CN219609262U - 一种分布反馈布拉格光子晶体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布反馈布拉格光子晶体，包括两个一维的周期性光子晶体和位于两周期性光子晶体之间的第一电介质层，且周期性光子晶体为二元周期性电介质多层结构。该分布反馈布拉格光子晶体满足驻波共振条件的光波会共振输出，形成传输信道；信道共振性和品质因数随周期数的增加而增大，信道的数量随中间电介质层的厚度增大呈指数递增，各信道的中心频率可以通过外界静态压强来灵活地调控，随外界静态压强的增大而增大，且几乎不受环境温度的影响。该分布反馈布拉格光子晶体可被应用于低温环境下的可调多通道滤波和波分复用。

Description

一种分布反馈布拉格光子晶体

技术领域

本实用新型涉及光通信技术领域，尤其涉及一种可应用于低温环境下的可调多通道滤波和波分复用的分布反馈布拉格光子晶体。

背景技术

在光通信系统中，通常会用到多通道滤波器，或波分复用器。滤波器可被应用于信号的滤波和整形，而波分复用器可被用于信道的扩展，来提高信道容量。周期光子晶体的频谱中可形成光子带隙，带缺陷的光子晶体可以支持缺陷模。缺陷模是一种共振模，满足共振条件波长的光波可以无反射地透过光子晶体。但是缺陷模比较单一，不能实现多波长共振。

非周期和准周期光子晶体中存在多个缺陷，可以支持多波长共振输出，但是在频谱中，相邻两个共振态之间的频率间隔不均匀。特别地，由一般的电介质构成的光子晶体，其材料的折射率受环境的温度影响较大。因此，当环境温度改变时，信道的中心频率会随之改变。其次，传统的滤波器或波分复用器一旦形成，其滤波通道的中心频率很难去调控。

半导体材料在低温环境下，其折射率受温度影响较小，而且其空间尺寸极易受外界静态压强的影响。由于驻波共振中各共振频率之间的间隔相同，于是考虑将利用半导体材料和电介质复合，实现光波在结构中传输时满足驻波共振，以此来得到多通道滤波或波分复用。再利用光子晶体对光波的反射，提高驻波共振性和品质因数，还可以通过增大谐振腔的长度，来扩展信道的数量。

因此，可以考虑借助分布反馈布拉格光栅结构，来得到基于半导体材料的分布反馈布拉格光子晶体，实现低温环境下的多信道通信、滤波和波分复用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种可实现低温环境下多信道通信、滤波和波分复用的分布反馈布拉格光子晶体。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种分布反馈布拉格光子晶体，包括两个一维的周期性光子晶体和位于两所述周期性光子晶体之间的第一电介质层，且所述周期性光子晶体为二元周期性电介质多层结构。

优选地，两个一维的所述周期性光子晶体相对于中间的所述第一电介质层呈对称布置，形成(AB)^NC(BA)^N结构，N为所述周期性光子晶体的周期数。

优选地，所述二元周期性电介质多层结构由若干组交替排列的第二电介质层和第三电介质层构成，每组的所述第二电介质层和第三电介质层构成一个周期单元。

较为优选地，所述二元周期性电介质多层结构的周期数N＝1、2、3、4、……，为正整数。

较为优选地，所述第二电介质层和/或所述第一电介质层的材料为半导体砷化(GaAs)，所述第三电介质层的材料为二氧化钛TiO₂。

较为优选地，所述第二电介质层和所述第三电介质层的厚度均为各自1/4光学波长，且所述第一电介质层的厚度至少为所述第二电介质层厚度的3的整数倍。

更为优选地，所述第二电介质层的厚度d_a0＝0.1089μm；

所述第三电介质层的厚度为d_b0＝0.0667μm；以及

所述第一电介质层的初始厚度设置为d_c0＝3^Md_a0，其中M为所述周期性光子晶体的周期数，M＝1，2，3，……，为正整数。

此外，本实用新型还提供一种多通道滤波器或波分复用器，包括光学多层和设置于所述光学多层表面的如上述所述的分布反馈布拉格光子晶体。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本实用新型通过将两种电介质薄片交替排列，形成两个一维的周期性光子晶体，再与另一个电介质薄片复合，形成分布反馈布拉格光子晶体；光波在中间电介质薄片中传输，被两端的周期性光子晶体来回反射，当波长满足驻波条件时，形成共振输出，输出的驻波共振可被应用于多信道通信。信道的共振性和品质因数随周期数的增大而增大，信道的数量随中间电介质薄片的厚度增加呈几何级数递增。各信道的中心频率基本不受环境温度的影响，但可以通过外界的静态压强来灵活地调控，且随着外界静态压强的增大，各信道的中心频率向高频方向移动。该分布反馈布拉格光子晶体可被应用于低温环境下的可调多通道滤波和波分复用。

附图说明

图1为分布反馈布拉格光子晶体的结构示意图。

图2中(a)、(b)、(c)、(d)周期数分别为N＝3、4、5、6对应的光子晶体中光波透射谱。

图3为信道C1的品质因数随周期数N的变化关系。

图4中(a)、(b)、(c)、(d)分别给出的是d_c0＝3d_a0、9d_a0、27d_a0和81d_a0对应的光子晶体中光波的透射谱；

图5为在由压强和归一化频率组成的参数空间中的光波透射率。

图6中(a)、(b)、(c)外界静态压强分别为P＝0GPa、20GPa和40GPa对应的光波透射谱。

图7为在由温度和归一化频率组成的参数空间中的光波透射率。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有非周期和准周期光子晶体受环境的温度影响较大，滤波通道的中心频率很难去调控的缺陷。本实施例提供一种分布反馈布拉格光子晶体，其主要包括两个一维的周期性光子晶体和位于两所述周期性光子晶体之间的第一电介质层C，且所述周期性光子晶体为二元周期性电介质多层结构。

如图1所示，为该分布反馈布拉格光子晶体的结构示意图，将两个一维的周期性光子晶体放置于第一电介质层C的两端，使得两周期性光子晶体相对于中间的第一电介质层C呈对称布置，形成关于中心的对称分布结构(AB)^NC(BA)^N。

具体地，两端的周期性光子晶体为二元周期性电介质多层结构(AB)^N和(BA)^N，其由若干组交替排列的第二电介质层A和第三电介质层B构成，每组第二电介质层A和第三电介质层B构成一个周期单元。其中，N为周期性光子晶体的周期数，取自然数M＝1，2，3，……，为正整数。

优选地，二元周期性电介质多层结构的周期数N＝1、2、3、4、……，为正整数；较为优选地，二元周期性电介质多层结构的周期数N＝2、3、4、5；更为优选地，二元周期性电介质多层结构的周期数N＝3。

如图1所示，给出的是N＝3时的系统结构图。整个结构相当于一个谐振腔，第一电介质C为腔体，两个一维的周期性光子晶体的反射镜。两个一维的周期性光子晶体中第二电介质A和第三电介质B交替排列，相当于两个布拉格光栅，再放置于第一电介质C的两端，就形成了分布反馈布拉格光子晶体。光在第一电介质C中传播，被其两端的周期性光子晶体来回反射，当波长满足半波的整数倍时，形成共振输出。

其中，将入射光设置成横磁(TM)波，光从左边出入入射，符号I_i表示入射光，I_o表示透射光线。

在其中的一些实施例中，第二电介质层A和第一电介质层C的材料均为半导体砷化GaAs，第三电介质层B的材料为二氧化钛TiO₂。且第二电介质层A和第三电介质层B的厚度均为各自1/4光学波长，且第三电介质层C的厚度至少为第二电介质层A厚度的3的整数倍。

具体地，GaAs的介电常数为

其中，P表示外界静态压强，Te表示环境温度，K表示绝对温度单位开尔文。

电介质薄片A的厚度与压强的关系为

d_a(P)＝d_a0[1-(S₁₁+2S₁₂)P] (2)

其中，d_a0为P＝0的初始厚度，电介质薄片A的材料GaAs的弹性常数S₁₁＝1.16×10^{- 2}GPa^-1(GPa^-1表示每吉帕)和S₁₂＝-3.7×10^-3GPa^-1。

电介质薄片B的厚度与压强的关系为

d_b(P)＝d_b0[1-(S₁₁+2S₁₂)P] (3)

其中，d_b0为P＝0的初始厚度，电介质薄片B的材料TiO₂的弹性常数S₁₁＝1.24×10^{- 2}GPa^-1和S₁₂＝-2.53×10^-3GPa^-1。

以环境温度Te＝10K(开)，P＝0GPa为标准，得到GaAs的折射率为n_a0＝3.5583。在太赫兹(THz)波段，TiO₂的折射率基本恒定，不随波长变化。当入射波长为λ＝100μm(微米)时，TiO₂的折射率n_b0＝5.81。

设定中心波长为λ₀＝1.55μm，并以此确定电介质薄片A和B的厚度均为各自1/4光学波长，即A的厚度为d_a0＝λ₀/(4n_a0)＝0.1089μm，B的厚度为d_b0＝λ₀/(4n_b0)＝0.0667μm。电介质薄片C的材料也为GaAs，电介质薄片C的初始厚度设置为d_c0＝3Mda0，其中M为所述周期性光子晶体的周期数，M＝1，2，3，……。

图2中(a)给出的是N＝3光子晶体对应的光波透射谱。当N＝3时，对应的系统结构为ABABABCBABABA。环境温度Te＝10K，外界静态压强P＝0。电介质薄片C的初始厚度设置为d_c0＝27d_a0。纵坐标T表示透射率；横坐标(ω-ω₀)/ω_gap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ表示入射光角频率，ω₀＝2πc/λ₀，ω_gap＝4ω₀arcsin│(n_a0-n_b0)/(n_a0+n_b0)|²/π为入射光中心角频率和角频率带隙，arcsin为求反正弦函数，c为真空中光速。在归一化频率所在的区间[-0.5，0.5]内，存在4个独立的共振峰，即4个独立的通信信道。

光波在电介质薄片C传播，受到两边光子晶体的反射，在电介质薄片C中形成驻波共振。满足驻波条件的光波就会共振输出，形成传输信道。

图2中(b)、图2中(c)和图2中(d)分别给出的是N＝4、5和6的光子晶体对应的光波透射谱。其它参数保持不变。可以看到，在归一化频率(ω-ω₀)/ω_gap所在区间[-0.5，0.5]，也存在4个独立的信道，将靠近归一化角频率(ω-ω₀)/ω_gap＝0左边的一个信道记为C1，用虚线框标注。随着N的增大，共振峰的宽度越来越窄，说明共振越来越强。共振性越强，信道的单色性和波长选择性越好。

图3给出的是信道C1的品质因数随周期数N的变化关系。信道C1在图2中已经标注。定义品质因数为共振的半宽的倒数。共振峰的半宽越窄，品质因数越大。Q/Q_N＝2表示不同N对应的品质因数相对于N＝2的品质因数的相对品质因数。可以看到，随着N的增加，相对品质因数呈现指数增加。说明可以通过增大N，来增强透射模的共振性，信道的单色性就越好。

图4中(a)-(d)分别给出的是d_c0＝3d_a0、9d_a0、27d_a0和81d_a0对应的光子晶体中光波的透射谱。周期数N＝5，其它参数保持不变。可以看到，在归一化频率为(ω-ω₀)/ω_gap＝[-1,1]区间内，随着电介质薄片C的厚度增加，共振模的数量迅速增大。因此，可以通过增大电介质薄片C的厚度，来扩展信道数量。

表1给出的是区域I内的透射谱中的信道数量。将图4中虚线框的透射谱波段记为区域I，即区间(ω-ω₀)/ω_gap＝[-0.743,0.743]。可以看到，随着电介质薄片C厚度的增加，满足共振条件的波长就越多，区域I内的信道数量呈现几何级数增加。

表1不同电介质薄层C对应的信道数

图5给出的是压强和归一化频率组成的参数空间中光波的透射率。环境温度设置为Te＝10K，N＝5，d_c0＝27d_a0，其它参数保持不变。改变外界静态压强，电介质薄片A、B和C的材料折射率都会改变，这必然导致满足共振条件的入射光波长的变化。从图中可以看到，随着外界静态压强的增大，信道C1中心频率向高频方向移动。其它信道的中心频率也存在类似的现象。因此，可以通过改变外界静态压强，来灵活地调控各信道的中心频率。

图中6(a)、图6中(b)和图6中(c)分别给出的是外界静态压强分别为P＝0GPa、20GPa和40GPa对应的光波透射谱。其余参数都与图5保持一致。当P＝20GPa和40GPa时，分别对应着图5参数空间中虚线位置的透射率。从图6中可以看出，当外界静态压强增加时，信道C1向右移动，即向高频率方向移动。当P＝0GPa时，信道C1对应的中心频率为(ω-ω₀)/ω_gap＝-0.109；当P＝20GPa时，信道C1对应的中心频率为(ω-ω₀)/ω_gap＝0.021；当P＝40GPa时，信道C1对应的中心频率为(ω-ω₀)/ω_gap＝0.161。

图7给出的是温度和归一化频率组成的参数空间中光波的透射率。静态压强设置为P＝0GPa，N＝5，d_c0＝27d_a0，其它参数保持不变。改变环境温度，电介质薄片A、B和C的材料折射率改变非常微弱。从图中可以看到，随着环境温度变化，信道C1中心频率基本不变。其它信道的中心频率也存在类似的情况。因此，在低温环境下，各信道的中心频率主要受外界静态压强的调控，而受环境温度影响较小。

总之，在由半导体和电介质薄片形成的分布反馈布拉格光子晶体中，满足驻波共振条件的光波会共振输出，形成传输信道。信道共振性和品质因数随周期数的增加而增大，信道的数量随中间电介质层的厚度增大呈指数升高，各信道的中心频率可以通过外界静态压强来灵活地调控，随外界静态压强的增大而增大，且几乎不受环境温度的影响。该效应可被应用于低温环境下的可调多信道滤波和波分复用。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次，本实用新型公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本实用新型同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，包括两个一维的周期性光子晶体和位于两所述周期性光子晶体之间的第一电介质层(C)，且所述周期性光子晶体为二元周期性电介质多层结构。

2.根据权利要求1所述的分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，两个一维的所述周期性光子晶体相对于中间的所述第一电介质层(C)呈对称布置，形成(AB)^NC(BA)^N结构，N为所述一维的周期性光子晶体的周期数。

3.根据权利要求1所述的分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，所述二元周期性电介质多层结构由若干组交替排列的第二电介质层(A)和第三电介质层(B)构成，每组的所述第二电介质层(A)和第三电介质层(B)构成一个周期单元。

4.根据权利要求3所述的分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，每个所述二元周期性电介质多层结构的周期数N＝1、2、3、4、……，为正整数。

5.根据权利要求3所述的分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，所述第二电介质层(A)和/或所述第一电介质层(C)的材料为半导体砷化(GaAs)，所述第三电介质层(B)的材料为二氧化钛(TiO₂)。

6.根据权利要求3所述的分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，所述第二电介质层(A)和所述第三电介质层(B)的厚度均为各自1/4光学波长，且所述第一电介质层(C)的厚度至少为所述第二电介质层(A)厚度的3的整数倍。

7.根据权利要求6所述的分布反馈布拉格光子晶体，其特征在于，所述第二电介质层(A)的厚度d_a0＝0.1089μm；

所述第三电介质层(B)的厚度为d_b0＝0.0667μm；以及

所述第一电介质层(C)的初始厚度设置为d_c0＝3^Md_a0，其中M为所述周期性光子晶体的周期数，M＝1，2，3，……，为正整数。