动。以此可以通过调整入射角的大小来改变滤波通道的中心频率。
参见图3，为不同入射角对应的透射谱(其中N=1)。图3(a)中的入射角为θ=0°；图3(b)的入射角为θ=15°；图3(c)的入射角为θ=30°；图3(d)的入射角为θ=45°。图3中两根虚线之间的光学频率梳对应的4个滤波信道I、II、III和IV。
参见图4，其给出了这4个信道中心频率随入射角的变化关系。可以看到，随着入射角的增大，这四个信道的中心频率分别增大；这四个信道的彼此之间的频率间隔保持不变。因此，可以通过改变入射角的大小来调控频率梳的位置，即滤波器的信道中心频率。
总之，在所设计的光子晶体中的光学频率梳对应着一系列的透射模，可被用于多通道光子滤波器。滤波通道的数目可以通过增加光子晶体序列的序号来扩展。各滤波通道的中心频率可以通过改变入射角的大小来灵活地调控。
具体地：当光子晶体的序列序号取N=1时，光子晶体的结构为：
S1=(9B)ABA(3B)ABA(9B)(3B)(9B)ABA(3B)ABA(9B)，
其中(9B)表示9个B，(3B)表示3个B，(3NB)表示3N个B。光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片。取A为碲化铅，折射率为na=4.1；B为冰晶石，折射率为nb=1.35。A和B厚度均为1/4光学波长，即A厚度为da=λ0/4/na=0.0945μm（μm表示微米），其中λ0=1.55μm为中心波长，B的厚度为db=λ0/4/nb=0.287μm。
入射光为横磁波，从左边垂直入射时，在光子带隙的中间位置，存在光学频率梳，如图2（a）所示。这个频率梳包含四个共振透射模，相邻两共振模之间的间隔相等。该频率梳可被用于四通道光子滤波器，当光波频率等于这4个共振模的中心频率时，光波会无反射地全部通过光子晶体。
增大光子晶体的序列序号至N=2、3和4时，频率梳的共振模数量增加，如图2（b）、图2（c）和图2（d）所示。这些共振模对应的着相同数量的滤波通道，具体数量统计如表一所示。序号N=2、3和4对应的光子晶体，其透射谱中的光学频率梳中共振模的数量分别为6、10和22。
频率梳的共振模中心频率可以通过改变入射角的大小来灵活地调控。入射光为横磁波，从左边斜入射时，随着入射角的增大，透射谱会逐渐向右整体频移，如图3所示，此时光子晶体的序列序号为N=1。
进一步地，图4给出了图3中的频率梳对应的4个共振模的中心频率随入射角的变化关系。可以看到，随着入射角的增大，4个共振模对应的滤波通道彼此之间的间隔保持不变，而滤波通道的中心频率不断增大。
Claims (4)
1.一种可实现光学频率梳的光子晶体结构， 其特征在于，
将折射率不同的两种电介质薄片A和B按照序列SN = S0(3NB)S0排列，其中S0=(9B)ABA(3B)ABA(9B)，N（N=1，2，3，……）序列的序号，SN表示序列的第N项，(9B)表示9个B，(3B)表示3个B，(3NB)表示3N个B，形成光子晶体；此结构的透射谱中存在多波长共振的光学频率梳，对应着一系列的透射模；透射模的数量随序列序号的增加而增加；
各光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；
信道的中心频率可通过改变入射角的大小来灵活地调控；
其中，入射光为横磁波，入射角为θ；
通过调整光子晶体的序号N来调整滤波信道的数量，通过调控入射角θ的大小来调控信道的位置。
2.如权利要求1所述的光子晶体结构，其特征在于，所述 A的基质为碲化铅，折射率为na=4.1；所述B的基质为冰晶石，折射率为nb=1.35。
3.如权利要求1所述的光子晶体结构，其特征在于，所述A和B电介质薄片厚度均为1/4光学波长，即A厚度为da=λ0/4/na=0.0945μm，其中λ0=1.55μm为中心波长，B的厚度为db=λ0/4/nb=0.287μm。
4.如权利要求1所述的光子晶体结构，其特征在于，所述入射角θ为0°～90°。
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