專利名稱：：基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器，適用于光纖通信系統(tǒng)禾口網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)背景目前的光纖通信系統(tǒng)廣泛使用波分復(fù)用技術(shù)(WDM)，它能有效地利用光纖的帶寬實(shí)現(xiàn)大容量、長距離光纖通信，能在用戶分配系統(tǒng)中增加業(yè)務(wù)數(shù)量。在這些波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用中，為了充分利用十分寶貴的帶寬資源，波長通道間隔變的越來越窄，信道數(shù)變得越來越多。這就要求波分解復(fù)用器的尺寸不僅要更小，而且也要易于集成。然而利用傳統(tǒng)的硅平板回路或者光纖得到的波分解復(fù)用器的尺寸都在厘米量級左右，無法適應(yīng)未來密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的需要。另一方面，目前光子晶體的研究已經(jīng)成為集成光學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。這是因?yàn)楣庾泳w有很多優(yōu)越的特性，例如光子帶隙效應(yīng)。利用這個(gè)特性，許多基于光子晶體設(shè)計(jì)的光通信器件具有傳統(tǒng)器件所不具備的優(yōu)越特性。在基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器中，四端口系統(tǒng)，即在兩平行光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中伺放置兩個(gè)光子晶體微腔，是目前研究的比較成熟的一種。但是這種系統(tǒng)具有較為苛刻和復(fù)雜的共振設(shè)計(jì)，即兩波導(dǎo)間的兩個(gè)微腔模式要完全簡并，這可能給器件制作帶來很大的困難。四端口系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不易設(shè)計(jì)多波長波分解復(fù)用器。在另外的一個(gè)三端口系統(tǒng)中，為獲得高的波分解復(fù)用下路效率，主波導(dǎo)末端被晶格結(jié)構(gòu)堵上以便獲得100%的反射反饋。但是這個(gè)器件存在一個(gè)嚴(yán)重的問題，在反射的光信號中，除了要下路的波長光信號進(jìn)入下路波導(dǎo)外，其他所有波長的光都將被反射到入射端。如果這個(gè)器件在大規(guī)模的集成光路中使用將給整個(gè)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的干擾信號。而且在這個(gè)設(shè)計(jì)中，反射面與下路波導(dǎo)之間距離的選擇具有波長選擇性，所以不能進(jìn)行任意多個(gè)波長位置處的波分解復(fù)用。因此，怎樣研制出高效率、低串?dāng)_以及尺寸更加微小且易于集成的波分解復(fù)用器是未求DWDM光通信系統(tǒng)中的重要研究方向。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)高的波分解復(fù)用效率，減少通道間串?dāng)_和器件的制作難度。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，這種基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器由一根光子晶體主波導(dǎo)、N根波長下路波導(dǎo)、N對光子晶體微腔構(gòu)成，每對光子晶體微腔包括一個(gè)下路微腔和一個(gè)波長選擇性反射微腔，其中N為波長數(shù)。光子晶體主波導(dǎo)通過在平面二維光子晶體中去除一行光子晶體介質(zhì)柱獲得，N根波長下路波導(dǎo)分別位于主波導(dǎo)兩邊，每根波長下路波導(dǎo)通過去除一列光子晶體介質(zhì)柱獲得；N個(gè)光子晶體下路微腔及N個(gè)波長選擇性反射微腔分別交叉位于主波導(dǎo)的兩側(cè)，光子晶體下路微腔為連接主波導(dǎo)和下路波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔，波長選擇性反射微腔為一邊耦合到主波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔；光子晶體下路微腔和對應(yīng)的波長選擇性反射微腔的共振頻率相同，下路微腔衰減進(jìn)主波導(dǎo)的2因子0與下路微腔衰減進(jìn)下路波導(dǎo)的。因子込之比0/込等于2，且兩微腔之間的距離上產(chǎn)生的相位差2^/是;r的奇數(shù)倍，其中，c/是沿主波導(dǎo)方向兩微腔之間的距離，"是共振頻率時(shí)主波導(dǎo)模的傳播常數(shù)。在本發(fā)明中，波長選擇性反射微腔是一個(gè)邊耦合到主波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔，這個(gè)微腔關(guān)于其中心的參考平面鏡面反射對稱，支持單模共振。經(jīng)適時(shí)耦合模理論推導(dǎo)，證明在頻率ty等于微腔的共振頻率w。時(shí)，如果微腔由于自身損失的2因子a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微腔衰減進(jìn)主波導(dǎo)的2因子&，共振頻率光將被100%的反射。反射譜的半極大值全寬度(FWHM)是《。/込。將這個(gè)波長選擇性反射微腔用在波分解復(fù)用器中，用以提高波分解復(fù)用效率。經(jīng)適時(shí)耦合模理論推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)光子晶體下路微腔和對應(yīng)的波長選擇性反射微腔的共振頻率相等以及^/込等于2時(shí)，且兩微腔之間沿主波導(dǎo)方向的距離上產(chǎn)生的相位差2^/是;r的奇數(shù)倍時(shí)，共振頻率光將從主波導(dǎo)完全解復(fù)用到下路波導(dǎo)，這里J是兩微腔之間沿主波導(dǎo)方向的距離，"是共振頻率時(shí)主波導(dǎo)模的傳播常數(shù)，^是下路微腔衰減進(jìn)主波導(dǎo)的2因子，込是下路微腔衰減進(jìn)下路波導(dǎo)的g因子。本發(fā)明的波分解復(fù)用器中，一對中兩個(gè)光子晶體微腔的功能是獨(dú)立的，一個(gè)下路微腔用來波分解復(fù)用，另一個(gè)波長選擇性反射微腔用來實(shí)現(xiàn)在主波導(dǎo)中波分解復(fù)用光的波長選擇性反射反饋，用來提高波分解復(fù)用效率。因此，兩個(gè)微腔之間的直接耦合被避免，這可能給設(shè)計(jì)及制造這種光子晶體濾波器帶來很大的靈活性。兩個(gè)微腔之間距離的設(shè)計(jì)能夠由相位條件得到，從而能夠很容易的設(shè)計(jì)光子晶體波分解復(fù)用器。本發(fā)明的光子晶體波分解復(fù)用器，可以實(shí)現(xiàn)在任意波長位置的波分解復(fù)用。波分解復(fù)用效率高，波長通道間串?dāng)_低。通過設(shè)置光子晶體晶格常數(shù)的大小，可以自由選定某個(gè)下路波長在通信窗口1550nm處。下路的線寬和通道間隔可以通過設(shè)計(jì)微腔的共振頻率和g因子獲得，所以密集波分復(fù)用傳輸(DWDM)也可以通過這個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。圖1為一種高折射率介質(zhì)圓柱在空氣中的二維方形晶格光子晶體。圖2為基于圖1這種光子晶體的六波長波分解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為六波長波分解復(fù)用器的傳輸強(qiáng)度譜。圖4為在某個(gè)下路波長位置時(shí)，六波長波分解復(fù)用器穩(wěn)態(tài)光波傳播模式圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。圓l為本發(fā)明的二維方形晶格光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。這種二維光子晶體由沿;c和少方向方形晶格排列的高折射率介質(zhì)圓柱構(gòu)成，圓柱沿與紙面垂直的z方向放置，周圍為空氣介質(zhì)。如圖1所示，相鄰兩介質(zhì)圓柱中心之間的最短距離稱為晶格常數(shù)，長度為a。介質(zhì)圓柱的半徑為r。這里，光子晶體線缺陷波導(dǎo)通過去除沿x方向的一行或沿y方向的一列介質(zhì)柱獲得。光子晶體微腔通過改變某個(gè)介質(zhì)柱的半徑或折射率而獲得，如可以通過減小某個(gè)介質(zhì)柱的半徑而獲得單模微腔。在這個(gè)微腔中，這個(gè)較小的介質(zhì)柱附近的其他一些介質(zhì)柱半徑或折射率被調(diào)節(jié)以便調(diào)節(jié)微腔的共振頻率。本發(fā)明實(shí)施例的六波長波分解復(fù)用器結(jié)構(gòu)如圖2所示，這個(gè)結(jié)構(gòu)是基于上述光子晶體結(jié)構(gòu)而獲得。這個(gè)結(jié)構(gòu)由一根光子晶體主波導(dǎo)，六根波長下路波導(dǎo)以及六對光子晶體微腔構(gòu)成，每對光子晶體微腔包括一個(gè)下路微腔和一個(gè)波長選擇性反射微腔。這個(gè)光子晶體主波導(dǎo)通過在平面二維光子晶體中去除沿x方向一行光子晶體高折射率介質(zhì)柱獲得。六根波長下路波導(dǎo)分別位于主波導(dǎo)兩邊，每根波長下路波導(dǎo)通過去除沿J方向一列光子晶體高折射率介質(zhì)柱獲得。六個(gè)光子晶體下路微腔及六個(gè)波長選擇性反射微腔分別交叉位于主波導(dǎo)的兩側(cè)，光子晶體下路微腔為連接主波導(dǎo)和下路波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔，波長選擇性反射微腔為一邊耦合到主波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔。為了使光子晶體下路微腔和對應(yīng)的波長選擇性反射微腔的共振頻率完全相同，可以分別調(diào)節(jié)下路微腔與下路波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑或折射率、下路微腔與主波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑或折射率、波長選擇性反射微腔與主波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑或折射率。這些被調(diào)節(jié)的介質(zhì)柱在圖2中分別用黑色圓孔表示。如圖2所示，當(dāng)某頻段輸入信號光從主波導(dǎo)左端輸入時(shí)，首先下路微腔將得到共振激發(fā)，從而向下路波導(dǎo)輻射光信號。但是并非所有的光都用來激發(fā)下路微腔，另外一部分信號光將沿著主波導(dǎo)向前傳輸。為了實(shí)現(xiàn)某波長信號光完全解復(fù)用到下路波導(dǎo)，一個(gè)邊耦合到主波導(dǎo)的波長選擇性反射微腔用來反射這部分光信號。合適的選擇下路微腔和波長選擇性反射微腔之間的距離，使得這個(gè)距離產(chǎn)生的相位差等于;r的奇數(shù)倍，從而使得整個(gè)系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)接近理論上100%的波分解復(fù)用效率。實(shí)施例光通信窗口的六波長波分解復(fù)用器。二維光子晶體由方形晶格的高折射率介質(zhì)硅圓柱構(gòu)成，折射率是3.4。介質(zhì)圓柱半徑是0.20a。這里a是晶格常數(shù)，等于542"m。這種光子晶體僅僅有電場方向平行于介質(zhì)柱的TM(橫磁波，電場方向沿z方向)模光子帶隙存在，歸一化頻率范圍是0.28688<"/;1<0.42007,這里義是光在自由空間的波長。先設(shè)計(jì)一個(gè)下路微腔，較小的點(diǎn)缺陷柱半徑是0.042山距離下路波導(dǎo)及主波導(dǎo)之間各有兩個(gè)介質(zhì)柱。相應(yīng)的波長選擇性反射微腔點(diǎn)缺陷柱半徑也是0.042"，距離主波導(dǎo)中心是3a。為了使兩個(gè)微腔的共振頻率完全相同，波長選擇性反射微腔與主波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑，下路微腔與主波導(dǎo)以及下路波導(dǎo)相鄰的兩個(gè)介質(zhì)柱半徑分別被調(diào)節(jié)，在圖2中分別用黑色的闔孔表示。當(dāng)它們的半徑分別是0.23"和0.211fl時(shí)，兩微腔有相同的歸一化頻率0.36919,對應(yīng)的波長是1550wm。計(jì)算在沒有波長選擇性反射微腔，僅有下路微腔的系統(tǒng)傳輸頻譜?？梢缘玫皆谶@種情況下波分解復(fù)用下路效率僅僅42%。根據(jù)適時(shí)耦合模理論可以容易的得到這個(gè)下路微腔的0因子比^/込值近似等于2。這些結(jié)果均由二維時(shí)域有限差分方法結(jié)合最佳匹配層邊界條件計(jì)算獲得。接下來利用平面波擴(kuò)展法計(jì)算了主波導(dǎo)的模式色散關(guān)系曲線，得到在這個(gè)下路波長時(shí)的傳播常數(shù)^等于0.25(2加-"。然后再根據(jù)=(2"+l);r的相位條件計(jì)算兩腔之間的距離c/，顯然"等于5a就滿足了相位條件，這里w是整數(shù)。根據(jù)同樣的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算得到六波長下路微腔與其相應(yīng)波長選擇性反射微腔的相關(guān)參數(shù)。表1為六波長波分解復(fù)用器的波長選擇性反射微腔和下路微腔的相關(guān)參數(shù)，表中^為兩微腔之間沿主波導(dǎo)方向的距離。其缺陷半徑和被調(diào)節(jié)的黑色圓柱半徑分別顯示在表中。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>結(jié)合這些參數(shù)，如圖2所示，基于二維光子晶體設(shè)計(jì)了六波長波分解復(fù)用結(jié)構(gòu)。六個(gè)光子晶體下路微腔及六個(gè)波長選擇性反射微腔分別交叉位于主波導(dǎo)的兩側(cè)，光子晶體下路微腔為連接主波導(dǎo)和下路波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔，波長選擇性反射微腔為一邊耦合到主波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔。為了使光子晶體下路微腔和對應(yīng)的波長選擇性反射微腔的共振頻率完全相同，可以分別調(diào)節(jié)下路微腔與下路波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑或折射率、下路微腔與主波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑或折射率、波長選擇性反射微腔與主波導(dǎo)相鄰的介質(zhì)柱半徑或折射率。這些被調(diào)節(jié)的介質(zhì)柱在圖2中分別用黑色圓孔表示。圖3顯示了這個(gè)六波長波分解復(fù)用器的傳輸頻譜。在六個(gè)波長位置，波分解復(fù)用的下路效率都在95%以上，而相互間的串?dāng)_很小。圖4為在歸一化頻率0.34978時(shí)，發(fā)射連續(xù)波得到的這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)場分布，它表明在這個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了在這個(gè)波長的完全波分解復(fù)用。這些下路波長從4到；16依次是1652,1575，1550，1529，1517和1468"w，覆蓋了光通信波長窗口的大部分范圍。本發(fā)明中所述平面二維光子晶體的晶格類型可以為多種，包括方形、三角形。本發(fā)明基于二維光子晶體設(shè)計(jì)了一種新型波分解復(fù)用器，這個(gè)波分解復(fù)用器引入一個(gè)波長選擇性反射微腔用來提高解復(fù)用的下路效率，減小入射端后向反射及下路波導(dǎo)間的串?dāng)_。這為未來WDM光通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種重要的保證。權(quán)利要求1、一種基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器，其特征在于由一根光子晶體主波導(dǎo)、N根波長下路波導(dǎo)、N對光子晶體微腔構(gòu)成，每對光子晶體微腔包括一個(gè)下路微腔和一個(gè)波長選擇性反射微腔，其中N為波長數(shù)；光子晶體主波導(dǎo)通過在平面二維光子晶體中去除一行光子晶體介質(zhì)柱獲得，N根波長下路波導(dǎo)分別位于主波導(dǎo)兩邊，每根波長下路波導(dǎo)通過去除一列光子晶體介質(zhì)柱獲得；N個(gè)光子晶體下路微腔及N個(gè)波長選擇性反射微腔分別交叉位于主波導(dǎo)的兩側(cè)，光子晶體下路微腔為連接主波導(dǎo)和下路波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔，波長選擇性反射微腔為一邊耦合到主波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔；光子晶體下路微腔和對應(yīng)的波長選擇性反射微腔的共振頻率相同，下路微腔衰減進(jìn)主波導(dǎo)的Q因子Q1與下路微腔衰減進(jìn)下路波導(dǎo)的Q因子Q2之比Q1/Q2等于2，且兩微腔之間沿主波導(dǎo)方向的距離上產(chǎn)生的相位差2βd是π的奇數(shù)倍，其中，d是沿主波導(dǎo)方向兩微腔之間的距離，β是共振頻率時(shí)主波導(dǎo)模的傳播常數(shù)。2、根據(jù)權(quán)利要求l的基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器，其特征在于所述平面二維光子晶體的晶格類型為方形或者三角形。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于二維光子晶體的波分解復(fù)用器，由一根光子晶體主波導(dǎo)，多條波長下路波導(dǎo)以及多對光子晶體微腔構(gòu)成，每對光子晶體微腔包括一個(gè)下路微腔和一個(gè)波長選擇性反射微腔。多對光子晶體下路微腔及波長選擇性反射微腔分別交叉位于主波導(dǎo)的兩側(cè)，光子晶體下路微腔為連接主波導(dǎo)和下路波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔，波長選擇性反射微腔為一邊耦合到主波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔；為了實(shí)現(xiàn)高效率的波分解復(fù)用，下路微腔的Q因子比需要滿足一定關(guān)系，而且每對下路微腔與其相應(yīng)的波長選擇性微腔沿主波導(dǎo)方向的距離也要滿足一定的相位關(guān)系。這個(gè)波分解復(fù)用結(jié)構(gòu)尺寸微小且易于集成，波分解復(fù)用效率高，串?dāng)_小，在未來的波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中將有重要的應(yīng)用。文檔編號H04B10/12GK101252407SQ20081003556公開日2008年8月27日申請日期2008年4月3日優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日發(fā)明者任宏亮,淳姜,胡衛(wèi)生申請人:上海交通大學(xué)