CN206946021U - 多信道异质结构光子晶体滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多信道异质结构光子晶体滤波器，所述光子晶体滤波器包括光子晶体PC1、主波导、下路波导、线性渐变型微腔、异质结反射器；在光子晶体PC1中去掉一排水平的介质柱形成主波导，在垂直于该主波导方向上去掉一列介质柱形成一个垂直下路波导，在主波导和各个下路波导之间引入微腔，每个微腔都包括3个以上半径不同的介质柱，由微腔中心分别到主波导以及下路波导方向的硅柱半径呈线性递增的趋势，在光子晶体PC1波导末端嵌入其硅柱半径大于光子晶体PC1硅柱半径的光子晶体PC2，形成异质结反射器。本实用新型在一个较大带宽范围内的反射效率接近100%，是一种高透过率、高品质因子、多信道的光子晶体滤波器。
Description
技术领域
本实用新型涉及微纳光子学和波分复用领域，具体涉及一种多信道异质结构光子晶体滤波器。
背景技术
光滤波器是光通信系统（波分复用系统（WDM））以及光子集成领域的基本组成单元，用于实现光信号的上下路功能；为了充分利用光通信系统,面对越来越密集的波长通道,光滤波器的尺寸要求越来越小并且易于集成；传统的半导体光滤波器体积较大，不利于光通信日益集成化的发展趋势；光子晶体由于具有体积小、损耗低、易集成的特点，因此它已应用于光子晶体滤波器中，基于光子晶体的上下路滤波器尺寸比以前传统器件大大减小,达到微米量级。
在光子晶体滤波器方面，由于三端口侧边耦合下路滤波器方便引入多个微腔，可以实现多通道滤波而被众多研究者采纳。一般情况下，光子晶体侧边耦合的最大下载效率不超过50%，这是因为当光子被耦合进入微腔的同时，一大部分的光能量会以前向波和后向波的形式返回到波导中。为此， Kim 等人在波导末端设计了反射壁，实现了100%的反射反馈，下路效率得到了很大提高。 Ren等人设计了一种侧边耦合的波长选择性反射微腔，增加了三端口下路滤波器的下路效率, 然而，这种滤波器需要两个微腔有相同的谐振频率，在工艺中较难实现。
发明内容
基于上述背景，本实用新型提供一种高透过率、高品质因子、多信道的二维正方晶格光子晶体滤波器：多信道异质结构光子晶体滤波器。本实用新型采用下述技术方案：光子晶体滤波器包括了光子晶体PC1、主波导、下路波导、线性渐变型微腔、异质结反射器。光子晶体PC1由圆形硅柱周期性排列在空气中组成，在该光子晶体PC1中去掉一排水平的介质柱形成主波导，在垂直于该主波导方向上去掉一列介质柱形成一个垂直下路波导，在主波导和各个下路波导之间引入微腔，每个微腔都包括3个以上半径不同的介质柱，由微腔中心分别到主波导以及下路波导方向的硅柱半径呈线性递增的趋势。在光子晶体PC1波导末端嵌入其硅柱半径大于光子晶体PC1硅柱半径的光子晶体PC2，形成异质结反射器。光信号从主波导左端输入，从下路波导输出。
本实用新型可以获得如下有益效果：利用光子晶体波导的导模禁带特性，通过在波导末端嵌入大半径硅柱的方式引入异质结光子晶体，形成了一种滤波器反射结构。该异质结滤波器在一个较大带宽范围内的反射效率接近100%；再将该异质结反射器与能够提高微腔品质因子特性的新型渐变型微腔结合，通过合理的调整微腔参考面与异质结界面的距离，实现了滤波器的高效下路，滤波效率都在90%以上，透射谱半高宽都在0.54nm以下，均达到较高的品质因子，且该滤波器尺寸大小只有15.15μm*13.91μm，易于集成。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
图2中的（a）和（b）分别为无反射器和带异质结反射器的光子晶体三端口下路滤波器结构示意图。
图3中（a）和（b）分别为本实用新型中的光子晶体PC1和光子晶体PC2的波导导模曲线。
图4为本实用新型与无任何反射器的光子晶体滤波器的下路效率的对比图。
图5描述了多通道滤波器的工作频段，图中曲线为光子晶体PC2的波导导模曲线。
图6为多通道滤波器中a,b,c,d四个下路的透射谱。
具体实施方式
图1所示，光子晶体滤波器包括了二维正方晶格光子晶体PC1、主波导、下路波导、线性渐变型微腔、异质结反射器。光子晶体PC1由圆形硅柱（n=3.4）周期性排列在空气中组成，在该二维光子晶体PC1中去掉一排水平的介质柱形成主波导，在垂直于该主波导方向上去掉一列介质柱形成一个垂直下路波导，用同样的方法再形成四个弯曲下路波导。在主波导和各个下路波导之间引入微腔，每个微腔都包括数个（3个以上）半径不同的介质柱；由微腔中心分别到主波导以及下路波导方向的硅柱半径呈线性递增的趋势，称其为线性渐变型微腔，仅改变微腔中心的硅柱半径即可完成选频作用；光信号从主波导左端输入，从下路波导输出。光子晶体PC1的介质柱半径优选值为0.2a，光子晶体PC2的硅柱半径优选值为0.375a，两者具有相同的晶格常数a，为了涉及适用于第三通信窗口（1550nm）附近波段的滤波器，取晶格常数a=570nm。
本实施例优选采用7个半径不同的介质柱，图2（b）所示，优选微腔中心介质柱半径R1＝0.067a，优选其余各个硅柱半径，从微腔中心分别到主波导以及下路波导方向依次为：R2＝0.145a，R3＝0.165a，R4＝0.173a，a为晶格常数。在光子晶体PC1波导末端嵌入硅柱半径大于光子晶体PC1硅柱半径的光子晶体PC2，形成异质结反射器。光子晶体PC1的介质柱半径优选值为0.2a，光子晶体PC2的硅柱半径优选值为0.375a，两者具有相同的晶格常数。为了涉及适用于第三通信窗口（1550nm）附近波段的滤波器，取晶格常数a=570nm。
利用平面波展开法计算了光子晶体PC1（r=0.2a）的线缺陷波导和光子晶体PC2（r＝0.375a）的线缺陷波导的导模曲线，结果分别如图3（a）和（b）所示。光子晶体PC1的线缺陷波导在0.3045（c/a）～0.4220（c/a）存在导模，微腔所支持的模式为0.3679（c/a），处于波导所支持的模式中。光子晶体PC2的线缺陷波导在0.3777（c/a）～0.4164（c/a）存在导模，在0.3636（c/a）～0.3777（c/a）存在导模禁带，微腔所支持的模式处于导模禁带之中。用一束高斯脉冲光波从左侧主波导入射去激发光子晶体PC1的波导模，在第一次经过微腔时只有部分能量（不超过50%）被耦合进入微腔，其余沿着波导继续传播。当光波经过光子晶体PC2时，若微腔的谐振模处于导模禁带中，谐振光波会在两光子晶体界面发生强烈的后向反射，从而提高滤波器的下路效率。
图4是图3（a）、（b）所示两种光子晶体滤波器归一化强度的透射谱对比，虚线代表无反射滤波器的透射谱，归一化强度仅为38.6%，实线代表带有异质结反射器的滤波器透射谱，归一化强度达到95.0%，滤波效率得到了很大的提高。同时，透射峰的品质因子Q达到4080（），而模式体积仅有0.02836（）。
如图1所示，本实施例由5个线性渐变型微腔和异质结反射器组成。5个微腔中心的硅柱半径分别为0.0625a，0.066a，0.069a，0.072a,0.075a，对应所支持的模式分别为0.3711（c/a），0.3687（c/a），0.3664（c/a），0.3643（c/a）0.3621（c/a），即滤波器的工作频段为0.362（c/a）－0.372（c/a），位于光子晶体PC2线缺陷导模禁带的范围内，如图5黑色区域所示。
微腔参考面与异质结界面之间的距离为d，为了减小滤波器的尺寸，一般选取较小的d。通过时域有限差分法模拟了距离d对下路效率的影响，发现不同的微腔可以有很多个距离d能达到接近100%的下路效率。本例取d=5a，选取该参数值一方面是因为微腔与异质结要有一定距离，以避免受到异质结构的干扰；另一方面则是为了达到100%下路效率所需的相位条件（φ＝２πｍ）。
采用2D-FDTD，并用完美匹配层（PML）作为吸收边界条件对该异质结光子晶体滤波器进行模拟计算，得到该滤波器的透射谱，如图6所示。结果表明，该光子晶体滤波器能高效地将光信号下载到各个下路波导中输出，各信道的下路波长分别为1536.1nm（A信道），1546.0nm（B信道），1555.7nm（C信道），1564.8nm（D信道），透射谱信道间隔约为10nm，各个信道的透过率均大于90%，且品质因子较高。
由于该异质结多信道光子晶体滤波器5个微腔的谐振模都处于光子晶体PC2的导模禁带内，100%的反射大大提高了各个信道的下路效率。适当设计各个微腔参考面与异质结界面之间的距离，可以使其接近相位条件。事实上，本实用新型之所以设计线性渐变型微腔，一方面是因为导模禁带的带宽有限，只有提高微腔的品质因子特性，才能使得滤波器的工作带宽被导模禁带覆盖，同时，超窄带滤波也是现代光通信的一个重要需求；另一方面，通过调节微腔硅柱半径可以较为准确地获得Q1/Q2=2。需要注意的是，异质结光子晶体PC2的线缺陷波导虽然反射发生在异质结界面，但仍需要有足够的波导长度以及垂直厚度，才能形成有效的导模禁带。各个微腔所支持的谐振波长从主波导输入，各个信道均能实现高效的下路效率。
Claims (6)
1.一种多信道异质结构光子晶体滤波器，包括由介质柱排列组成的光子晶体PC1（1）、所述光子晶体PC1中去掉一排水平介质柱形成的主波导（2）、在垂直于所述主波导方向上去掉一排介质柱形成的下路波导（3）；其特征在于：所述下路波导靠近主波导的微腔（4）中布置了至少三个半径不同的介质柱，在主波导末端区域的光子晶体PC1中嵌入其硅柱半径大于光子晶体PC1硅柱半径的光子晶体PC2（5）构成异质结反射器。
2.根据权利要求1所述的光子晶体滤波器，其特征在于：所述微腔中的介质柱半径，以处于中心的介质柱半径为准，两边的介质柱半径分别呈线性递增的关系。
3.根据权利要求1或2所述的光子晶体滤波器，其特征在于：每个微腔中分别都布置了7个介质柱。
4.根据权利要求1或2所述的光子晶体滤波器，其特征在于：所述光子晶体PC1的介质柱半径为0.2a，所述光子晶体PC2的介质柱半径为0.375a，a为晶格常数。
5.根据权利要求1或2所述的光子晶体滤波器，其特征在于：所述光子晶体滤波器设置了5个下路波导，分别是一个垂直下路波导和四个弯曲下路波导，每个下路波导的微腔中处于中心的介质柱半径分别为0.0625a、0.066a、0.069a、0.072a和0.075a，a为晶格常数。
6.根据权利要求3所述的光子晶体滤波器，其特征在于：所述7个介质柱半径分别为0.173a、0.165a、0.145a、0.067a、0.145a、0.165a、0.173a，a为晶格常数。
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