專利名稱：基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三重波分復用器(Triplexer)，適用于未來的光纖到戶(FTTH)接入網 中。
背景技術：
光三重波分復用器對無源光網絡中光纖到戶應用是非常重要的器件。根據ITU G. 983的推薦，它能夠濾出三個設定的波長，即1310nm上行信號，1490nm和1550nm兩個下 行信號。目前，平面光波回路(PLC)技術是制作這樣低價器件的最有前途的選擇，已經發(fā)展 商用化。而基于陣列波導光柵技術的這樣復用器已經廣泛應用于粗波分復用和密集波分復 用系統(tǒng)中。這些技術有很多優(yōu)點，如容易集成，高效且可靠。但是，這些傳統(tǒng)光三重波分復 用器件卻有一個顯著的缺點，即尺寸較大，在微米到毫米量級，遠遠達不到集成光電子器件 的需要。新的基于光子晶體波導的光三重波分復用器件能夠克服以上的缺點，組成更小的 器件，對實現高度光集成是光明的選擇。光子晶體是介質材料組成人工周期性結構。在1987年，Yablonovitch和John發(fā) 現了這種周期性介質結構能夠在特定頻率范圍內產生帶隙。帶隙內設計的缺陷模能夠用來 隨意控制光子的流動。迄今為止，很多光通信器件已經基于光子晶體。通道下路濾波器是 光子集成回路的關鍵器件，可以用作復用器，開關以及定向耦合器。Kim等提出了一種帶反 射反饋的三端口通道下路濾波系統(tǒng)。在這個結構中，由于在主波導末端的全反射，通道下路 效率被提高到100%?；谌丝谙到y(tǒng)的理論模型，一個波長選擇性的反射微腔被廣泛應用 在復用器及解復用器中去提高傳輸下路效率。與傳統(tǒng)光器件相比，基于光子晶體的器件尺 寸為納米量級提高了通道的集成密度?；诖?，一些研究者設計實現了基于高折射率介質 柱方形晶格排列的三重波分復用器件，但是這種光子晶體沒有比高折射率平板上六角晶格 空氣孔排列的光子晶體容易制作，基于高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的微米量級光 子晶體三重波分復用器件還沒得到實現。
發(fā)明內容
為了克服已有三重波分復用器的制作困難、實用性較差、不能適用于光纖到戶接 入網的不足，本發(fā)明提供一種便于制作、實用性強、具有微米量級并能應用到光纖到戶接入 網中的基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是
一種基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，所述光子晶體三重波分復用器采 用高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的二維光子晶體，所述光子晶體三重波分復用器包 括四根光子晶體線缺陷波導和兩個光子晶體點缺陷微腔；所述四根光子晶體線缺陷波導分 別通過改變一排介質柱半徑獲得，分別是輸入波導、第一通道、第二通道以及第三通道；所 述兩個光子晶體點缺陷微腔分別通過改變某些近鄰介質柱的半徑獲得，其中一個缺陷微腔 為波長1490nm下路微腔，另一個缺陷微腔為波長1310nm下路微腔，兩個微腔分別放置在輸入波導兩側；第二通道和第三通道分別與1490nm和1310nm下路微腔相連，輸入波導末端 與第一通道通過一個用以控制1550nm波長的信號直接從第一通道傳播到輸入波導的折疊 定向耦合結構相連。進一步，通過調整折疊定向耦合波導中上方波導末端的空氣介質柱的位置調整發(fā) 射反饋相位，使得1490nm波長的信號完全下路到第二通道。再進一步，通過調整共振波長為1490nm和1310nm兩個微腔之間的輸入波導部分， 即這段波導中兩側的介質柱半徑被增大或者減小來調整反射反饋相位，使得1310nm波長 光完全從第三通道下路。更進一步，根據光子晶體的晶格常數和介質折射率計算能帶，光子晶體線缺陷波 導選定三個波長1310nm，1490nm及1550nm對應的三個歸一化頻率，且波導都是單模傳輸。本發(fā)明的技術構思為基于高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的二維光子晶 體，為了使得器件結構在獲得高效率的同時盡可能尺寸微小，在輸入波導末端設計了一個 折疊定向耦合結構作為反射反饋。為了實現這樣的目的，在本發(fā)明的技術方案中，首先結合光子晶體的晶格常數 和介質折射率，通過能帶計算，設計合適的光子晶體線缺陷波導，選定三個波長1310nm， 1490nm及1550nm對應的三個歸一化頻率，在這三個頻率，波導都是單模傳輸。
其次，設計基于這種二維光子晶體的FTTH用三重波分復用器件(Triplexer)，由四根 光子晶體線缺陷波導和兩個光子晶體點缺陷微腔構成。四根光子晶體線缺陷波導分別通過 改變一排介質柱半徑獲得，分別是輸入波導、第一通道、第二通道以及第三通道。兩個光子 晶體點缺陷微腔分別通過改變某些近鄰介質柱的半徑獲得，其中一個用作波長1490nm下 路微腔，另一個用作波長1310nm下路微腔，兩個微腔分別放置在輸入波導兩側。第二通 道和第三通道分別與1490nm和1310nm下路微腔相連。輸入波導末端與第一通道通過一個 折疊定向耦合器相連。調整這個折疊定向耦合器可以使得1550nm波長光能夠直接從第一 通道傳播到輸入波導。通過調整折疊定向耦合器中上方波導末端的空氣介質柱的位置可以 調整發(fā)射反饋相位，使得1490nm波長完全下路到第2通道。通過調整共振波長為1490nm和 1310nm兩個微腔之間的輸入波導部分，即這段波導中兩側的介質柱半徑被增大或者減小來 調整反射反饋相位，可以使得1310nm波長光完全從第三通道下路。本發(fā)明中的折疊定向耦合器由輸入波導末端及第一通道開始端平行放置而形成， 輸入波導末端與完好的光子晶體晶格結構相連，第一通道開始端也與完好的光子晶體晶格 結構相連，兩波導之間相隔若干排晶格排列。本發(fā)明的三重波分復用器件基于高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的光子晶 體設計，能夠實現1550nm波長光以95%效率上路，以及1310nm和1490nm兩個波長光的95% 效率下路。其優(yōu)點在于利用折疊耦合結構使得這個三重波分復用器件結構微小，在微米量 級，能夠應用在未來的光纖到戶(FTTH)接入網中作為三重波分復用器件。本發(fā)明的有益效果主要表現在便于制作、實用性強、具有微米量級并能應用到光 纖到戶接入網中。
圖1為一種空氣介質圓柱在高折射率平板中的二維六角晶格光子晶體的示意圖。
圖2為基于二維六角形晶格光子晶體的三重波分復用器件結構圖。圖3為基于二維六角形晶格光子晶體三重波分復用器件結構中折疊定向耦合結 構的色散曲線的示意圖。圖4為該三重波分復用器件結構的傳輸強度譜的示意圖。圖5為在三個波長(頻率)位置時，該三重波分復用器件結構的上行和下行穩(wěn)態(tài) 光波傳播模式圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。參照圖1 圖5，一種基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，所述光子 晶體三重波分復用器采用高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的二維光子晶體，所述光子 晶體三重波分復用器包括四根光子晶體線缺陷波導和兩個光子晶體點缺陷微腔；所述四根 光子晶體線缺陷波導分別通過改變一排介質柱半徑獲得，分別是輸入波導( 、第一通道 G)、第二通道(6)以及第三通道(8)；所述兩個光子晶體點缺陷微腔分別通過改變某些近 鄰介質柱的半徑獲得，其中一個缺陷微腔為波長1490·下路微腔(9)，另一個缺陷微腔為 波長1310nm下路微腔(10)，兩個微腔分別放置在輸入波導( 兩側；第二通道(6)和第 三通道⑶分別與1490nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)相連，輸入波導(2)末端 與第一通道(4)通過一個用以控制1550nm波長的信號直接從第一通道(4)傳播到輸入波 導O)的折疊定向耦合器(11)；
通過調整折疊定向耦合波導中上方波導末端的空氣介質柱的位置調整發(fā)射反饋相位， 使得1490nm波長的信號完全下路到第二通道(4)。通過調整共振波長為1490nm和1310nm 兩個微腔之間的輸入波導部分，即這段波導中兩側的介質柱半徑被增大或者減小來調整反 射反饋相位，使得1310nm波長光完全從第三通道(6)下路。根據光子晶體的晶格常數和介質折射率計算能帶，光子晶體線缺陷波導選定三個 波長1310nm，1490nm及1550nm對應的三個歸一化頻率，且波導都是單模傳輸。圖1為本發(fā)明的二維六角形晶格光子晶體結構示意圖。這種二維光子晶體由在高 折射率平板上沿Z和_7方向按六角形晶格排列空氣介質圓柱獲得，空氣介質圓柱沿與紙面 垂直的Z方向放置，周圍為高折射率材料。如圖1所示，相鄰兩空氣圓柱中心之間的距離稱 為晶格常數，長度為a。介質圓柱的半徑為r。這里，光子晶體波導通過改變光子晶體結構 中一排或一列空氣柱的半徑獲得。圖2為本發(fā)明的基于二維六角形晶格光子晶體的三重波分復用器件結構示意圖。 首先結合光子晶體的晶格常數和介質折射率，通過能帶計算，設計合適的光子晶體線缺陷 波導，選定三個波長1310nm，1490nm及1550nm對應的三個歸一化頻率，在這三個頻率，波 導都是單模傳輸。其次，設計基于這種二維光子晶體的折疊定向耦合器(11)，使得1550nm 波長光能夠直接從輸入波導(2)傳輸到第一通道，而1310nm及1490nm兩個波長光都 被該折疊定向耦合結構完全反射。設計基于這種二維光子晶體的FTTH用三重波分復用器件(Triplexer)，由四根光 子晶體線缺陷波導和兩個光子晶體點缺陷微腔構成。四根光子晶體線缺陷波導分別通過改 變一排介質柱半徑獲得，分別是輸入波導O)、第一通道G)、第二通道(6)以及第三通道(8)。兩個光子晶體點缺陷微腔分別通過改變某些近鄰介質柱的半徑獲得，其中一個用作波 長1490nm下路微腔(9)，另一個用作波長1310nm下路微腔(10)，兩個微腔分別放置在輸 入波導(2)兩側。第二通道(6)和第三通道(8)分別與1490nm下路微腔(9)和1310nm 下路微腔(10)相連。輸入波導( 末端與第一通道(4)通過一個折疊定向耦合器(11)相 連。調整這個折疊定向耦合器(11)可以使得1550nm波長光能夠直接從第一通道(4)傳 播到輸入波導O)。通過調整折疊定向耦合器中上方波導末端的空氣介質柱的位置可以 使得1490nm波長光完全下路到第二通道(6)。通過調整共振波長1490nm下路微腔(9)和 1310nm下路微腔(10)之間的輸入波導( 部分，即這段波導中兩側的介質柱半徑被增大或 者減小來調整反射反饋相位，可以使得1310nm波長光完全從第三通道(8)下路。如圖4所示，顯示了該三重波分復用器件結構的傳輸強度譜。即從輸入波導輸入 脈沖光，用有限時域差分法計算這個三重波分復用器件結構得到的傳輸強度譜。在歸一化 頻率 / = 0.22614(04),對應波長
1550nm，在該波長以高效率從輸入波導( 到第一通道，光路可逆，圖5 (a)顯示了該波 長連續(xù)光從第一通道(4)端口( 以高于95%效率傳輸到輸入波導( 端口(1)，這個穩(wěn)態(tài) 波長模式圖證實了這一點。在歸一化頻率/ = 023525(^:/^ ,對應波長1490nm，在該波長以 高效率從輸入波導( 端口(1)到傳輸到第二通道(6)端口(5)，圖5 (b)顯示了該波長連 續(xù)光從輸入波導( 端口(1)以高于95%效率傳輸到第二通道(6)端口(5)，這個穩(wěn)態(tài)波長 模式圖證實了這一點。在歸一化頻率/ = 0.267570:/4，對應波長1310nm，在該波長以高 于95%效率從輸入波導⑵端口⑴到第三通道⑶端口(7)，圖5 (c)顯示了該波長連續(xù) 光從輸入波導( 端口(1)以高效率傳輸到第三通道(8)端口(7)，這個穩(wěn)態(tài)波長模式圖證 實了這一點。實例二維六角形晶格光子晶體的三重波分復用器件。二維光子晶體由高折射率 介質平板上按六角形晶格排列的空氣孔圓柱構成，高折射率介質平板折射率是3. 42?？諝?介質圓柱半徑是0. 33a，這里a是晶格常數，等于350. 517爾。這種光子晶體僅僅有磁場方 向平行于介質柱的TE模光子帶隙存在，歸一化頻率范圍是0.222780.31392，這里 Λ是光在自由空間的波長。輸入波導(2)和第一通道(4)在χ方向通過去除一排空氣柱而 獲得，折疊定向耦合器(11)由輸入波導( 末端及第一通道(4)開始端平行放置而形成， 輸入波導(2)末端與完好的光子晶體晶格結構相連，第一通道(4)末端也與完好的光子晶 體晶格結構相連，兩波導之間相隔三排晶格排列，中間的一排晶格空氣介質柱半徑增大到 0.43,長度為&，如圖2所示。圖3顯示了這個波導構成的折疊定向耦合器(11)的色散關 系曲線，三個波長1310nm、1490nm以及1550nm的位置分別顯示在圖中的點虛線、虛線以及 實線位置，在歸一化頻率/ = 0.23 ;/句^p/ = 0.26757(C/a),即波長1490歷和1310·，
折疊定向耦合器(11)的奇偶超級模并沒有分裂，處于退耦點以上，所以從輸入波導(4)傳 輸到折疊定向耦合器(11)會發(fā)生完全的反射。結合圖3中折疊定向耦合器(11)的色散關 系曲線，在歸一化頻率/ = 0.22614(e/a),即波長1550nm，奇偶超級模的傳播常數A和總 分別是和0·46 ω(2 Γ/α),所以該波長能量光轉移長度為8.6a，該定向耦合 長度為所以第一通道中的輸入光幾乎完全傳輸到輸入波導O)中。
設計基于這種二維光子晶體的三重波分復用器件，由四根光子晶體線缺陷波導和 兩個光子晶體點缺陷微腔構成。四根光子晶體線缺陷波導分別通過改變一排介質柱半徑 獲得，分別是輸入波導O)、第一通道G)、第二通道(6)以及第三通道(8)。其中輸入波導 (2)和第一通道(4)分別通過去掉一排沿χ方向去除空氣孔圓柱介質獲得，而第二通道(6) 以及第三通道(8)則通過去除與χ方向成60度或120度角的一排空氣孔圓柱獲得。兩個 光子晶體點缺陷微腔分別通過改變某些近鄰介質柱的半徑獲得，其中一個用作波長1490nm 下路微腔(9)，另一個用作波長1310nm下路微腔(10)，兩個微腔分別放置在輸入波導兩 側。第二通道(6)和第三通道(8)分別與1490nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10) 相連。如圖2所示，用作波長1490nm下路微腔(9)中主要通過增大一個較大的空氣孔圓柱 半徑苧= 0. 而獲得，同時減少其下方緊鄰的兩個空氣圓柱孔半徑i n = i 12 =0. 。用 作波長1310nm下路微腔(10)中主要通過增大一個較大的空氣孔圓柱半徑乓=0.54a而獲 得，同時增大其下方緊鄰的一個空氣圓柱孔半徑^2 = ,除此之外其余最近鄰的五個 空氣圓柱半徑乓1 = 0.43,1310歷下路微腔(10)與第三通道(8)最近鄰的空氣圓柱半徑增 大到^3 = 0.352^。為了使得折疊定向耦合器(11)末端的反射光被完全正反饋到1490nm下 路微腔(9)，即從輸入波導(2)開始端的1490nm輸入光以高于95%的效率從第二通道(6) 下路，輸入波導(2)末端的介質空氣柱圓柱民從原有的晶格位置向左移動0. 1 ，如圖2所 示。為了使得折疊定向耦合器(11)末端的反射光被正反饋到1310nm下路微腔(10)，即從 輸入波導( 開始端的1310nm輸入光以高于95%的效率從第三通道(8)下路，在兩個微腔
之間的輸入波導兩側的空氣孔半徑被減小到及=0.29 ，被調整的這段距離是2a，如圖2 所示。如圖4所示，顯示了該三重波分復用器件結構的傳輸強度譜。即從輸入波導(2)輸 入脈沖光，用有限時域差分法計算這個三重波分復用器件結構得到的傳輸強度譜。在歸一 化頻率/ = 0.22614(^ ),對應波長1550nm，在該波長以高于95%的效率從第一通道(4)端 口(3)傳輸到輸入波導( 端口(1)，光路可逆，圖5 (a)顯示了該波長連續(xù)光從第一通道 ⑷端口⑶以高于95%的效率傳輸到輸入波導⑵端口(1)，這個穩(wěn)態(tài)波長模式圖證實了 這一點。在歸一化頻率/ =,對應波長1490nm，在該波長以高于95%的效率從 輸入波導( 端口(1)到傳輸到第二通道(4)端口(3)，圖5 (b)顯示了該波長連續(xù)光從輸 入波導( 端口(1)以高效率傳輸到第二通道(4)端口(3)，這個穩(wěn)態(tài)波長模式圖證實了這 一點。在歸一化頻率/ = 0.26757(C/ )，對應波長1310nm，在該波長以高于95%的效率從 輸入波導( 端口(1)到第三通道(8)端口(7)，圖5 (c)顯示了該波長連續(xù)光從輸入波導 (2)端口⑴以高于95%的效率傳輸到第三通道⑶端口(7)，這個穩(wěn)態(tài)波長模式圖證實了 這一點。
本發(fā)明的三重波分復用器件基于高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的光子晶體，能 夠實現1550nm波長光以95%效率上路，以及1310nm和1490nm兩個波長光的95%效率下 路。其優(yōu)點在于利用折疊耦合結構使得這個三重波分復用器件結構微小，在微米量級，能夠 應用在未來的光纖到戶(FTTH)接入網中作為三重波分復用器件。
權利要求
1.一種基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，其特征在于所述光子晶體三 重波分復用器采用高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的二維光子晶體，所述光子晶體三 重波分復用器包括四根光子晶體線缺陷波導和兩個光子晶體點缺陷微腔；所述四根光子 晶體線缺陷波導分別通過改變一排介質柱半徑獲得，分別是輸入波導O)、第一通道G)、 第二通道(6)以及第三通道(8)；所述兩個光子晶體點缺陷微腔分別通過改變某些近鄰介 質柱的半徑獲得，其中一個缺陷微腔為波長1490nm下路微腔(9)，另一個缺陷微腔為波長 1310nm下路微腔(10)，兩個微腔分別放置在輸入波導( 兩側；第二通道(6)和第三通 道⑶分別與1490nm nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)相連，輸入波導(2)末端 與第一通道(4)通過一個用以控制1550nm波長的信號直接從第一通道(4)傳播到輸入波 導O)的折疊定向耦合器(11)相連。
2.如權利要求1所述的基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，其特征在于 通過調整折疊定向耦合器(11)中上方波導末端的空氣介質柱的位置調整發(fā)射反饋相位， 使得1490nm波長的信號完全下路到第二通道(6)。
3.如權利要求1或2所述的基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，其特征在 于通過調整共振波長為1490nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)之間的輸入波 導(2)部分，即這段波導中兩側的介質柱半徑被增大或者減小來調整反射反饋相位，使得 1310nm波長光完全從第三通道(8)下路。
4.如權利要求1或2所述的基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，其特征在 于根據光子晶體的晶格常數和介質折射率計算能帶，光子晶體線缺陷波導選定三個波長 1310nm, 1490nm及1550nm對應的三個歸一化頻率，且波導都是單模傳輸。
全文摘要
一種基于光纖到戶應用的光子晶體三重波分復用器，采用高折射率平板上六角晶格空氣孔排列的二維光子晶體，光子晶體三重波分復用器包括四根光子晶體線缺陷波導和兩個光子晶體點缺陷微腔；四根光子晶體線缺陷波導分別是輸入波導、第一通道、第二通道以及第三通道；其中一個缺陷微腔為波長1490nm下路微腔，另一個缺陷微腔為波長1310nm下路微腔, 兩個微腔分別放置在輸入波導兩側；第二通道和第三通道分別與1310nm下路微腔和1490nm下路微腔相連，輸入波導末端與第一通道通過折疊定向耦合器相連。本發(fā)明便于制作、實用性強、具有微米量級并能應用到光纖到戶接入網中。
文檔編號G02B6/122GK102062898SQ201010549589
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2010年11月19日
發(fā)明者任宏亮, 劉愷, 吳哲夫, 溫浩, 覃亞麗 申請人:浙江工業(yè)大學