基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器.pdf

本发明属于光分插滤波器，特别是涉及一种基于二维光子晶体的超小型光分插滤波器。其特征在于光分插滤波器包括了上端直波导、下端直波导以及自准直环区，耦合上下端直波导中电磁场能量的由光子晶体自准直环进一步形成谐振腔；光子晶体自准直工作频率或波长范围，应被上端波导工作区所覆盖。上端直波导和下端直波导由具有线缺陷的正方晶格排列的介质柱型二维光子晶体阵列组成，还可以由具有线缺陷的三角晶格排列或具有线缺陷的二维平板排列的光子晶体阵列组成。光子晶体自准直环区是通过调整环区光子晶体半径大小，并在外面光子晶体带隙的限制下形成光子晶体自准直微环。本发明结构更加紧凑、设计更加简单，适用于光通信及光传感系统。

1、  一种基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器，其特征在于光分插滤波器包括了上端直波导、下端直波导以及位于上下端直波导之间的自准直环区，耦合上下端直波导中电磁场能量的由光子晶体自准直环进一步形成谐振腔；光子晶体自准直工作频率或波长范围，应被上端波导工作区所覆盖。

2、  根据权利要求1所述的基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器，其特征在于上端直波导和下端直波导可以由具有线缺陷的正方晶格晶体阵列组成。

3、  根据权利要求1所述的基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器，其特征在于所述的上端直波导和下端直波导还可以由具有线缺陷的三角晶格排列的介质柱型二维光子阵列组成。

4、  根据权利要求1所述的基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器，其特征在于所述的上端直波导和下端直波导由具有线缺陷的二维平板排列的光子晶体阵列组成。

5、  根据权利要求1所述的基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器，其特征在于所述的光子晶体自准直环区，是通过调整环区光子晶体半径大小，使得沿着特定方向的光在特定频率范围内可以自准直传播，并在外面光子晶体带隙的限制下，从而有效形成光子晶体自准直微环。

6、  根据权利要求5所述的基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器，其特征在于所述的自准直环区光子晶体半径，其大小为0.115a。

基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器
技术领域
本发明属于光分插滤波器，特别是涉及一种基于二维光子晶体的超小型光分插滤波器。
背景技术
光分插滤波器(Optical Add/Drop Filter)主要实现从光通信传输系统中下载通往本地的信号，或者上载本地用户发往其他节点用户的信号进入传输系统，而不影响其他波长信道的传输，并且保持光域的透明性，它是组成波分复用系统(WDM)中广泛使用的诸如光分插复用器、光调制器及光开关等的核心元件。随着通信容量的急剧增长以及各种新业务的出现，超小型分插滤波器和大容量的信道滤波器的开发亟待解决。由于光波导微环具有很高的品质因子(Q)和小型性等优点，近年来基于光波导微环技术的光分插滤波器屡见报道^[2～4]。然这种基于全内反射原理的光波导微环，其传输损耗会随着环半径的减小而指数上升，且非常敏感于表面粗超度及直波导(Bus)和微环间隙。无疑这种技术瓶颈阻碍了传统光波导微环的进一步超小型化的发展。另一方面，光子晶体是类似于电子的“光半导体”，是一种人工周期性材料结构，其可以很好地控制光子的行为，如抑制或增强光子的自发辐射等。此外，它们还可以将设计好的器件结构平移缩放到任何感兴趣的波段，如从可见光波段到远红外波段。因此，光子晶体是一个富有前景的制作纳米光子器件的平台。设计和研制基于光子晶体技术的光分插滤波器是未来WDM通信系统的一个重要发展方向。
在基于光子晶体的分插滤波器中，点缺陷型微腔实现光分插滤波器是目前研究最多的一种方案。与传统光波导微环相比，它们很难作为一个基本模块提供多样化的器件设计结构。最近，基于光子晶体微环的光分叉滤波器，也见报道，新的结构为正方晶格结构，它们的直径约为5个介质波长，这无疑为解决上述技术瓶颈提供了一个有效方案。然而对于空气孔型光子晶体微环，仅简单移除一排光子晶体得到的直波导一般呈现多模，特别是在环区拐弯地方，容易激发起其他模式，从而降低了滤波器的下路效率，也同时增加了器件设计及制作的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于二维光子晶体带隙和自准直效应的光分插滤波器，具有尺寸微小、集成度高的优点。
为实现本发明的目的而设计的光子晶体带隙和自准直效应的光分插滤波器，其特征在于光分插滤波器包括了上端直波导、下端直波导以及位于上下端直波导之间的自准直环区，耦合上下端直波导中电磁场能量的由光子晶体自准直环区进一步形成谐振腔；光子晶体自准直工作频率或波长范围，应被上端直波导工作区所覆盖。
所述的上端直波导和下端直波导由具有线缺陷的正方晶格排列的介质柱型二维光子晶体阵列组成。
所述的上端直波导和下端直波导还可以由具有线缺陷的三角晶格排列的介质柱型二维光子晶体阵列组成。
所述的上端直波导和下端直波导还可以由具有线缺陷的二维平板排列的光子晶体阵列组成。
所述的光子晶体自准直环区，是通过调整环区光子晶体半径大小，使得沿着特定方向的光在特定频率范围内可以自准直传播，并在外面光子晶体带隙的限制下，从而有效形成光子晶体自准直微环。
所述的自准直环区光子晶体半径，其大小为0.115a。
本发明结构更加紧凑、设计更加简单，适用于光通信及光传感系统。从下面结合附图的详细描述，本领域技术人员很容易了解，如果在环区引入调谐机制或者传感机制，如引入电极或者传感材料，即可实现下路波长的调谐，从而达到光开关、调制器等波分复用系统中的重要器件或者光传感器。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为正方晶格光子晶体直波导Bus的色散曲线图。
图3为正方晶格光子晶体对应图2线缺陷工作区具有自准直区的等频图。
图4为正方晶格光子晶体对应图2线缺陷工作区不具备自准直区的等频图。
图5为本发明结构对应图2线缺陷工作区具有自准直效应的微环的归一化传输强度谱。
图6为本发明结构对应图二线缺陷工作区不具备自准直效应的微环的归一化传输强度谱。
图7为本发明结构传统线缺陷波导形成的微环的归一化传输强度谱。
图8为本发明结构下路信号1588nm的稳态光波传输场图。
图9为本发明结构非下路信号1600nm的稳态光波传输场图。
图10为环区波导折射率的改变引起的下路波长的漂移图。
图1中，I为上端直波导，II为下端直波导，III为自准直环区。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明设计的基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器包括上端直波导I、下端直波导II、位于上下端直波导之间的自准直环区III。
在本发明的一个设计实施例中，考察基于正方晶格排列的砷化镓介质柱二维光子晶体，中心波长为1550纳米的通信波段，砷化镓的折射率为3.59。对于二维介质柱型光子晶体，其TM模式具有较大的光子带隙(PBG)。为了获得大的带隙，取介质柱半径r为0.185a，这里a是晶格常数。移除一排柱子形成L1直波导(依此类推)，俗称Bus波导，并定义上端直波导为输入波导，下端直波导为下路或者上路波导，如图1中直波导I、II所示。对于正方晶格光子晶体一般沿着ΓM在一定频率范围内会出现自准直区，为此沿着ΓM改变三排光子晶体半径如0.115a(注：排数以出现自准直效应即可)，在外围光子晶体带隙限制下，从而形成自准直环区，如图1中自准直环区III所示。我们首先考察上述Bus波导的色散曲线图，如图2所示，在归一化频率0.28a/λ～0.44a/λ内，具有很宽的单模波长。对于1550nm中心通信波长，选取a为540nm，则相应的波长范围为1227～1928nm。同时考察上述光子晶体的等频图，如图3-4所示。图3光子晶体半径取0.115a时，在频率0.33～0.36a/λ内存在自准直环区，该频率恰好落在光子晶体带隙里头，符合本发明设计思想；而对于图4光子晶体半径保持不变，即0.185a时，在频率0.255～0.26a/λ内存在自准直环区，落在光子晶体带隙之外，从而上端直波导中传播的光无法有效地在自准直环区III内传播并耦合到下端直波导去。为了和近来提出的传统光子晶体微环进行客观比较，我们取直波导I、II的外围光子晶体排数为5排，直波导和自准直环区波导之间的耦合排数为1，如图1所示，而光子晶体微环的外围左右排数则从图中的10排增加到24排。
如图1所示，在A、B、C、D四个端口分别放置功率监视器，并以A端口为输入端口，利用二维时域有限差分(2D FDTD)计算方法，并选用各向异性完全匹配层(PML)为吸收边界条件，注入覆盖上述感兴趣光谱范围的高斯脉冲光束，将B、C、D端口监测到的功率与输入端口A的功率相比，即可求得其它三个端口的规一化传输谱，如图5-7所示。显然，将自准直环区III的半径取0.115a时，可以得到传统光子晶体微环实现的光分插滤波器功能，在D端口获得归一化传输强度为0.979的1588nm信号，如图5所示。与相同条件下传统微环相比，如图7，本发明的品质因子Q(定义为λ/Δλ，其中Δλ为峰值波长半最大值全宽FWHM)则提高了4倍多，约500，且谱线更加对称。而保持自准直环区III的光子晶体半径不变为0.185a时，由于自准直频率为0.255～0.26a/λ不在带隙范围内，因而输入的光直接沿着B端口输出，其结果如图6所示。它们的稳态传播场图如图8-9所示。鉴于光分插滤波器是光通信和光传感系统中的核心元件，我们也考虑了对本发明的自准直环区波导引入适当调制机制。例如，加入电极，从而引起自准直区的适当漂移，最终导致下路波长的漂移，结果如图10所示，下路波长会随着环区折射率的增加而向长波长漂移。假定折射率为3.59时是电极处于关闭状态，D端口的对应传输功率为0.979，当电极工作时，比如折射率为3.61时，D端口的对应传输功率为0.168。如果进一步优化设计，完全可以做到此时传输功率为0，从而实现很好的光开关功能。
本发明仅以正方晶格二维光子晶体进行了说明。但对于本领域技术人员而言，从上述的阐述可知，本结构可以推广到其他晶格排列如三角晶格以及二维平板光子晶体。