CN1400749A - 一种新型光子晶体波分复用器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波和光波的波分复用器件，特别是涉及光波波解用和波复用器件。本发明通过在二维或三维光子晶体中引入缺陷或微腔，利用微腔的共振耦合作用及对称的光路设计，提高了器件的使用效率。本发明的设计原理简单；模拟过程所用的时间和优选过程大大缩小；由于该器件结构对称，易于增大波分复用的信道数目；无论是波解用，还是波复用器件的效率都很高，损耗小。

Description

一种新型光子晶体波分复用器件

本发明涉及一种微波和光波的波分复用器件，特别是涉及光波波解用和波复用器件。

在光纤通讯中，光纤可以传送极宽频率范围内的信号，因此如何将不同频率携带的不同信号的光耦合到一根光纤中，及如何提取光纤传送的不同频率的波所携带的信号，就成为拓展光纤通讯容量的一个重要研究方向，即所谓的波分复用技术。

光子晶体是由二种或二种以上介质周期排列而形成的人造晶体。光子晶体的光子带结构中存在着光子带隙，当光子的频率在光子带隙内时，光子不能在光子晶体内沿任何方向传播。然而当在光子晶体中引入缺陷时，就可能在光子带隙内引入一个缺陷模，这样光子晶体就可用于滤波器等方面。近来已有文献(文献1，S.Fan，P.villenuve，and J.D.Joannopoulos，通过局域态的沟道下降隧穿，物理评论快报，80卷，960(1998))报道，通过沟道下降隧穿(Channel droptunneling)方法形成光子晶体的波解用器件(如图1所示)。在光子晶体波导1和2中间存在一个耦合器，通过这个耦合器，当波导1中有光波通过时，该耦合器可将其中一中心频率为f₁的极窄频带的光波从波导1转移到波导2中向前传播。这样就可以将频率为f₁的光从波导1中分离出来。重复该过程，即可将所有不同频率的光从波导1中分离出来，从而实现了波解用器件的功能。然而这种以沟道下降隧穿实现波解用过程存在缺点：为了使在波导1中的频率为f₁的光完全隧穿到波导2中，用于隧穿过程的耦合单元必含有二个以上的腔体才能达到较高的隧穿效率，这样使整个系统的设计和制造非常复杂。

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提出一种新型的实现波分复用功能的光子晶体波解用和波复用器件，通过引入缺陷或微腔，利用微腔的共振耦合作用及对称的光路设计，提高了器件的使用效率。

本发明的目的是这样实现的：

对于波解用器件，根据模式耦合原理，在光子晶体的缺陷C前后引入二个波导1和2(如图2所示)，由波导1进入的光波，只有在缺陷模的频率上，才能通过缺陷(或微腔)的共振耦合，完全耦合到波导2中。这样由波导1经微腔的直接共振耦合到波导2就完成了某一单一窄频带的提取过程。若该单元(含不同的微腔)继续组合，就可将不同的频率分开。对于这种单元的不同组合，波解用的效率是不同的。为了尽可能地提高所有波段的滤出效率，使所有微腔(或缺陷)相对于入射波导对称。如图3所示，A表示构成二维光子晶体的电介质圆柱“原子”；C3和C4是在原光子晶体的晶格格点上去掉“原子”后引入的缺陷(或微腔)；这些缺陷引入的缺陷模的波长分别为λ₃和λ₄。当含有波长分别为λ₃和λ₄的入射波沿入射波导进入光子晶体内时，经与C3、C4的共振耦合，λ₃和λ₄就分别从下、上两波导口出来，完成了分离不同频率的功能。此即一种最简单的光子晶体波解用器件。其中关键是利用了微腔的共振耦合作用；同时这两路光路对称，即缺陷到光波入口的路径完全一致。该结构可使这二个滤出波段达到最高效率，即与光波从入口耦合到相应直波导(如图4所示)的效率一致。此时波解用的效率接近100％。

同样原理，还可设计出多于一对信道的多对信道的波解用器件。

对于波复用器件，也应用同样原理来设计。此时，引入的缺陷是一个个独立的微腔激光器。通过调整微腔模体积大小，使微腔辐射出不同频率的激光。这些频率各异的激光经不同的路径汇集到总的光子晶体波导上(如图7所示)。其中C5和C6是两个微腔激光器，产生的波长分别为λ₅和λ₆的激光经过不同的路径汇合到光子晶体波复用器件的出口。

根据需要，同样可设计出多于一对的多对微腔激光器组成的波复用器件。

本发明的波分复用器件可在二维或三维光子晶体上实现。

本发明的光子晶体波分复用器件的设计原理简单；模拟过程所用的时间和优选过程大大缩小；由于该器件结构对称，易于增大波分复用的信道数目；无论是波解用，还是波复用器件的效率都很高，损耗小。

下面将结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

图1：一种光子晶体波解用器件示意图，

图2：波分复用器件原理，

图3：实施例1的二维光子晶体波解用器件截面图，

图4：相应于图3的光子晶体直波导，

图5：图3所示的波解用器件各个波导出口的功率谱和图4所示的波导的功率谱，

图6：波解用的效率，其中a是晶格常数，

图7：波复用器件的示意图，

图8：实施例2的二维光子晶体波解用器件截面图，

图9：图8所示的光子晶体波解用器件的效率，

图10：拥有16路信道的光子晶体波解用器件结构示意图，

图11：拥有16路信道的光子晶体波复用器件结构示意图，

其中：1，2，3，4，……  表示光子晶体波导；A表示构成光子晶体的介质圆柱；C，C1，C2，C3，C4，......，C42表示在光子晶体中的缺陷或微腔；λ₁、λ₂、λ₃，……，λ₄₂表示不同波长的光。

实施例1：

图3是具有二个信道的波解用器件，其中A表示构成二维光子晶体的电介质圆柱“原子”；C3和C4是引入的缺陷(微腔)。这些缺陷引入的缺陷模的波长分别为λ₃和λ₄。当含有波长分别为λ₃和λ₄的入射波沿光子晶体波导进入光子晶体内时，经过和C3、C4的共振耦合，λ₃和λ₄就分别从下、上两波导口出来，即完成了分离不同频率的功能。这就是一种最简单的光子晶体波解用器件。这两路光路是对称的，即缺陷到光波入口的路径一致。分别在图3和图4的波导入口处放置一线光源时，光波就会耦合进波导，那么在波导的各个出口端就会检测到光波通过的信号。图5是利用多重散射方法计算所得的各出口端的能谱分布。其中构成二维光子晶体的电介质圆柱的半径为光子晶体的晶格常数的0.1858倍，介电常数为8.9，周围介质的介电常数为1.04。引入的二个缺陷C3和C4的介质圆柱的半径均为晶格常数的0.3545倍，介电常数分别为6.0和7.0。此时图3结构下的各出口端的最高峰值和相应的直波导(见图4)的能量大小相同。用直波导出口端的功率归一化C3、C4出口端的功率，就可得到波解用的效率。如图6所示，可知波解用的效率接近100％。

实施例2：

图8是具有4个信道的波解用器件的结构示意图，类似实施例1，它同样能将4个不同频率带的光波分开。其中C7、C8、C9和C10是引入的缺陷，它们的缺陷模分别对应于λ₇、λ₈、λ₉和λ₁₀。在二维情况下，这种光子晶体就是一种方形光子晶体。其中的黑点表示电介质圆柱，而周围表示另一种电介质圆柱。选择电介质圆柱的半径是晶格常数的0.1858倍，介电常数为8.4，周围介质的介电常数为1.04。所引入的四个缺陷C7、C8、C9和C10的介质圆柱的半径均为晶格常数的0.3545倍，而介电常数分别为5.7，6.5，7.0，4.5。用多重散射方法，即可得到如图9所示的波解用效率。表明在这种对称结构的设计原理下，可得到大的波解用效率。

实施例3：

设计一个具有16个信道的波解用器件(如图10所示)，16个对称的缺陷构成16路对称的波解用的通路。其中C11、C12、C13、……、C26是各不相同的缺陷，构成16个缺陷态，这些缺陷态的中心频率分别为λ₁₁、λ₁₂、λ₁₃，……，λ₂₆。这样就可以从出口端分别检测出16路不同频率的信号。该结构可以是二维的，也可以是三维的，还可以非常方便地扩充到32路、64路，甚至更多的通路。且结构设计上非常简单，即遵循对称原则，使所有通路的直接耦合效率最高。

实施例4：

图11是可产生16路不同频率信号的波复用器件结构示意图。其中C27、C28、……，和C42是16个缺陷，它们分别形成16个微腔激光器。分别产生波长为λ₂₇、λ₂₈、λ₂₉，……，λ₄₂的载有信号的激光，这些不同频率的光经过不同的路径汇合到器件的出口，从而可耦合到光纤中，进行长距离传输，最后经过如实施例3所述的波解用器件，还原出16路不同的信号。这种波复用器件可以在二维或者三维的光子晶体中实现。

Claims (3)

1.一种光子晶体波分复用器件，其特征在于：在二维光子晶体中引入缺陷或微腔，并采用对称的光路设计，

对于波解用器件(如图3所示)，其中A为构成二维光子晶体的电介质圆柱“原子”，C3、C4是在原光子晶体的晶格格点上去掉“原子”后引入的缺陷，该二缺陷引入的缺陷模的波长分别为λ₃和λ₄，使该二缺陷相对于入射波导对称，当含有波长分别为λ₃和λ₄的入射波沿入射波导进入光子晶体内时，经与C3、C4的共振耦合，λ₃和λ₄就分别从下、上两波导口出来，即完成了分离不同频率的功能，此即一种最简单的光子晶体波解用器件；

对于波复用器件，也应用同样原理来设计，此时引入的缺陷是一个个独立的微腔激光器，如图7所示，C5、C6是两个微腔激光器，通过调整微腔模体积的大小，使两个微腔辐射出不同频率的激光(波长分别为λ₅和λ₆)，该频率各异的激光经过不同的、对称的路径汇合到总的光子晶体波导上，完成光子晶体波复用器件的功能，此即一种最简单的光子晶体波复用器件。

2.按权利要求1所述的光子晶体波分复用器件，其特征在于：本发明的波分复用器件还可以在三维光子晶体上实现。

3.按权利要求1所述的光子晶体波分复用器件，其特征在于：按同样原理，还可设计出多于一对信道的多对信道的波解用器件，或多于一对的多对微腔激光器组成的波复用器件。

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