專利名稱：基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器及其設(shè)計方 法，涉及光子晶體與光通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)快速增長和通訊器件向微型化發(fā)展和集成化發(fā)展趨勢，使得利 用新型的微型化光子晶體器件擴大網(wǎng)絡(luò)容量成了當(dāng)務(wù)之急。擴大光纖容量的主要技術(shù)有電 時分復(fù)用，光時分復(fù)用，波分復(fù)用及光孤子等。波分復(fù)用技術(shù)由于不需要鋪設(shè)新的光纖線路 就可以擴大光纖通信容量，網(wǎng)絡(luò)升級便捷，可以利用現(xiàn)有電網(wǎng)絡(luò)疊加到光網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點，成為 當(dāng)前擴大光纖通信容量的廣泛應(yīng)用技術(shù)。目前制作波分復(fù)用器件技術(shù)按照不同的制作方法 有棱鏡法，熔融拉錐法，干涉膜濾光法，衍射光柵法。這些利用常規(guī)波導(dǎo)制造的波分復(fù)用器 一般體積較大，插入損耗和光隔離度都不夠理想。光子晶體是一種折射率周期性變化的光物理功能新材料。當(dāng)電磁波在其中傳播時 由于布拉格散射，電磁波會受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶叫光子能帶。光子能帶之間 存在帶隙，即光子帶隙，頻率在光子晶體帶隙內(nèi)的光不能通過光子晶體。在完整二維光子晶 體中引入缺陷，光子晶體會出現(xiàn)缺陷模。若缺陷是一條直線分布，就會形成線性缺陷也就是 光子晶體波導(dǎo)(PCW)，處于光子晶體禁帶中的光可以沿光波導(dǎo)傳播，能帶圖上反映為在光子 晶體帶隙中出現(xiàn)一個波導(dǎo)模式。多模干涉是指當(dāng)光子晶體中存在兩個或兩個以上的波導(dǎo)時，在光子晶體帶隙中就 會出現(xiàn)多個波導(dǎo)模式，根據(jù)多模干涉自成像效應(yīng)，輸入光場進入多模波導(dǎo)時，將激發(fā)波導(dǎo)中 的多個模式。各導(dǎo)模在傳輸過程中，由于傳播常數(shù)不同而產(chǎn)生不同的相移，相互干涉，因而 具有不同的空間輸出?；诙嗄８缮骜詈夏Ｊ嚼碚撛O(shè)計的光子晶體器件具有體積小，易于 集成，系統(tǒng)不受外界電磁干擾，插入損耗小及光隔離度高等優(yōu)點，適用于集成光路，為光子 晶體器件向高集成化發(fā)展提供很有前景的途徑。目前光子晶體波分復(fù)用器主要有一維光柵光纖型，一維層狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)光偏移型， 光子晶體缺陷型，基于超棱鏡現(xiàn)象的波分復(fù)用器還有基于光子晶體波導(dǎo)耦合型。在所有波 分復(fù)用器件中，基于光子晶體波導(dǎo)耦合型波分復(fù)用器具有體積小，損耗小，設(shè)計原理簡單等 特點，目前對這類器件研究應(yīng)用很少。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供了一種基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分 復(fù)用器，該波分復(fù)用器采用耦合區(qū)多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可工作在四個預(yù)設(shè)頻率處，具有高隔離度 和低插入損耗，且器件體積小。技術(shù)方案為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)快速增長和通訊器件向微型化發(fā)展和集成化發(fā)展趨 勢，克服利用傳統(tǒng)光纖波導(dǎo)制作波分復(fù)用器件體積大，插入損耗及光隔離度性能參數(shù)不夠 理想的缺點，本發(fā)明提出了一種基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器，利用光
3子晶體具有光子禁帶實現(xiàn)對光的濾波，而且體具有積小、易于集成的特點，基于多模干涉自 成像特點實現(xiàn)解波分復(fù)用功能，具有小的插入損耗和高的光隔離度，適合未來微型化的光 通信器件發(fā)展。本發(fā)明的基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器包括二維周期排列的 介質(zhì)柱光子晶體以及位于介質(zhì)柱光子晶體之間的單模輸入波導(dǎo)、第一多模干涉耦合區(qū)、第 二多模干涉耦合區(qū)、第三多模干涉耦合區(qū)、第一單模輸出波導(dǎo)、第二單模輸出波導(dǎo)、第三單 模輸出波導(dǎo)、第四單模輸出波導(dǎo)；波長不同的四個光波分別經(jīng)過單模輸入波導(dǎo)，再通過第一 多模干涉耦合區(qū)、第二多模干涉耦合區(qū)、第三多模干涉耦合區(qū)時，不同波長的光波具有各自 的耦合拍長在對應(yīng)位置處成像，形成不同的模場分布，再由第一單模輸出波導(dǎo)、第二單模輸 出波導(dǎo)、第三單模輸出波導(dǎo)(8)、第四單模輸出波導(dǎo)分別輸出四個不同波長光波。二維周期排列的介質(zhì)柱光子晶體是沿X-Z平面呈正方周期性分布的介質(zhì)柱型 GaAs光子晶體，單模輸入波導(dǎo)、第一單模輸出波導(dǎo)、第二單模輸出波導(dǎo)、第三單模輸出波導(dǎo)、 第四單模輸出波導(dǎo)是在二維光子晶體中去除一排介質(zhì)柱所獲得的；第一多模干涉耦合區(qū)、 第二多模干涉耦合區(qū)、第三多模干涉耦合區(qū)是在完整光子晶體中去除兩排介質(zhì)柱形成兩波 導(dǎo)且兩波導(dǎo)間隔一排介質(zhì)柱所形成的，第一多模干涉耦合區(qū)、第二多模干涉耦合區(qū)、第三多 模干涉耦合區(qū)長度由不同的解復(fù)用波長所決定。利用多模干涉原理，不同波長光波同時入射到相同長度的多模干涉區(qū)因各自有不 同的耦合拍長導(dǎo)致在出射時不同光波能量分布在不同的位置，當(dāng)滿足拍長偶數(shù)倍時呈正 像輸出，當(dāng)滿足拍長奇數(shù)倍時呈鏡像輸出；所述的基于多模干涉理論的二維光子晶體四波 長波分復(fù)用器利用多模干涉區(qū)耦合區(qū)多級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得四種不同頻率的波長經(jīng)過多模 干涉耦合區(qū)后成像位置不同，分別由單模輸出波導(dǎo)輸出，實現(xiàn)四波長解波分復(fù)用的作用。首先通過調(diào)節(jié)耦合區(qū)兩波導(dǎo)間介質(zhì)柱半徑大小，增強模式間耦合作用，減小耦合 拍長使器件結(jié)構(gòu)更加緊湊；其次由于耦合長度的設(shè)計必須是晶格常數(shù)的整數(shù)倍，與理論的 成像位置有一定誤差，通過調(diào)節(jié)耦合區(qū)兩波導(dǎo)間介質(zhì)柱半徑大小，提高通道隔離度及減小 插入損耗，使性能參數(shù)優(yōu)化。有益效果本發(fā)明提出的一種基于多模干涉理論的二維光子晶體四波長波分復(fù)用 器，利用多模干涉自成像效應(yīng)，輸入光場進入多模波導(dǎo)時，將激發(fā)波導(dǎo)中的多個模式。各導(dǎo) 模在傳輸過程中，由于傳播常數(shù)不同而產(chǎn)生不同的相移，相互干涉，因而具有不同的空間輸 出。本發(fā)明采用多級級聯(lián)耦合的結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)四種波長光波解復(fù)用。通過微調(diào)結(jié)構(gòu)使性能 參數(shù)優(yōu)化，提高通道隔離度及減小插入損耗。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，易與其他器件實現(xiàn)集成。


圖1是本發(fā)明二維光子晶體四波長波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)圖，其中實線方框A區(qū)內(nèi)的 介質(zhì)柱大小為rdl = 0. 15a,實線方框B區(qū)內(nèi)的介質(zhì)柱大小為rd2 = 0. 17a,實線方框C區(qū) 內(nèi)的介質(zhì)柱大小為r = 0. 18a，a為晶格常數(shù)；介質(zhì)柱光子晶體1、單模輸入波導(dǎo)2、第一多模 干涉耦合區(qū)3、第二多模干涉耦合區(qū)4、第三多模干涉耦合區(qū)5、第一單模輸出波導(dǎo)6、第二單 模輸出波導(dǎo)7、第三單模輸出波導(dǎo)8、第四單模輸出波導(dǎo)9。圖2a是單模波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b是多模波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a是單模波導(dǎo)色散關(guān)系曲線圖；圖3b是第一多模干涉耦合區(qū)3、第二多模干涉耦合區(qū)4、第三多模干涉耦合區(qū)5的色散關(guān)系曲線；圖3c是圖3b的局部放大圖。圖4中的圖4a、圖4b、圖4c、圖4d是通過FDTD算法得到的各預(yù)設(shè)波長在二維光子 晶體四波長波分復(fù)用器中的場能量分布圖。
具體實施例方式本發(fā)明的基于多模干涉理論的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器主要包括二維周 期排列的介質(zhì)柱光子晶體、單模輸入波導(dǎo)、多模干涉耦合區(qū)、單模輸出波導(dǎo)；波長不同的四 個光波經(jīng)過單模輸入波導(dǎo)，通過多模干涉耦合區(qū)，由于不同波長的光波具有不同的耦合拍 長，形成不同位置的像，再由單模輸出波導(dǎo)分別輸出這四個不同波長光波。二維周期排列的介質(zhì)柱光子晶體是沿X-Z平面呈正方周期性分布的介質(zhì)柱型 GaAs光子晶體，單模波導(dǎo)是在二維光子晶體中去除一排介質(zhì)柱所獲得的；多模干涉耦合區(qū) 是在完整光子晶體中去除兩排介質(zhì)柱形成兩波導(dǎo)且兩波導(dǎo)間隔一排介質(zhì)柱所獲得的。多模 干涉耦合區(qū)長度由不同的解復(fù)用波長所決定。本發(fā)明利用多模干涉自成像效應(yīng)，輸入光場進入多模波導(dǎo)時，將激發(fā)波導(dǎo)中的多 個模式。各導(dǎo)模在傳輸過程中，由于傳播常數(shù)不同而產(chǎn)生不同的相移，相互干涉，因而具有 不同的空間輸出。當(dāng)耦合區(qū)長度滿足拍長偶數(shù)倍時呈正像輸出，當(dāng)滿足拍長奇數(shù)倍時呈鏡 像輸出。所述的基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器利用多模干涉區(qū)耦合多級 級聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得四種不同頻率的波長經(jīng)過多模干涉區(qū)耦合后形成不同位置的像，分別由單 模輸出波導(dǎo)輸出，實現(xiàn)四波長解復(fù)用的作用。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)第一多模干涉耦合區(qū)3兩波導(dǎo)間介質(zhì)柱半徑大小，增強模式間耦 合作用，減小耦合拍長使器件結(jié)構(gòu)更加緊湊；耦合長度的設(shè)計必須是晶格常數(shù)的整數(shù)倍，與 理論的成像位置有一定誤差，通過調(diào)節(jié)第二多模干涉耦合區(qū)4兩波導(dǎo)間介質(zhì)柱半徑大小， 提高通道隔離度及減小插入損耗，使性能參數(shù)優(yōu)化。本發(fā)明提供了一種基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器，實施包括如 下步驟1.選定材料，確定材料折射率，選擇光子晶體晶格類型，確定介質(zhì)柱大??；具體參數(shù)為選擇沿X-Z平面呈正方周期性分布的二維介質(zhì)柱型GaAs光子晶體， 介電常數(shù)ε = 11.56，晶格常數(shù)a = 0.5764ym，介質(zhì)柱半徑為r/a = 0.18，為了提高性能 參數(shù)且使結(jié)構(gòu)更加緊湊，微調(diào)部分介質(zhì)柱半徑大小。調(diào)整處有第一多模干涉耦合區(qū)3中兩 波導(dǎo)間的一排介質(zhì)柱半徑rdl = 0. 15a，如圖1方框A內(nèi)所示；第三多模干涉耦合區(qū)5中兩 波導(dǎo)間的一排介質(zhì)柱半徑rd2 = 0. 17a，如圖1方框B內(nèi)所示。2.在光子晶體中引入線缺陷構(gòu)成單模波導(dǎo)和多模波導(dǎo)，并利用平面波展開法計算 波導(dǎo)的色散曲線；由圖2所示在光子晶體中沿光傳播方向(Z軸)移去一排介質(zhì)柱構(gòu)成單模波導(dǎo)，
去掉兩排介質(zhì)柱形成兩波導(dǎo)且波導(dǎo)間隔一排介質(zhì)柱形成多模耦合波導(dǎo)，其中第一多模干涉
耦合區(qū)3、第三多模干涉耦合區(qū)5介質(zhì)柱半徑大小如步驟1所述。以圖1所示虛線框內(nèi)結(jié)構(gòu)
作為超元胞，采用平面波展開法計算出TE模色散關(guān)系曲線圖3所示，上下陰影部分為完整
晶格結(jié)構(gòu)允許帶，光子帶隙分布在歸一化頻率
權(quán)利要求
1.一種基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器，其特征在于該光子晶體四波 長波分復(fù)用器包括二維周期排列的介質(zhì)柱光子晶體(1)以及位于介質(zhì)柱光子晶體(1)之間 的單模輸入波導(dǎo)(2)、第一多模干涉耦合區(qū)(3)、第二多模干涉耦合區(qū)(4)、第三多模干涉耦 合區(qū)(5)、第一單模輸出波導(dǎo)(6)、第二單模輸出波導(dǎo)(7)、第三單模輸出波導(dǎo)(8)、第四單模 輸出波導(dǎo)(9)；波長不同的四個光波分別經(jīng)過單模輸入波導(dǎo)(2)，再通過第一多模干涉耦合 區(qū)(3)、第二多模干涉耦合區(qū)(4)、第三多模干涉耦合區(qū)(5)時，不同波長的光波具有各自的 耦合拍長在對應(yīng)位置處成像，形成不同的模場分布，再由第一單模輸出波導(dǎo)(6)、第二單模 輸出波導(dǎo)(7)、第三單模輸出波導(dǎo)(8)、第四單模輸出波導(dǎo)(9)分別輸出四個不同波長光波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器，其特征在 于二維周期排列的介質(zhì)柱光子晶體(1)是沿X-Z平面呈正方周期性分布的介質(zhì)柱型GaAs 光子晶體，單模輸入波導(dǎo)(2)、第一單模輸出波導(dǎo)(6)、第二單模輸出波導(dǎo)(7)、第三單模輸 出波導(dǎo)(8)、第四單模輸出波導(dǎo)(9)是在二維光子晶體中去除一排介質(zhì)柱所獲得的；第一 多模干涉耦合區(qū)(3)、第二多模干涉耦合區(qū)(4)、第三多模干涉耦合區(qū)(5)是在完整光子晶 體中去除兩排介質(zhì)柱形成兩波導(dǎo)且兩波導(dǎo)間隔一排介質(zhì)柱所形成的，第一多模干涉耦合區(qū) (3)、第二多模干涉耦合區(qū)(4)、第三多模干涉耦合區(qū)(5)長度由不同的解復(fù)用波長所決定。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于多模干涉的二維光子晶體四波長波分復(fù)用器，該光子晶體四波長波分復(fù)用器包括二維周期排列的介質(zhì)柱光子晶體(1)以及位于介質(zhì)柱光子晶體(1)之間的單模輸入波導(dǎo)(2)、第一多模干涉耦合區(qū)(3)、第二多模干涉耦合區(qū)(4)、第三多模干涉耦合區(qū)(5)、第一單模輸出波導(dǎo)(6)、第二單模輸出波導(dǎo)(7)、第三單模輸出波導(dǎo)(8)、第四單模輸出波導(dǎo)(9)。其中通過微調(diào)耦合區(qū)介質(zhì)柱半徑大小，使器件結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能參數(shù)更加優(yōu)化。
文檔編號G02B6/122GK102116905SQ20111000424
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者金曉君, 陳鶴鳴 申請人:南京郵電大學(xué)