CN114815052B - 一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器 - Google Patents

一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器。该路由器为方形晶格介质柱类型的二维光子晶体，其由特殊设计的X形交叉波导以及置于其端口的两个水平输入和输出波导构成，整个结构呈上下对称分布。选择合适的交叉波导中心处的四个介质柱的折射率，该结构可以同时实现不同波长的输入光分别在两个输出波导中的传输。此外，灵活调控交叉波导中心处的四个介质柱的折射率，还可以实现输入光在两个输出波导输出方向切换的功能，以及作为分束器实现输入光在两个输出波导中的分束传输。与目前的交叉波导结构的光子晶体路由器相比，该结构实现的路由功能更丰富，且具有结构简单，传输效率高，尺寸小等特点，在全光通信及片上网络中具有重要应用。

Description

一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器
技术领域
本发明涉及一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器，可以作为分束器应用于光通信系统以及在光学片上网络中实现多处理器之间的信号传输。
背景技术
随着片上光通信技术的迅速发展，光学路由器作为光通信系统的核心器件，其传输性能将直接影响片上各处理器之间的通信质量，受到研究者的重点关注。交叉波导结构作为路由器的重要组成部分，成为研究热点。理想的光学路由器应具有结构简单、尺寸小、易于制备、传输效率高及灵活调控等特性。
现有技术1(参见Optics Express,Yoshinori Watanabe,Yoshimasa Sugimoto,2006,14(20):9502-9507.)描述的是一种三角形晶格介质柱类型的X形交叉波导结构。通过拓扑优化思想设计该结构实现了光在输入波导中前向直通传输，具有较高的透射率。但该设计结构在交叉波导中心处有多个介质柱为不规则形状，结构复杂，不利于实际制备。
现有技术2(参见Applied Physics Letters,Yi Yu,Mikkel Heuck,SaraEk.2012,101(25):251113.)描述的是一种三角形晶格介质柱类型的四端口光子晶体腔-波导结构，两条交叉波导在谐振腔处相交，谐振腔由移除中心一个介质柱及移动其相邻的18个介质柱构成。该结构实现了1531.5nm和1605.7nm波长光分别单独在两个波导内的高透射直通传输。为了便于谐振耦合，其中一个波导长度为900μm，以与谐振腔进行模式匹配，因而器件的整体尺寸较大。
现有技术3(参见AppliedPhysics Letters,ChengHe,Xiao-Lin Chen,Ming-HuiLu.2010,96(11):121133.)描述的是一种基于旋磁光子晶体边缘模式的可调谐单向交叉波导分束器。其结构以中心介质柱为坐标原点，一三象限区域为方形晶格结构，二四象限区域为三角晶格结构，且不同晶格结构采用不同的材料。对单一频率的光，调整中心介质柱的折射率或半径可以实现该频率光从上、下两个不同端口的选择输出，以及实现50:50的分束比传输。此外，调控外部磁场的方向，可以调控光波的输入和输出端口。该光子晶体为异质结构，且由不同材料构成，实际制备的复杂性大大增加。
现有技术4(参见Journal of Lightwave Technology,Kiazand Fasihi，ShahramMohammadnejad.2009,27(6):799-805.)描述的是一种方形晶格介质柱的水平正交波导结构，其中心引入多个不同半径大小的介质柱构成谐振腔，实现了200fs宽度、波长1550nm脉冲光波的低串扰无失真的直通传输。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，功能丰富，性能优异且具有尺寸小，光学功能调控灵活的交叉波导结构的光子晶体路由器。
为了达到上述目的，本发明的构思是：采用方形晶格介质柱类型的二维光子晶体为基本结构，在该结构中心移除部分介质柱，并移动相关介质柱，构成两条与水平方向呈45°的波导，形成X形正交交叉波导结构，同时在其端口移除介质柱构成水平输入和输出波导，调控交叉中心处的关键介质柱折射率，以实现多波长光波在不同输出端口的输出、灵活切换和分束器功能。
根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：
一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器，所述光学路由器基本结构是方形晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括第一水平输入波导和第二水平输入波导，第一水平输出波导和第二水平输出波导，以及X形交叉波导，且四个水平波导分别与X形交叉波导的四个端口相接，所述X形交叉波导通过两条与水平方向呈45°的波导正交形成，整个结构呈上下对称分布。
所述X形交叉波导中的两条交叉波导的宽度为
Figure BDA0003608412160000021
两条交叉波导边缘位置的介质柱间距为/>
Figure BDA0003608412160000022
其中a为背景介质柱的晶格常数。
所述X形交叉波导中的两条交叉波导交叉中心位置处的第二关键介质柱和第四关键介质柱的半径相等，但与背景介质柱的半径不同。
整个结构为上下对称分布，因而输入光从第一水平输入波导和第二水平输入波导中的任何一个波导进行输入。
通过选择合适的X形交叉波导中心位置处的第一关键介质柱、第二关键介质柱、第三关键介质柱和第四关键介质柱的折射率，能够实现不同波长的输入光同时分别在第一水平输出波导和第二水平输出波导中的传输；能够实现输入光在第一水平输出波导和第二水平输出波导的输出方向的切换；能够实现对特定波长的输入光在第一水平输出波导和第二水平输出波导中的分束传输。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
在结构方面，本发明结构采用的是单一的方形晶格介质柱类型的X形交叉波导，相比现有技术1中通过拓扑优化设计得到的不规则介质柱形状结构、现有技术3的不同材料的异质结构、现有技术2和4的在交叉波导中心引入额外的耦合腔的光子晶体结构，本发明结构更简单，更易于实际制备，尺寸也更小。在路由功能方面，现有技术1、2和4仅实现的是光在单个波导中的直通传输，现有技术3实现的是单波长光在两个不同端口的选择输出，以及实现50:50的分束比传输。本发明结构实现的是多个不同波长的输入光同时分别在两个输出波导中的传输；输入光在两个输出波导输出方向切换的功能以及特定波长的输入光在两个输出波导中的分束传输功能，因而本发明结构路由功能更丰富，且具有灵活调控的特点。综上，本发明基于交叉波导结构的光子晶体光学路由器具有结构简单、易于实现、尺寸小、功能丰富及灵活调控等突出特点。
附图说明
图1为基于交叉波导结构的光子晶体光学路由器的结构示意图。其中1-1和1-2为水平输入波导，2-1和2-2为水平输出波导，3为X形交叉波导，a为晶格常数，四个端口分别以A、B、C和D表示。
图2为X形交叉波导的结构示意图。其由两条与水平方向呈45°的波导正交形成，交叉波导的宽度为
Figure BDA0003608412160000031
交叉波导边缘位置，即图中白色矩形框所示区域的介质柱间距为/>
Figure BDA0003608412160000032
交叉中心处的四个关键介质柱分别以第一关键介质柱3.1，第二关键介质柱3.2，第三关键介质柱3.3，第四关键介质柱3.4表示。
图3为本发明实施例1的光学路由器在端口B和D的归一化透射谱。
图4为本发明实施例1的光学路由器的光场分布图。(a)波长为1420nm，(b)波长为1520nm，(c)波长为1550nm。
图5为本发明实施例2的光学路由器，当在输入端口A输入高斯调制的光脉冲，在输出端口B和D得到的归一化输出谱图。(a)当交叉波导的关键介质柱3.1和3.3的折射率为3.7，关键介质柱3.2和3.4的折射率为5.0；(b)当交叉波导的关键介质柱3.1和3.3的折射率为5.0，关键介质柱3.2和3.4的折射率为3.4。
图6为本发明实施例2的光学路由器的光场分布图。(a)当交叉波导的关键介质柱3.1和3.3的折射率为3.7，关键介质柱3.2和3.4的折射率为5.0，输入光波长为1520nm；(b)当交叉波导的关键介质柱3.1和3.3的折射率为5.0，关键介质柱3.2和3.4的折射率为3.4，输入光波长为1550nm。
图7为本发明实施例3的光学路由器，当在输入端口A输入高斯调制的光脉冲，在输出端口B和D得到的归一化输出谱图。其中，交叉波导的关键介质柱3.1、3.2、3.3和3.4的折射率为5.0。
图8为本发明实施例3的光学路由器的光场分布图，其中输入光波长为1550nm。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
参见图1，一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器，所述光学路由器基本结构是方形晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括第一水平输入波导1-1和第二水平输入波导1-2，第一水平输出波导2-1和第二水平输出波导2-2，以及X形交叉波导3，且四个水平波导分别与X形交叉波导3的四个端口相接，所述X形交叉波导3通过两条与水平方向呈45°的波导正交形成，整个结构呈上下对称分布。
参见图1和图2，所述X形交叉波导3中的两条交叉波导的宽度为
Figure BDA0003608412160000041
两条交叉波导边缘位置的介质柱间距为/>
Figure BDA0003608412160000042
其中a为背景介质柱的晶格常数。
所述X形交叉波导3中的两条交叉波导交叉中心位置处的第二关键介质柱3.2和第四关键介质柱3.4的半径相等，但与背景介质柱的半径不同。
整个结构为上下对称分布，因而输入光从第一水平输入波导1-1和第二水平输入波导1-2中的任何一个波导进行输入。
通过选择合适的X形交叉波导3中心位置处的第一关键介质柱3.1、第二关键介质柱3.2、第三关键介质柱3.3和第四关键介质柱3.4的折射率，能够同时实现不同波长的输入光分别在第一水平输出波导2-1和第二水平输出波导2-2中的传输；能够实现输入光在第一水平输出波导2-1和第二水平输出波导2-2的输出方向的切换；能够实现对特定波长的输入光在第一水平输出波导2-1和第二水平输出波导2-2中的分束传输。
下面给出具体实施例：
实施例1：
本实施例用于1420nm和1520nm波长光的交叉传输，以及1550nm光波的直通传输。
参见图1和图2，整个结构为19×19列介质柱排列，背景为空气，晶格常数a＝0.58μm，背景介质柱的折射率和半径分别为n＝3.46和R＝0.08μm。介质柱材料选择为在光通信波长范围内具有低吸收特性的相变材料Ge2Sb2Se4Te1(GSST)。利用外界激励(如激光脉冲照射)实现材料在不同状态之间快速转变，灵活调控介质柱的折射率。X形交叉波导3中心位置处的第二关键介质柱3.2和第四关键介质柱3.4的半径为0.115μm，其他位置的介质柱半径与背景介质柱半径相同。整个结构的尺寸为11.5*11.5μm2。
当交叉波导的关键介质柱3.1、3.2、3.3和3.4的折射率分别为3.5，5.0，3.4和5.0时，在输入端口A输入高斯调制的脉冲波，端口B和D作为输出端口进行观测。此时各输出端口的归一化输出谱如图3所示，其中实线对应端口B，虚线对应端口D。图4(a)、(b)和(c)分别为输入光为1420nm、1520nm和1550nm时的光场分布图。由图3和图4可知，合适选择X形交叉波导中心的四个关键介质柱的折射率可以实现1550nm输入光在端口B的直通传输，1420nm和1520nm输入光在端口D的交叉传输。1550nm波长光在B端口的透射率为99.5％，1420nm和1520nm波长光在D端口输出的透射率分别为99％和92％。可见该光学路由器具有较高的传输效率。
实施例2：
本实施例用于单波长光1520nm和1550nm传输方向的切换，即1520nm输入光直通传输，1550nm输入光交叉传输。所处条件与实施例1相同。
当交叉波导的关键介质柱3.1和3.3的折射率为3.7，关键介质柱3.2和3.4的折射率为5.0时，在输入端口A输入高斯调制的脉冲波，端口B和D作为输出端口进行观测。此时各输出端口的归一化输出谱如图5(a)所示，其中实线对应端口B，虚线对应端口D。图6(a)为1520nm输入光的光场分布图。由图5(a)和图6(a)可知，1520nm输入光实现了在端口B的直通传输，透射率为99.8％。相对于实例1中的1520nm光在D端口的交叉传输切换成了直通传输。
当交叉波导的关键介质柱3.1和3.3的折射率为5.0，关键介质柱3.2和3.4的折射率为3.4时，在输入端口A输入高斯调制的脉冲波，端口B和D作为输出端口进行观测。此时各输出端口的归一化输出谱如图5(b)所示，其中实线对应端口B，虚线对应端口D。图6(b)为1550nm输入光的光场分布图。由图5(b)和图6(b)可知，1550nm输入光实现了在端口D的交叉传输，透射率为99.7％。相对于实例1中的1550nm光在B端口的直通传输切换成了交叉传输。
实施例3：
本实施例用于波长1550nm光实现50:50分束比输出。所处条件与实施例1和实施例2相同。
当交叉波导的关键介质柱3.1、3.2、3.3和3.4的折射率为5.0时，在输入端口A输入高斯调制的脉冲波，端口B和D作为输出端口进行观测。此时各输出端口的归一化输出谱如图7所示，其中实线对应端口B，虚线对应端口D。图8为1550nm输入光的光场分布图。由图7和图8可知，1550nm输入光在端口B和D的透射率相同，实现了该波长光在两个输出波导内以50:50的分束比输出功能。
综上可知，对交叉波导中心的四个关键介质柱选择合适的折射率，可以实现1420nm，1520nm和1550nm波长的输入光分别在两个输出波导中的传输，并且可以切换1520nm和1550nm输入光的输出方向，以及实现1550nm光波在两个输出波导里以50:50的分束比传输的功能，同时具有较高的传输效率。
本发明上述实施例交叉波导结构的光子晶体光学路由器。该路由器为方形晶格介质柱类型的二维光子晶体，其由特殊设计的X形交叉波导以及置于其端口的两个水平输入和输出波导构成，整个结构呈上下对称分布。选择合适的交叉波导中心处的四个介质柱的折射率，该结构可以同时实现不同波长的输入光分别在两个输出波导中的传输。此外，灵活调控交叉波导中心处的四个介质柱的折射率，还可以实现输入光在两个输出波导输出方向切换的功能，以及作为分束器实现输入光在两个输出波导中的分束传输。与目前的交叉波导结构的光子晶体路由器相比，本发明上述实施例结构实现的路由功能更丰富，且具有结构简单，传输效率高，尺寸小等特点，在全光通信及片上网络中具有重要应用。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种交叉波导结构的光子晶体光学路由器，其特征在于，所述光学路由器基本结构是方形晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括第一水平输入波导(1-1)和第二水平输入波导(1-2)，第一水平输出波导(2-1)和第二水平输出波导(2-2)，以及X形交叉波导(3)，且四个水平波导分别与X形交叉波导(3)的四个端口相接，所述X形交叉波导(3)通过两条与水平方向呈45°的波导正交形成，整个结构呈上下对称分布；
通过选择合适的X形交叉波导(3)中心位置处的第一关键介质柱(3.1)、第二关键介质柱(3.2)、第三关键介质柱(3.3)和第四关键介质柱(3.4)的折射率，能够同时实现不同波长的输入光分别在第一水平输出波导(2-1)和第二水平输出波导(2-2)中的传输；能够实现输入光在第一水平输出波导(2-1)和第二水平输出波导(2-2)的输出方向的切换；能够实现对特定波长的输入光在第一水平输出波导(2-1)和第二水平输出波导(2-2)中的分束传输。
2.根据权利要求1所述的交叉波导结构的光子晶体光学路由器，其特征在于，所述X形交叉波导(3)中的两条交叉波导的宽度为1.52a；两条交叉波导边缘位置的介质柱间距为0.52a，其中a为背景介质柱的晶格常数。
3.根据权利要求1所述的交叉波导结构的光子晶体光学路由器，其特征在于，所述X形交叉波导(3)中的两条交叉波导交叉中心位置处的第二关键介质柱(3.2)和第四关键介质柱(3.4)的半径相等，但与背景介质柱的半径不同。
4.根据权利要求1所述的交叉波导结构的光子晶体光学路由器，其特征在于，整个结构为上下对称分布，因而输入光从第一水平输入波导(1-1)和第二水平输入波导(1-2)中的任何一个波导进行输入。
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