專利名稱：一種光子晶體波分復(fù)用器件及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波段的波分復(fù)用器件技術(shù)，特別是涉及適用于1550nrn波段的光子晶 體波分復(fù)用器件及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在光纖通信中，波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是常用的多路復(fù)用技術(shù)，是在一根光纖中同時(shí)傳 輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。利用波分復(fù)用設(shè)備將不同信道的信號(hào)調(diào)制成不同波長(zhǎng)的光， 并復(fù)用到光纖信道上，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容。波分復(fù)用技術(shù)的擴(kuò)容效果顯著，而且在網(wǎng)絡(luò)布 設(shè)時(shí)比較容易和方便，因此成為了光通信發(fā)展的重點(diǎn)。
光子晶體是一類具有空間周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)其周期和光的波長(zhǎng)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)， 光波在光子晶體中的傳播可以用光子帶結(jié)構(gòu)來描述，頻率在光子禁帶中的光波不能在光子晶 體中傳播。而當(dāng)在光子晶體中引入缺陷時(shí)，則可能在光子帶隙結(jié)構(gòu)中形成缺陷態(tài)，這樣的光 子晶體就可以用作制造波分復(fù)用器件。光子晶體波分復(fù)用器件因其體積小、效率高而引起研 究者的興趣。1998年，F(xiàn)an等人提出(S.Fan、 P. R. Villenuve和J. D. Joannopoulos，通過局域 態(tài)的信道下載隧穿，物理評(píng)論快報(bào)，1998年80巻960頁(yè))在光子晶體的四端口雙波導(dǎo)系統(tǒng) 中引入結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)諧振腔，從而形成波分復(fù)用器件。
之后，人們進(jìn)一步提出引入具有奇偶對(duì)稱模的單一諧振腔來實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用功能，從而提 高了器件的集成度。采用單一諧振腔的波分復(fù)用器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，光子晶體波導(dǎo)1-2 和3-4之間存在一個(gè)諧振腔，當(dāng)有光信號(hào)從端口 1進(jìn)入波導(dǎo)1-2時(shí)，諧振腔會(huì)將其中中心波 長(zhǎng)為諧振腔諧振波長(zhǎng)的極窄帶寬的光信號(hào)分離出來，下載到波導(dǎo)3-4中，從端口 3或端口 4 輸出。重復(fù)該過程，則可以把不同波長(zhǎng)的光信號(hào)從波導(dǎo)1-2中完全分離出來，從而實(shí)現(xiàn)波分 復(fù)用器件的功能。圖2(a)中的結(jié)構(gòu)就是這樣的一種波分復(fù)用器件(Zexuan Qiang禾口 Weidong Zhou，基于光子晶體環(huán)形諧振腔的光上/下載濾波器，光學(xué)快報(bào)，2007年15巻1823頁(yè))光 子晶體結(jié)構(gòu)呈正方形點(diǎn)陣排布的介質(zhì)柱構(gòu)成，背景為空氣；諧振腔結(jié)構(gòu)為由環(huán)形的介質(zhì)棒缺 陷所形成的環(huán)形腔，如圖2A中的環(huán)形箭頭所示；其B、 C、 D三個(gè)出射端口的歸一化功率譜線如圖2B所示。單一諧振腔為這種結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用器件，耦合效率在理論上可以達(dá)到近 100%，但是Q值(即品質(zhì)因數(shù))只能達(dá)到1000左右，下載信號(hào)帶寬約為1.5nm，器件的集 成度不高。而且該結(jié)構(gòu)以介質(zhì)棒作為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這在工程技術(shù)上較難制作。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有單一諧振腔結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用器件所存在的Q值不高、集成度低、難以制作 等技術(shù)問題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種光子晶體波分復(fù)用器件設(shè)計(jì)方法；該方法易于 實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)出來的波分復(fù)用器件具有高Q值、高集成度的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種光子晶體波分復(fù)用器件。
本發(fā)明的首要目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于 包括以下步驟(1)在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中引入呈三角形點(diǎn)陣排布的圓柱形空氣柱， 構(gòu)成晶格常數(shù)為fl的二維光子晶體，空氣柱半徑為r; (2)去掉二維平板中至少兩條線上的 空氣柱，構(gòu)成至少兩條線缺陷，形成一條輸入波導(dǎo)和至少一條輸出波導(dǎo)，且輸入波導(dǎo)與輸出 波導(dǎo)之間留有不少于7行的奇數(shù)行空氣柱；(3)在步驟(2)所構(gòu)成的輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之 間留有的空氣柱中構(gòu)建具有奇對(duì)稱和偶對(duì)稱兩種諧振模式的諧振腔；該諧振腔的結(jié)構(gòu)不但關(guān) 于垂直于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)所在的平面對(duì)稱，而且關(guān)于平行于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)所在的 平面對(duì)稱。
步驟(3)所述的構(gòu)建諧振腔包括以下兒個(gè)步驟步驟301:首先在輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)
之間留有的空氣柱中選取居中那一行的一個(gè)空氣柱作為中心空氣柱O，不改變其晶格位置， 半徑設(shè)為^;步驟302:將與中心空氣柱0最相鄰的6個(gè)空氣柱標(biāo)記為最相鄰空氣柱A，將
該6個(gè)最相鄰空氣柱A的半徑縮小至。，再分別將它們沿各自的晶格方向外推，使得最相鄰
空氣柱A的圓心與中心空氣柱0的圓心距離是。；步驟303:將與中心空氣柱0次近鄰的6 個(gè)空氣柱標(biāo)記為次相鄰空氣柱B，保持該6個(gè)次相鄰空氣柱B的原晶格位置不變，同時(shí)將它 們的半徑縮小到^;步驟304:在與輸入波導(dǎo)平行的方向上，將與中心空氣柱O同行、并且
與2個(gè)最相鄰空氣柱A相鄰的兩個(gè)空氣柱標(biāo)記為同行空氣柱C，保持該2個(gè)同行空氣柱C的
原晶格位置不變，同時(shí)將它們的半徑增大到&;其中^、 ^、。、 和^為諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)。
在上述設(shè)計(jì)方法中，根據(jù)諧振腔的工作波長(zhǎng)，在步驟(1)中設(shè)置合適的晶格常數(shù)a，或者在步驟(3)中調(diào)整諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)&、。、。、 ^和^。
在上述設(shè)計(jì)方法中，在步驟(2)中形成一條輸入波導(dǎo)和一條輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和輸出 波導(dǎo)均為直線型波導(dǎo)。
在上述設(shè)計(jì)方法中，在步驟(2)中形成一條直線型輸入波導(dǎo)和至少兩條折線型輸出波導(dǎo); 其中折線型輸出波導(dǎo)分布在直線型輸入波導(dǎo)的兩側(cè)，且位于平行于輸入波導(dǎo)的直線部分的那 一端口用空氣柱封閉。
本發(fā)明的一種光子晶體波分復(fù)用器件采用上述設(shè)計(jì)方法獲得，其結(jié)構(gòu)為在由導(dǎo)波材料 構(gòu)成的二維平板中，設(shè)有由呈三角形點(diǎn)陣排布的、半徑為r的圓柱形空氣柱構(gòu)成的晶格常數(shù) 為a的二維光子晶體；二維光子晶體中設(shè)有一條線型輸入波導(dǎo)和至少一條線型輸出波導(dǎo)；輸 入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間留有不少于7行的奇數(shù)行空氣柱，該奇數(shù)行空氣柱上設(shè)有具有奇對(duì)稱 和偶對(duì)稱兩種諧振模式的諧振腔，諧振腔的結(jié)構(gòu)不但關(guān)于垂直于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的平面 對(duì)稱，而且關(guān)于平行于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的平面對(duì)稱。
所述諧振腔包括中心空氣柱O、中心空氣柱O的6個(gè)最相鄰空氣柱A、中心空氣柱O的 6個(gè)次相鄰空氣柱B，以及與中心空氣柱O同行、并且與2個(gè)最相鄰空氣柱A相鄰的2個(gè)同
行空氣柱C;中心空氣柱0的半徑為^，最相鄰空氣柱A的半徑為。，最相鄰空氣柱A的 圓心與中心空氣柱0的圓心距離是。，次相鄰空氣柱B的半徑為^，同行空氣柱C的半徑為 ^ ，其中^與 均小于或等于r。 ， ^大于或等于r。，。大于或等于"。優(yōu)選地，r。=0.30" -0.40a ， 。=0.15a-0.25a， 。=U0fl-1.30fl， =0.20 -0.35" ， rc =0.40a-0.50a 。
本發(fā)明的作用原理為由于光子晶體的能帶是歸一化頻率"/;i的函數(shù)，器件端口的出射
譜線特征只與"/義相關(guān)。諧振腔的工作波長(zhǎng)可以通過晶格常數(shù)或諧振腔結(jié)構(gòu)的各參數(shù)來設(shè)定， 因此通過使用不同晶格常數(shù)"但諧振腔結(jié)構(gòu)相似(即諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與晶格常數(shù)的比值不
變)的系統(tǒng)，即可得到不同工作波長(zhǎng);io的波分復(fù)用器件；通過調(diào)整以上的諧振腔結(jié)構(gòu)的各參
數(shù)r。、 ^、 。、 ^和^，同樣可以改變工作波長(zhǎng)^。根據(jù)需要調(diào)整出不同工作波長(zhǎng)的器
件結(jié)構(gòu)，再將這些器件組合起來，就可以形成一個(gè)多路波分復(fù)用器件。
從上述技術(shù)方案和作用原理可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果 1、本發(fā)明構(gòu)造了一種非常小的具有奇偶對(duì)稱模的諧振腔結(jié)構(gòu)，即諧振腔結(jié)構(gòu)的體積?。?進(jìn)而能夠設(shè)計(jì)出一種非常緊湊的光子晶體波分復(fù)用器件，集成度高。2、 本發(fā)明的波分復(fù)用器件在理論上同樣具有近100%的下載效率，而諧振腔卻具有不小 于3000的Q值，下載信號(hào)的帶寬小于0.5nm，從而使波分復(fù)用器件可以應(yīng)用于波長(zhǎng)間隔標(biāo)準(zhǔn) 為0.8nm的密集波分復(fù)用系統(tǒng)中。并且由于奇偶諧振模的能量大部分集中在高折射的介質(zhì)中， 本發(fā)明波分復(fù)用器件在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在三維結(jié)構(gòu)的垂直方向上的泄漏將非常小。
3、 本發(fā)明通過在導(dǎo)波材料上引入空氣柱的方式構(gòu)造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在工程技術(shù)上可以通過對(duì) 波導(dǎo)材料進(jìn)行光刻的方式較容易得到。因此這種波分復(fù)用器件更便于廣泛應(yīng)用在集成光學(xué)光 路中。


圖1是光子晶體波分復(fù)用器件的結(jié)構(gòu)示意圖2是現(xiàn)有文獻(xiàn)中的一種二維光子晶體波分復(fù)用器件截面圖及其歸一化功率譜線圖； 圖3是本發(fā)明的光子晶體波分復(fù)用器件截面圖； 圖4是本發(fā)明的諧振腔結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明的諧振腔結(jié)構(gòu)中奇模和偶模的相位分布圖6是實(shí)施例1的光波解復(fù)用器件截面圖7是圖6器件結(jié)構(gòu)中各出射端口的歸一化功率譜線；
圖8是實(shí)施例2的光波解復(fù)用器件截面圖9是圖8器件結(jié)構(gòu)中各出射端口的歸一化功率譜線，
圖10是實(shí)施例3的多路波解復(fù)用器件示意其中l(wèi)-12表示波導(dǎo)的端口； Rl-R12表示諧振腔；^-^為各諧振腔相應(yīng)工作波長(zhǎng)的出
射光；圖2(a)、圖3、圖6與圖8中的黑色圓點(diǎn)，和圖4中的白色圓圈均表示組成光子晶體結(jié) 構(gòu)的周期性排布的介質(zhì)柱/空氣柱。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。 圖3所示為根據(jù)本發(fā)明方法所設(shè)計(jì)的光子晶體波分復(fù)用器件的基本結(jié)構(gòu)；參見圖4，光
子晶體的設(shè)計(jì)過程具體為
第1步，在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中引入呈三角形點(diǎn)陣排布的圓柱形空氣柱，構(gòu)成二維光子晶體。其中，晶格常數(shù)即空氣柱的排布周期為"，空氣柱半徑為r。實(shí)際制作本發(fā) 明波分復(fù)用器件時(shí)，可以采用光刻方式在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中刻出空氣柱。
第2步，去掉二維平板中兩條線上的空氣柱，構(gòu)成兩條線缺陷，分別作為第一波導(dǎo)1-2 和第二波導(dǎo)3-4，其中端口 1、 2和端口3、 4分別為第一、第二波導(dǎo)的端口；第一、第二波導(dǎo) 之間留有不少于7行的奇數(shù)行空氣柱。第一波導(dǎo)1-2為直線型波導(dǎo)，作為輸入波導(dǎo)；第二波 導(dǎo)3-4為直線型波導(dǎo)(如圖3所示)或?yàn)檎劬€型波導(dǎo)(如圖6、 8所示)，作為輸出波導(dǎo)。其 中直線型波導(dǎo)適用在具有一路下載或上傳的波復(fù)用器件中；而折線型波導(dǎo)在波分復(fù)用器件中 位于平行于輸入波導(dǎo)的直線部分的那個(gè)端口用空氣柱封閉，而位于彎折部分的那個(gè)端口作為 輸出端口，適用于具有多路下載/上傳的波復(fù)用器件中。
第3步，在第2步所構(gòu)成的第一、第二波導(dǎo)之間留有的空氣柱中構(gòu)建具有奇對(duì)稱和偶對(duì) 稱兩種諧振模式的諧振腔。諧振腔的結(jié)構(gòu)不但關(guān)于垂直于第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)的平面(z = 0) 對(duì)稱，而且關(guān)于平行于第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)的平面(x = 0)對(duì)稱。諧振腔結(jié)構(gòu)如圖4所示， 構(gòu)建過程具體為
步驟301:首先選取居中那一行的一個(gè)空氣柱作為中心空氣柱，并標(biāo)記為O，不改變其 晶格位置，半徑設(shè)為；。
步驟302:將與中心空氣柱0最相鄰的6個(gè)空氣柱標(biāo)記為最相鄰空氣柱A。將該6個(gè)最 相鄰空氣柱A的半徑縮小至。；再分別將它們沿各自的晶格方向外推，使得最相鄰空氣柱A
的圓心與中心空氣柱O的圓心距離是。。
步驟303:將與中心空氣柱0次近鄰的6個(gè)空氣柱標(biāo)記為次相鄰空氣柱B，保持該6個(gè)
次相鄰空氣柱B的原晶格位置不變，同時(shí)將它們的半徑縮小到 。
步驟304:在與第一波導(dǎo)1-2平行的方向上，將與中心空氣柱O同行、并且與2個(gè)最相 鄰空氣柱A相鄰的兩個(gè)空氣柱標(biāo)記為同行空氣柱C。保持該2個(gè)同行空氣柱C的原晶格位置
不變，同時(shí)將它們的半徑增大到^。
在本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中，可以通過以下兩種方式來設(shè)置諧振腔的工作波長(zhǎng)第一種方式， 在上述第1步中設(shè)置合適的晶格常數(shù)"；第二種方式，通過調(diào)整諧振腔結(jié)構(gòu)的各參數(shù)&、。、
整個(gè)諧振腔的結(jié)構(gòu)不但關(guān)于垂直兩波導(dǎo)的平面(z = 0)對(duì)稱，而且關(guān)于與兩波導(dǎo)平行的 平面(x = 0)對(duì)稱。并且該諧振腔能實(shí)現(xiàn)奇對(duì)稱和偶對(duì)稱兩種諧振模式，這兩種模式的相位分布對(duì)于這兩個(gè)平面具有不同的對(duì)稱性。對(duì)于奇模(圖5左側(cè))，相位分布關(guān)于2 = 0平面反 對(duì)稱；對(duì)于偶模(圖5右側(cè))，相位分布關(guān)于2 = 0平面對(duì)稱；同時(shí)，兩個(gè)模式的相位分布對(duì) 于x-0平面均為反對(duì)稱結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)耦合模理論，當(dāng)這兩個(gè)模式完全簡(jiǎn)并時(shí)，兩個(gè)模式 將在諧振波長(zhǎng)^處發(fā)生相消疊加。當(dāng)入射光波從端口 l進(jìn)入第一波導(dǎo)l-2時(shí)，中心波長(zhǎng)為^
的光信號(hào)將被諧振腔完全分離到第二波導(dǎo)3-4中，并從端口 4方向輸出，耦合效率達(dá)到100%。 而其它波長(zhǎng)的光信號(hào)將繼續(xù)在第二波導(dǎo)1-2中傳播，并從端口 2輸出。因而器件實(shí)現(xiàn)了波分 復(fù)用的功能。
圖3所示的只是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法所獲得的一種基本的波分復(fù)用器件，適用于只有一 個(gè)下載或上傳信道的波導(dǎo)系統(tǒng)中。而實(shí)際應(yīng)用中，往往要求波導(dǎo)系統(tǒng)具有多個(gè)下載或上傳信 道，以便滿足對(duì)光信號(hào)進(jìn)行密集復(fù)用的需求。下面將結(jié)合更具體的例子，進(jìn)一步說明根據(jù)本 發(fā)明設(shè)計(jì)方法所獲得的由圖3所示基本結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來的波分復(fù)用器件。
實(shí)施例1
圖6所示是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法獲得的具有兩路下載/上傳通道的波分解復(fù)用器。圖6所 示的光波解復(fù)用器件中，晶格常數(shù)"-0.45pm，空氣柱半徑為^ = 0.35^。第一諧振腔R1的結(jié)
構(gòu)參數(shù)為^ = 0.35" ， 。, = 0.21a ， & = 1.21" ， rB1 = 0.30a ， rci = 0.46a 。第二諧振腔R2的 結(jié)構(gòu)參數(shù)為&2 = 0.35a ， ^2=0.2k ， 。2= 1.21a ， rfi2= 0.30a ， rC2 = 0.46a 。兩個(gè)諧振腔Rl 、
R2結(jié)構(gòu)相同空氣柱排列結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)也相等。此時(shí)兩諧振腔R1、 R2的工作波長(zhǎng)分 別為A二1556.3nm和；i2-1572.8nm。第一波導(dǎo)1-2是直線型波導(dǎo)，作為輸入波導(dǎo)，為信道主
線；第二波導(dǎo)3-4和第三波導(dǎo)5-6是折線型波導(dǎo)，作為輸出波導(dǎo)，為下載通道，分布在第一 波導(dǎo)1-2的兩側(cè)。
為了便于集成，特別是在主線波導(dǎo)的同一側(cè)集成兩個(gè)或兩個(gè)以上光波解復(fù)用系統(tǒng)，下載 通道的結(jié)構(gòu)與圖3的基本結(jié)構(gòu)有所不同。不同之處具體為在設(shè)計(jì)好晶格常數(shù)和諧振腔各個(gè) 參數(shù)后，對(duì)于不需要有信號(hào)輸出的端口 3和端口 5，即位于直線部分的端口 3和端口 5用空 氣柱封閉，而將位于彎折部分的端口4和端口6作為輸出端口。用于封閉的第一個(gè)空氣柱的 中心與相應(yīng)諧振腔的中心沿著主線波導(dǎo)(即第一波導(dǎo)1-2)方向的距離不小于5a。另外，第 二波導(dǎo)3-4和第三波導(dǎo)5-6是折線型波導(dǎo)，在端口 4和端口 6出射方向上的折線部分與主線 波導(dǎo)呈60度角，折線部分所去除的原有空氣柱的晶格位置與相應(yīng)諧振腔的中心沿著主線波導(dǎo) 方向的距離不小于6a。該折線部分還可以采用其它關(guān)于光子晶體彎曲波導(dǎo)的發(fā)明設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)來提高導(dǎo)波效率。
當(dāng)有光信號(hào)從端口 1進(jìn)入信道主線第一波導(dǎo)1-2后，中心波長(zhǎng)為A的一段窄帶信號(hào)將被 下載到通道第二波導(dǎo)3-4，并從端口 4出射；中心波長(zhǎng)為&的一段窄帶信號(hào)將被下載到通道
5-6，并從端口6出射；余下的光信號(hào)將從端口2出射。圖7為器件各出射端口的歸一化功率 譜線。出射端的位置可以與光纖進(jìn)行耦合，也可以經(jīng)由光子晶體波導(dǎo)連接到其他集成光路中， 進(jìn)一步傳遞信號(hào)。由此，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的波解復(fù)用器件的功能。反之，當(dāng)中心波長(zhǎng)為4
和^的光信號(hào)分別由端口 4和端口 6進(jìn)入器件時(shí)，兩光信號(hào)將會(huì)化為中心波長(zhǎng)分別為A和^
的窄帶信號(hào)上載到信道主線第一波導(dǎo)l-2之中，從端口 1出射。這時(shí)，該結(jié)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了光信
號(hào)的波分復(fù)用器的功能。
實(shí)施例2
圖8所示同樣是具有兩路下載信道的波分解復(fù)用器，與圖6不同的是，虛線兩側(cè)的空氣 柱陣列的晶格常數(shù)不相同。左側(cè)晶格常數(shù)^= 0.445pm，右側(cè)晶格常數(shù)"2=0.45^111，左、右
兩側(cè)空氣柱半徑分別為。-0.35q， r2=0.35a2。兩個(gè)諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)具體如下第三諧振
腔R3的結(jié)構(gòu)參數(shù)為r。3 = 0.35fl, ， 。3 = 0.21fl, ， 。3 =1.21",， 3 = 0.30", ， rC3 = 0.46巧；第四
諧振腔R4的結(jié)構(gòu)參數(shù)為 -0.35fl2， 。4=0.20"2， rrf4=1.20a2， &4=0.25a2， rC4=0.46fl2。
可見第三諧振腔R3的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與a的比值和第四諧振腔R4的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與fl2的比值
分別相等；即兩個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)相似空氣柱排列結(jié)構(gòu)相同，所不同的只是晶格常數(shù)不一樣。 此時(shí)兩諧振腔的工作波長(zhǎng)分別為1539.2^-nm和;i4-1556.3nm。下載信道的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1
中相同，光信號(hào)從端口7進(jìn)入器件，器件各出射端口的歸一化功率譜線如圖9所示。該器件 實(shí)現(xiàn)了對(duì)中心波長(zhǎng)為^和A的光信號(hào)的波分解復(fù)用功能；同樣，該器件可以以端口 10和端
口 12作為中心波長(zhǎng)分別為^和;14的入射端口，以端口7為出射端口，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用器的功能。
實(shí)施例3
圖10為8路波分解復(fù)用器的示意圖，實(shí)線代表光子晶體波導(dǎo)，圓圈代表本發(fā)明中的諧振 腔結(jié)構(gòu)。各個(gè)諧振腔(R5， R6， R7，……，R12)可以使用實(shí)施例1或?qū)嵤├?的辦法調(diào)整
諧振波長(zhǎng)(分別為義5， A, A，， ^u)，使得主線上相應(yīng)波長(zhǎng)的信號(hào)被分離到各下載通道進(jìn)行輸出。由上可見，參照?qǐng)DIO中諧振腔和波導(dǎo)的排布，即可制作出具有任意多路下載信 道數(shù)量的波分解復(fù)用器；圖IO所述器件也可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行逆過程處理，實(shí)現(xiàn)任意多路上傳 信道的波分復(fù)用器功能。
權(quán)利要求
1. 一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟(1)在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中引入呈三角形點(diǎn)陣排布的圓柱形空氣柱，構(gòu)成晶格常數(shù)為a的二維光子晶體，空氣柱半徑為r；(2)去掉二維平板中至少兩條線上的空氣柱，構(gòu)成至少兩條線缺陷，形成一條輸入波導(dǎo)和至少一條輸出波導(dǎo)，且輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間留有不少于7行的奇數(shù)行空氣柱；(3)在步驟(2)所構(gòu)成的輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間留有的空氣柱中構(gòu)建具有奇對(duì)稱和偶對(duì)稱兩種諧振模式的諧振腔；該諧振腔的結(jié)構(gòu)不但關(guān)于垂直于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)所在的平面對(duì)稱，而且關(guān)于平行于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)所在的平面對(duì)稱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(3) 所述的構(gòu)建諧振腔包括以下幾個(gè)步驟步驟301:首先在輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間留有的空氣柱中選取居中那一行的一個(gè)空氣柱作為中心空氣柱O，不改變其晶格位置，半徑設(shè)為r。；步驟302:將與中心空氣柱0最相鄰的6個(gè)空氣柱標(biāo)記為最相鄰空氣柱A，將該6個(gè)最 相鄰空氣柱A的半徑縮小至^，再分別將它們沿各自的晶格方向外推，使得最相鄰空氣柱A的圓心與中心空氣柱O的圓心距離是。；步驟303:將與中心空氣柱0次近鄰的6個(gè)空氣柱標(biāo)記為次相鄰空氣柱B，保持該6個(gè) 次相鄰空氣柱B的原晶格位置不變，同時(shí)將它們的半徑縮小到r,,步驟304:在與輸入波導(dǎo)平行的方向上，將與中心空氣柱O同行、并且與2個(gè)最相鄰空 氣柱A相鄰的兩個(gè)空氣柱標(biāo)記為同行空氣柱C，保持該2個(gè)同行空氣柱C的原晶格位置不變， 同時(shí)將它們的半徑增大到^;其中r。、 。、 0、 ^和^為諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于根據(jù)諧 振腔的工作波長(zhǎng)，在步驟(1)中設(shè)置合適的晶格常數(shù)"，或者在步驟(3)中調(diào)整諧振腔結(jié) 構(gòu)參數(shù)r。、 ^、 。、 ^和^。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于在步驟(2)中形成一條輸入波導(dǎo)和一條輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為直線型波導(dǎo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于在步驟 (2)中形成一條直線型輸入波導(dǎo)和至少兩條折線型輸出波導(dǎo)；其中折線型輸出波導(dǎo)分布在直線型輸入波導(dǎo)的兩側(cè)，且位于平行于輸入波導(dǎo)的直線部分的那一端口用空氣柱封閉。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(l) 中的空氣柱采用光刻方式在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中刻出。
7. —種光子晶體波分復(fù)用器件，其特征在于在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中，設(shè)有由 呈三角形點(diǎn)陣排布的、半徑為f的圓柱形空氣柱構(gòu)成的晶格常數(shù)為a的二維光子晶體；二維 光子晶體中設(shè)有一條線型輸入波導(dǎo)和至少一條線型輸出波導(dǎo)；輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間留有 不少于7行的奇數(shù)行空氣柱，該奇數(shù)行空氣柱上設(shè)有具有奇對(duì)稱和偶對(duì)稱兩種諧振模式的諧 振腔，諧振腔的結(jié)構(gòu)不但關(guān)于垂直于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的平面對(duì)稱，而且關(guān)于平行于輸入 波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的平面對(duì)稱。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件，其特征在于所述諧振腔包括中 心空氣柱O、中心空氣柱O的6個(gè)最相鄰空氣柱A、中心空氣柱O的6個(gè)次相鄰空氣柱B， 以及與中心空氣柱O同行、并且與2個(gè)最相鄰空氣柱A相鄰的2個(gè)同行空氣柱C;中心空氣柱O的半徑為，最相鄰空氣柱A的半徑為。，最相鄰空氣柱A的圓心與中心空氣柱 的 圓心距離是^，次相鄰空氣柱B的半徑為^，同行空氣柱C的半徑為&，其中。與 均小于 或等于r, ^大于或等于r，。大于或等于fl。 (r。不一定等于r)
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件，其特征在于& =0.30a-0.40a ， ^ =0.15a-0.25a, ~=1.10a-1.30a， ^ =0.20a-0.35 a ， rc=0.40fl-0.50fl 。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種光子晶體波分復(fù)用器件，其特征在于；所述二維光子晶體中設(shè)有一條直線型輸入波導(dǎo)和至少兩條折線型輸出波導(dǎo)；其中折線型輸出波導(dǎo)分布在直線 型輸入波導(dǎo)的兩側(cè)，且位于直線部分的那一端口設(shè)有用于封閉的空氣柱。
全文摘要
本發(fā)明涉及光子晶體波分復(fù)用器件及其設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方法包括(1)在由導(dǎo)波材料構(gòu)成的二維平板中引入呈三角形點(diǎn)陣排布的半徑為r的圓柱形空氣柱，構(gòu)成晶格常數(shù)為a的二維光子晶體；(2)去掉二維平板中至少兩條線上的空氣柱，構(gòu)成至少兩條線缺陷，形成一條輸入波導(dǎo)和至少一條輸出波導(dǎo)，且輸入、輸出波導(dǎo)間留有不少于7行的奇數(shù)行空氣柱；(3)在留有的空氣柱中構(gòu)建具有奇偶對(duì)稱諧振模的諧振腔。改變諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)或者晶格常數(shù)即可調(diào)整工作波長(zhǎng)，通過一定的諧振腔和波導(dǎo)排布，即可制作出具有任意多路下載信道數(shù)量的波分復(fù)用器；本發(fā)明下載帶寬小于0.5nm，可應(yīng)用于波長(zhǎng)間隔標(biāo)準(zhǔn)為0.8nm的密集波分復(fù)用系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B6/122GK101533126SQ200910038758
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者趙銥楠, 金崇君 申請(qǐng)人:中山大學(xué)