專利名稱：多腔級聯(lián)光子晶體多通道濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用多個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)組成的一維光子晶體多通道濾波器結(jié)構(gòu)。(二) 背景技術(shù)在現(xiàn)代信息社會中，隨著技術(shù)的發(fā)展，需求傳輸?shù)男畔⒘坎粩嘣黾?，現(xiàn)代光通信器件朝著 高容量、大寬帶、集成化、小型化方向發(fā)展，密集波分復(fù)用(DTOM )技術(shù)的迅速實(shí)用化，為 高速率、大容量信息的長距離傳輸提供了易于實(shí)現(xiàn)的方式，也為波長選路為基礎(chǔ)的全光通信 網(wǎng)的發(fā)展提供了可能。光波分復(fù)用(TOM)技術(shù)是能將不同波長的光信號組合(合波)起來傳 輸，又能將光纖中組合傳輸?shù)墓庑盘柗珠_(分波)送入不同的通信終端或指定光纖的一種光 學(xué)技術(shù)。目前實(shí)現(xiàn)光信號的WDM技術(shù)有多種，這些方法或者是系統(tǒng)體積大而復(fù)雜，或者是性 能不夠理想，難以滿足日益發(fā)展的DWDM技術(shù)的要求。近年來出現(xiàn)了一種新的人工材料一光子晶體，由于其光子帶隙特征引起了人們的廣泛興 趣，利用光子晶體可以設(shè)計(jì)出體積更小的波長濾波器。人們已設(shè)計(jì)出了基于Fabry-Perot效 應(yīng)的光子晶體多通道濾波器，其缺點(diǎn)是在工作頻帶以外的區(qū)域會存在大量的無用通道；也有 人設(shè)計(jì)出基于多個(gè)缺陷的光子晶體多通道濾波器，和基于復(fù)周期結(jié)構(gòu)的多通道濾波器，但是 這些結(jié)構(gòu)都存在設(shè)計(jì)難度高、通道性能不易控制等問題。本發(fā)明采用多個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)，克服了上述光子晶體多通道濾波器的問題， 可以很方便地實(shí)現(xiàn)多通道濾波。該多通道濾波器與間插復(fù)用技術(shù)(interleave)結(jié)合就可以 實(shí)現(xiàn)DW函。(三)
發(fā)明內(nèi)容
'本發(fā)明的光子晶體多通道濾波器包含有多個(gè)級聯(lián)的光子晶體單缺陷腔，在級聯(lián)腔的兩邊 各有一定周期數(shù)的均勻光子晶體。在一維結(jié)構(gòu)情況下，級聯(lián)缺陷腔是一維光子晶體缺陷腔的 級聯(lián)(例如圖1所示的結(jié)構(gòu))，在二維結(jié)構(gòu)情況下，是二維光子晶體缺陷腔的級聯(lián)(例如圖2-11 所示的結(jié)構(gòu))，在三維結(jié)構(gòu)情況下是三維光子晶體缺陷腔的級聯(lián)。單缺陷腔中的缺陷在一維結(jié) 構(gòu)中是由一層介質(zhì)引入的點(diǎn)缺陷(如圖]所示的缺陷層)，在二維情況下最佳情況是一根介質(zhì) 柱(孔)引入的點(diǎn)缺陷(如圖2-5中所示的缺陷)，但不排除采用 一排介質(zhì)柱(孔)引入的線 缺陷(如圖6-7中的缺陷)，在三維情況下最佳方式是一個(gè)介質(zhì)粒子引入的點(diǎn)缺陷，但不排除 采用一排介質(zhì)粒子引入的線缺陷和多排介質(zhì)粒子引入的面缺陷。圖1-U給出了幾種典型的多 個(gè)單缺陷腔級聯(lián)式多通道光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)。三維結(jié)構(gòu)的多個(gè)單缺陷腔級聯(lián)多通道濾波器， 由于其圖形復(fù)雜，省略未畫出。當(dāng)復(fù)合腔為多種缺陷腔的組合時(shí)，缺陷桿(孔)的參數(shù)選取原則是，各腔單獨(dú)存在時(shí)的諧振頻率相同。.其工作原理是，當(dāng)光子晶體中有一個(gè)缺陷時(shí)，在光子禁帶中即會出現(xiàn)一個(gè)缺陷模。具有 一個(gè)缺陷的光子晶體等于是一個(gè)光子晶體諧振腔。多個(gè)同樣的腔耦合級聯(lián)在一起，在原來的 單腔的諧振波長附近即會出現(xiàn)多個(gè)諧振模式。 一個(gè)模式分裂成多個(gè)模式的原因在于，雖然多 個(gè)腔都一樣，但是級聯(lián)以后，中間的腔兩邊的反射層多，靠邊上的腔的反射層少，從而會使 得各個(gè)腔的諧振波長略有差異，從而出現(xiàn)了模式分裂。這種多通道濾波器的最大好處是，濾波區(qū)(通道帶)兩邊是光子禁帶區(qū)，而且通道密度高。由于光子晶體可以用電介質(zhì)來制作，也可以用磁介質(zhì)來組成，或者用電介質(zhì)和磁介質(zhì)的 混合來制作，因此，本發(fā)明不限于僅用電介質(zhì)組成的光子晶體結(jié)構(gòu)。同樣的道理，光子晶體 中的缺陷可以是折射率、磁導(dǎo)率、或幾何厚度等物理參數(shù)中的一個(gè)或幾個(gè)同時(shí)變化引起的結(jié) 構(gòu)周期性的破缺。根據(jù)光子晶體的理論，缺陷層的物幾何度或者折射率，會改變?nèi)毕菽５奈恢茫虼?，?道帶的位置是由缺陷層的參數(shù)(包括幾何厚度、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等)決定的。通常情況下，缺陷腔是采用直線形式級聯(lián)的，但是在某些情況下，在光集成回路中，為 了實(shí)現(xiàn)光路的拐彎，則可以采用彎曲級聯(lián)的方式，這時(shí)候就能使光按曲線路徑運(yùn)動。根據(jù)光子晶體的理論，缺陷腔中缺陷層兩邊的光子晶體的周期數(shù)越多，則缺陷模的帶寬 越窄，因此增加整個(gè)結(jié)構(gòu)中的左右兩邊的均勻光子晶體的周期數(shù)就可以使得各個(gè)缺陷模的帶 寬變窄，從而使得相鄰?fù)ǖ乐g的串?dāng)_會下降。為了設(shè)計(jì)方便，通常，缺陷介質(zhì)的尺寸與非缺陷介質(zhì)的尺寸差異比較小，使一個(gè)缺陷腔 在光子禁帶內(nèi)只產(chǎn)生一個(gè)缺陷模式，且最好是在光子禁帶的中心地帶產(chǎn)生一個(gè)缺陷模。這時(shí)， N個(gè)腔級聯(lián)后就形成一個(gè)N通道的多通道濾波器，其通道分布在禁帶中心處，在通道帶的兩 邊是光子禁帶區(qū)。增加(減少)單缺陷腔中缺陷兩邊的周期數(shù)，每個(gè)通道(缺陷模)的帶寬將急劇減少(增 加)，但是多通道濾波器的多通道濾波帶保持不變。另外，在多腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，單缺陷腔的數(shù) 目增加或減少并不會改變腔的的多通道濾波器的多通道濾波帶?？梢?，通過增加單腔的個(gè)數(shù)， 可以增加多通道的通道密度。此外，通道的位置可以由腔中缺陷的尺寸來任意調(diào)節(jié)。

圖l:多個(gè)一維光子晶體點(diǎn)缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器，其中l(wèi)、 2為兩種折射率不同的介質(zhì)層，3為缺陷層。圖2:多個(gè)桿式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(直線形)，其中1 (圓點(diǎn)) 代表高折射率介質(zhì)桿，2 (十字圈@ )代表缺陷桿(孔)。圖3:多個(gè)桿式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(彎曲形)，其中1 (圓點(diǎn)) 代表高折射率介質(zhì)桿，2 (十字圈 )代表缺陷桿(孔)。圖4:多個(gè)孔式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(直線形)，其中l(wèi) (圓圈) 代表低折射率介質(zhì)桿(孔)，2 (十字圈 )代表缺陷桿(孔)，斜線陰影區(qū)為高折射率介質(zhì)。圖5:多個(gè)孔式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(彎曲形)，其中l(wèi) (圓圈) 代表低折射率介質(zhì)桿(孔)，2 (十字圈 )代表缺陷桿(孔)，斜線陰影區(qū)為高折射率介質(zhì)。圖6:多個(gè)桿式二維光子晶體線缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器，其中1 (圓點(diǎn))代表高折 射率介質(zhì)桿，2 (十字圈④)代表缺陷桿(孔)。圖7:多個(gè)孔式二維光子晶體線缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器，其中1 (圓圈)代表低折 射率介質(zhì)桿(孔)，2 (十字圈@)代表缺陷桿(孔)，斜線陰影區(qū)為高折射率介質(zhì)。圖8:多個(gè)柱式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔-線缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(直線形)，其中1 (圓點(diǎn))代表高折射率介質(zhì)桿，2 (十字圈@)和3 (乘號圈O)代表兩種不同參數(shù)的缺陷桿(孔)。圖9:多個(gè)孔式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔-線缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(直線形)，其中1 (圓圈)代表低折射率介質(zhì)桿(孔)，2 (十字圈0)和3 (乘號圈(S)代表兩種不同參數(shù)的缺陷桿(孔)。斜線陰影區(qū)為高折射率介質(zhì)。圖10:多個(gè)桿式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔-線缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(彎曲形)，其中1 (圓點(diǎn))代表高折射率介質(zhì)桿，2 (十字圈@)、 3 (乘號圈@)和4 (斜杠圈O)代表三 種不同參數(shù)的缺陷桿(孔)。
圖ll:多個(gè)孔式二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔-線缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)多通道濾波器(彎曲形)，其中1 (圓圈)代表低折射率介質(zhì)桿，2 (十字圈@)、 3 (乘號圈③)和4 (斜杠圈S)代表三 種不同參數(shù)的缺陷桿(孔)。斜線陰影區(qū)為高折射率介質(zhì)。圖12:對圖l所示結(jié)構(gòu)，3個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的3通道濾波特性圖13:圖12中的局部圖。圖14:圖13的dB圖。圖15:對圖l所示結(jié)構(gòu)，5個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的5通道濾波特性圖16:對圖l所示結(jié)構(gòu)，IO個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的IO通道濾波特性具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施給出一些例子，但是具體實(shí)施不限于這些例子。 參照圖1，光子晶體多通道濾波器由多個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)組成。包含多個(gè)波長的 光入射到圖1的光子晶體單缺陷腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)上，透射譜出現(xiàn)的缺陷模數(shù)目與單缺陷腔的個(gè)數(shù) 相同。例如，把三個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)在一起可以實(shí)現(xiàn)3通道濾波。 一個(gè)具體實(shí)施方案 是，高折射率的介質(zhì)層選擇AlAs，低折射率介質(zhì)層為冰晶石，其折射率分別為2.87和1.35， 光學(xué)厚度都為0.39pm.此外，三個(gè)缺陷層的折射率為1.35，厚度為0. 58pm.缺陷層之間的 高低折射率介質(zhì)層的周期數(shù)為3，結(jié)構(gòu)最兩邊高低折射率介質(zhì)層的周期數(shù)為5。結(jié)果產(chǎn)生三個(gè) 缺陷模，實(shí)現(xiàn)三個(gè)通道濾波，如圖12-14所示。圖15和圖16分別采用5個(gè)、IO個(gè)光子晶體 單缺陷腔級聯(lián)在一起產(chǎn)生的5個(gè)通道濾波和10個(gè)通道濾波，計(jì)算參數(shù)與三腔的情況相同。增加結(jié)構(gòu)兩邊的高低折射率介質(zhì)層的周期數(shù)，可使通道與通道之間的透過率降低通過， 減小串?dāng)_；增加腔與腔之間高低折射率介質(zhì)層的周期數(shù)，可使通道與通道之間的間隔減小， 變密集多通道濾波；增加缺陷層厚度，通道波長向長波方向移動；反之亦然。通過調(diào)節(jié)高低 折射率介質(zhì)層和單缺陷腔的周期數(shù)，以及缺陷層的長度和折射率，可以控制濾波通道波長范 圍、數(shù)目、通道之間的間隔和隔離度，使多腔級聯(lián)光子晶體多通道濾波器滿足系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)需求。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體多通道濾波器，其特征在于由N個(gè)光子晶體單缺陷腔級聯(lián)組成，在級聯(lián)腔的左右兩邊各設(shè)置一定周期數(shù)的均勻光子晶體，其通道數(shù)為N，其中N為大于1的正整數(shù)。
2. 按權(quán)利要求1所述的級聯(lián)光子晶體缺陷腔多通道濾波器，其特征在于單缺陷腔中 的缺陷在一維結(jié)構(gòu)中是由一層介質(zhì)引入的點(diǎn)缺陷，在二維情況下是由一根介質(zhì)柱(孔)引入的點(diǎn)缺陷或一排介質(zhì)柱(孔)引入的線缺陷，在三維情況下是由一個(gè)介 質(zhì)粒子引入的點(diǎn)缺陷、 一排介質(zhì)粒子引入的線缺陷、或多排介質(zhì)粒子引入的面缺陷。
3. 按權(quán)利要求1所述的級聯(lián)光子晶體缺陷腔多通道濾波器，腔的級聯(lián)最佳方式是直線式級聯(lián)。
4. 按權(quán)利要求1所述的光子晶體多通道濾波器，其特征在于缺陷腔之間的介質(zhì)層的 周期數(shù)越多，則多通道濾波區(qū)的波長范圍越窄。
5. 按權(quán)利要求1所述的光子晶體多通道濾波器，其特征在于結(jié)構(gòu)最左邊和最右邊的 周期數(shù)越多，則通道之間的串?dāng)_越少。
6. 按權(quán)利要求1所述的光子晶體多通道濾波器，其特征在于缺陷層之間的介質(zhì)層的 周期數(shù)越多，則通道之間的串?dāng)_越少。
全文摘要
一種基于多個(gè)光子晶體缺陷腔級聯(lián)的多通道濾波器，其結(jié)構(gòu)如下。在中心對稱或不對稱的周期性光子晶體中間設(shè)置一個(gè)缺陷，即構(gòu)成所說的光子晶體單缺陷腔，多個(gè)這樣的缺陷腔級聯(lián)即構(gòu)成所說的多通道濾波器。通道的個(gè)數(shù)等于腔的個(gè)數(shù)；通道的密度與腔的個(gè)數(shù)成正比。通道的位置主要由缺陷層的厚度決定，通道區(qū)范圍由光子晶體的周期數(shù)決定。
文檔編號G02B6/122GK101246237SQ200810065748
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者歐陽征標(biāo), 鐘遠(yuǎn)聰 申請人:深圳大學(xué);歐陽征標(biāo)