CN114325935A - 非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，它包括一个竖直输入主波导，两个水平输出波导和一个由矩形介质柱构成的微腔。设计结构通过破坏非磁性光子晶体的空间结构对称性，利用波导与微腔的奇偶模式匹配实现非互易性传输。正向输入情况下，谐振腔在不同方向与不同水平输出波导耦合，实现了双通道窄带滤波输出。反向输入的情况下，同对称模式的同频率电磁波，由于电磁波的对称模式与波导不匹配，无法耦合输出。本发明提供一种较高透射率同时具有较高的隔离度和较小的尺寸的二维光子晶体非互易性滤波器，该发明具有结构简单，功耗低，易于集成等特点，在未来的集成光回路中具有潜在的应用价值。

Description

非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器

技术领域

本发明涉及一种非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，属于二维光子晶体器件领域。

背景技术

光子晶体是实现光路调控的良好人工材料，具有光子带隙和光子局域等特点，在设计单向光传输器件中，光子晶体是非常好的选择。与传统滤波器相比，具有尺寸小、能耗低、易于集成等特点，因此光子晶体滤波器的设计与研究在光通信中有很大的应用价值。迄今为止，基于光子晶体的滤波器的研究主要通过调节波导间耦合长度及结构、改变点缺陷谐振腔及环形腔耦合结构等方式实现选频功能。

在光通信系统中，为了使光学系统的稳定性得到保证，避免反射光对系统中器件工作的影响，设置单向传输的光器件是非常必要的。目前，实现光单向传输的方式主要有三种：一是利用非线性材料的特性，由于需要高功率入射光，导致该传输方式在很多领域受到限制。二是改变光子晶体的空间结构破坏其空间反演对称性以实现非互易性传输。另外一种是在外界直流磁场的作用，把磁光材料与光子晶体结合实现旋光，该方法实现的困难在于一般的光电材料包括大多数的半导体在内，呈现出相对较弱的磁光效应甚至没有。而且将磁性材料与非磁性材料组合应用实现非互易性传输功能，结构复杂度增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种降低器件复杂度且能够实现光非互易性传输的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，包括一个竖直输入主波导、两个水平输出波导、一个微腔；所述微腔包括内介质柱和外介质柱。

进一步的，所述滤波器由二维光子晶体构成，所述二维光子晶体由正方晶格介质柱阵列排列于空气中构成。

进一步的，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱形。

进一步的，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱半径R=0.2*a，a为光子晶体的晶格常数。

进一步的，所述微腔内介质柱为矩形，长为1.38*a，宽为0.5*a，a为光子晶体的晶格常数。

进一步的，所述微腔外介质柱的半径为0.25*a，a为光子晶体的晶格常数。

进一步的，所述竖直输入主波导是将完美光子晶体竖直移除一排介质柱，其两侧的第一排介质柱向外位移0.7*a，第二排介质柱向外位移0.35*a之后所形成的，a为光子晶体的晶格常数。

进一步的，所述水平输出波导是通过沿着完美光子晶体的水平方向移除一排介质柱形成的。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明只是破坏了光子晶体的结构对称性，入射光入射后，通过竖直输入主波导和微腔耦合时，各自的模式相互匹配，进而从水平输出波导输出，实现光非互易传输功能，器件尺寸小，结构简单易实现。

2、本发明不用受限于非线性材料所需的高功率入射光，也不用受限于磁光材料所需要的额外磁场，传输损耗低，集成度高、调制方法简单。

3、本发明通过改变微腔内介质柱、微腔外介质柱半径以及竖直输入波导两侧介质柱半径，即可获得较高的正向透射率，并且反向透射率为0，同时获得较高的信道隔离度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为竖直输入主波导的色散曲线图；

图3为水平输出波导的色散示意图；

图4为微腔电场模式图；

图5为只有一个输入波导和一个水平输出波导时，微腔内介质柱半径的变化对透射率的影响；

图6为只有一个输入波导和一个水平输出波导时，微腔外介质柱半径的变化对透射率的影响；

图7为只有一个输入波导和一个水平输出波导时，输入波导两侧第一排介质柱半径的变化对透射率的影响；

图8为光从端口1正向入射时，从波导2输出的电场分布图；

图9为光从端口1正向入射时，从波导3输出的电场分布图；

图10为光从端口2反向入射时，整体结构的电场分布图；

图11为光从端口3反向入射时，整体结构的电场分布图；

图12为光正向入射时，滤波器的最优正向透射率；

图13为光正向入射时，各信道隔离度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实例提供一种非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，包括一个竖直输入主波导（图中波导1）、两个水平输出波导（图中波导2和波导3）、一个微腔；微腔包括微腔内介质柱和微腔外介质柱（图中M为微腔外介质柱）。

本实施例的滤波器只是破坏了光子晶体的结构对称性，利用波导和微腔耦合时模式是否匹配来实现光非互易传输功能，器件尺寸小，结构简单易实现。

二维光子晶体由正方晶格介质柱阵列排列于空气中构成，空气的折射率为1，正方晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱形，材料为硅，折射率为3.4。正方晶格介质柱阵列的介质柱半径R=0.2*a，a为光子晶体的晶格常数。

竖直输入主波导是将完美光子晶体竖直移除一排介质柱，其两侧的第一排介质柱向外位移0.7*a，第二排介质柱向外位移0.35*a之后所形成的，a为光子晶体的晶格常数。水平输出波导是通过沿着完美光子晶体的水平方向移除一排介质柱形成的。

如图1所示，微腔内介质柱为矩形，长为1.38*a，宽为0.5*a，a为光子晶体的晶格常数。微腔外介质柱M的半径为0.25*a，a为光子晶体的晶格常数。

通过改变微腔内介质柱、外介质柱半径以及输入波导两侧介质柱半径，即可获得较高的正向透射率，并且反向透射率为0，同时获得较高的信道隔离度。

以相同模式的入射光从不同端口入射，由端口1入射时，经过谐振腔的耦合，最终到达端口2或者端口3的过程为正向传输；从端口2或者端口3入射，经过谐振腔，到达端口1的过程为反向传输。

正向输入情况下，谐振腔在不同方向与不同水平输出波导耦合，实现了双通道窄带滤波输出。反向输入的情况下，同对称模式的同频率电磁波，由于电磁波的对称模式与波导不匹配，无法耦合输出。

根据耦合模理论，微腔的内介质柱和外介质柱的半径大小，会对选择波长有影响，可以通过优化微腔的内介质柱和外介质柱半径的大小来使得器件选择波长的透射率、信道隔离度得到最优化。当竖直输入主波导两侧的介质柱半径进行改变后，相当于耦合区域产生了新的缺陷，波导与缺陷模的耦合共振也会改变光波的透射率，通过调节输入波导两侧介质柱半径来进一步提高正向透射率。

本发明不用受限于非线性材料所需的高功率入射光，也不用受限于磁光材料所需要的额外磁场，传输损耗低，集成度高、调制方法简单。

通过软件仿真得到以下结果：

如图2所示，为竖直输入主波导的色散曲线图，竖直输入主波导为多模式波导，支持奇模式和偶模式的传播，奇模式带范围为0.2462（c/a）～0.4214（c/a），偶模式带范围为0.3540（c/a）～0.4214（c/a）。

如图3所示，为水平输出波导的色散曲线图，水平输出波导均为单模式波导，传输模式为横向偶模式，导波范围在0.3042（c/a）～0.4225（c/a）。

如图4所示，为微腔的谐振模式电场分布图，频率为0.3835（c/a）的电磁波在谐振腔中的电场分布具有水平方向和竖直方向的奇对称性。频率为0.4051（c/a）的电磁波的电场分布具有水平方向的偶对称性和竖直方向的奇对称性。

如图5所示，只有一个输入波导和一个水平输出波导时，微腔内介质柱尺寸的变化对透射率的影响，透射率有明显的差异，并且内介质柱变化对谐振光波频率有影响，在一定变化范围内，透射峰会随着内介质柱尺寸的增大而向着波长增大的方向移动。

如图6所示，只有一个输入波导和一个水平输出波导时，保持内介质柱尺寸不变，微腔外介质柱M的半径的变化对透射率的影响，透射率随着介质柱半径先增大后减小，在外介质柱半径为0.25*a时，正向透射率最大，a为光子晶体的晶格常数。

如图7所示，只有一个输入波导和一个水平输出波导时，输入波导两侧第一排介质柱半径的变化对正向透射率的影响，输入端波导两侧第一排介质柱半经为0.115*a，波导与谐振腔的耦合效果最好，正向透射率最高。

图8为光从端口1正向入射时，从波导2输出的电场分布图；

图9为光从端口1正向入射时，从波导3输出的电场分布图；

图10为光从端口2反向入射时，整体结构的电场分布图；

图11为光从端口3反向入射时，整体结构的电场分布图；

图12为光正向入射时，滤波器的最优正向透射率；

图13为光正向入射时，各信道隔离度。

上述为非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，该器件主体由直线波导及谐振腔构成。设计具有局域多频率电磁波的谐振腔，利用不同频率电磁波在腔中的场分布在横向和纵向的对称奇偶性，正向输入情况下，谐振腔在不同方向与不同水平输出波导耦合，实现了双通道窄带滤波输出。反向输入的情况下，同对称模式的同频率电磁波，由于电磁波的对称模式与波导不匹配，无法耦合输出。该滤波器可以实现中心波长分别为 1534nm 和1574nm，带宽分别16nm和8nm的非互易性滤波传输，正向透射率分别为91%和92%，反向透射率为0，各通道隔离度为33dB和22dB。由此可见，该双通道非互易滤波器滤波效果良好，器件尺寸小，结构简单易实现，集成度高、调制方法简单在未来全光通信集成领域具有潜在的应用价值。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，包括：一个竖直输入主波导、两个水平输出波导、一个微腔；所述微腔包括微腔内介质柱和微腔外介质柱。

2.如权利要求1所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述滤波器包括二维光子晶体，所述二维光子晶体包括排列于空气中的正方晶格介质柱阵列。

3.如权利要求2所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱形。

4.如权利要求3所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱半径R=0.2*a，a为光子晶体的晶格常数。

5.如权利要求1所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述微腔内介质柱为矩形，长为1.38*a，宽为0.5*a，a为光子晶体的晶格常数。

6.如权利要求5所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述微腔外介质柱的半径为0.25*a，a为光子晶体的晶格常数。

7.如权利要求1所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述竖直输入主波导是将完美光子晶体竖直移除一排介质柱，其两侧的第一排介质柱向外位移0.7*a，第二排介质柱向外位移0.35*a之后所形成的，a为光子晶体的晶格常数。

8.如权利要求1所述的非磁性光子晶体非互易性双通道窄带滤波器，其特征在于，所述水平输出波导是通过沿着完美光子晶体的水平方向移除一排介质柱形成的。

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