含異質(zhì)結(jié)構(gòu)三波長波分復(fù)用器設(shè)計(jì)

朱守偉++蔡天任++曹搖捷++李未

摘 要：將平行的兩光子晶體單模波導(dǎo)鄰近放置構(gòu)成一個(gè)光子晶體波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)。采用時(shí)域有限差分法，研究了基于耦合與解耦合理論設(shè)計(jì)了一種含異質(zhì)結(jié)構(gòu)三通道波分復(fù)用器。該器件不僅具有較高的透射率，而且能夠把三種不同波長的光束分開等優(yōu)點(diǎn)，這種器件在未來的光子集成回路中具有很高的應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：光子晶體 異質(zhì)結(jié)構(gòu) 波分復(fù)用器

中圖分類號(hào)：0734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0243-01

光子晶體是兩種或兩種以上的介電常數(shù)隨空間呈周期性變化人工材料。光子晶體受到布拉格散射作用會(huì)形成帶隙，只有在能帶中的光波才能通過光子晶體，而在帶隙中的光波則被不能通過。在完整的晶體中引入缺陷，缺陷會(huì)在禁帶中形成雜質(zhì)能級(jí)，由于缺陷具有局域性，所以會(huì)出現(xiàn)缺陷模。若缺陷連續(xù)分布將形成線性缺陷，對(duì)原來完整光子晶體不能通過的光則可以沿線缺陷傳播，就會(huì)形成光子晶體光波導(dǎo)。利用這種特性可設(shè)計(jì)出許多種光子晶體器件，如光開關(guān)，光濾波器，波分復(fù)用器及光功分器等。這些器件相對(duì)于傳統(tǒng)的光電器件，具有損耗小、體積小、易于集成，不受外界電磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)，為光電子器件向集成方向發(fā)展帶來了嶄新的應(yīng)用前景.

該文根據(jù)兩種不同折射率材料構(gòu)成的光子晶體波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型含異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體波導(dǎo)耦合三波長波分復(fù)用器。這種器件能夠把三個(gè)通信波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的光分開來，該器件具有較高的透射率，在未來的光子集成回路中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)由兩種不同折射率的材料構(gòu)成的三波長波分復(fù)用器，如圖1所示，其中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其它區(qū)域?yàn)?1.56。該結(jié)構(gòu)由三條不同的輸出波導(dǎo)構(gòu)成，分別標(biāo)記為A，B，C，光波由入射端輸入波導(dǎo)。

圖1器件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其他區(qū)域?yàn)?1.56。

取晶格常數(shù)a=0.610 μm，則三個(gè)波長的工作頻率分別為0.394，0.438和0.466，對(duì)應(yīng)的三個(gè)波長分別為1550nm、1390nm、1310 nm。當(dāng)它們從輸入端輸入時(shí)，由耦合和解耦合理論可知，當(dāng)區(qū)域#1的耦合長度為23a時(shí)，1390 nm和1550 nm將呈交叉態(tài)沿B波導(dǎo)傳輸，1310 nm的波長將沿A端口輸出。當(dāng)區(qū)域#2的耦合長度為21a時(shí)，則1550 nm將從端口C輸出。因此，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)利用了光子晶體兩波導(dǎo)系統(tǒng)的耦合和解耦合理論實(shí)現(xiàn)了三種不同波長的波分離。

采用時(shí)域有限差分法對(duì)該器件進(jìn)行計(jì)算，圖2為該器件穩(wěn)定輸出狀態(tài)時(shí)三個(gè)波長的電場幅度分布圖。從圖中可以看出，由于耦合和解耦合特性，當(dāng)三個(gè)波長經(jīng)過區(qū)域#1后，1550 nm和1390 nm沿B段傳輸，而1310 nm將沿A端傳輸，1550 nm在經(jīng)過區(qū)域#2后在C端輸出，可見模擬結(jié)果與上述討論結(jié)果一致。該器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)1550 nm、1390 nm、1310 nm三個(gè)波長的波分復(fù)用。

（圖2）電場幅度的穩(wěn)態(tài)分布圖：λ=1310nm；（b）λ=1390nm；（c） λ=1550nm。

同時(shí)還測量了三個(gè)波長的透射率，三個(gè)波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的透射率分別達(dá)到93%、95%、85%。但是波長為1550 nm的光透射效果不是很高，這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算1550 nm的波在兩耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的拍長為8.4a，而且光子晶體是離散型的周期性結(jié)構(gòu)，因此所設(shè)定的耦合長度必須為晶格常數(shù)的整數(shù)倍，因此，波長為1550 nm的光透射效果不是很好。

2 結(jié)語

該文基于兩平行光子晶體波導(dǎo)的耦合與解耦合特性，設(shè)計(jì)了一種含異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子晶體波分復(fù)用器。這種器件不僅能夠把波長為1310 nm、1390 nm、1550 nm的光分開來，而且它們的透射率都較高，這種器件在未來的光通信領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Ward.A.J，Pendry.J.B. Calculating photonic Green′s functions using a nonorthogonal finite-difference time-domain method[J].Phys.Rev.（B），1998， 58（11）：7252-7259.

[2] 徐旭明，李未，方利廣，等.基于自成像多模干涉的光子晶體波導(dǎo)1×2分束器[J].光通信研究，2008（6）：34-36.

[3] LIU T，ZAKRIAN A R， FALLAHI M，et al.Design of a compact photonic-crystal-based polarizing beam splitter [J].IEEE Photon.Technol.Lett， 2005，17（7）：1435-1437.

[4] 于天寶，王明華，江曉清，等.三平行光子晶體單模波導(dǎo)的耦合特性及其應(yīng)用[J]. 物理學(xué)報(bào)，2006，55（4）：1851-1855.

[5] 韓秀友，龐拂飛，蔡海文，等.平面彎曲波導(dǎo)耦合器的特性分析[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34（11）：1629-1631.endprint

摘 要：將平行的兩光子晶體單模波導(dǎo)鄰近放置構(gòu)成一個(gè)光子晶體波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)。采用時(shí)域有限差分法，研究了基于耦合與解耦合理論設(shè)計(jì)了一種含異質(zhì)結(jié)構(gòu)三通道波分復(fù)用器。該器件不僅具有較高的透射率，而且能夠把三種不同波長的光束分開等優(yōu)點(diǎn)，這種器件在未來的光子集成回路中具有很高的應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：光子晶體 異質(zhì)結(jié)構(gòu) 波分復(fù)用器

中圖分類號(hào)：0734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0243-01

光子晶體是兩種或兩種以上的介電常數(shù)隨空間呈周期性變化人工材料。光子晶體受到布拉格散射作用會(huì)形成帶隙，只有在能帶中的光波才能通過光子晶體，而在帶隙中的光波則被不能通過。在完整的晶體中引入缺陷，缺陷會(huì)在禁帶中形成雜質(zhì)能級(jí)，由于缺陷具有局域性，所以會(huì)出現(xiàn)缺陷模。若缺陷連續(xù)分布將形成線性缺陷，對(duì)原來完整光子晶體不能通過的光則可以沿線缺陷傳播，就會(huì)形成光子晶體光波導(dǎo)。利用這種特性可設(shè)計(jì)出許多種光子晶體器件，如光開關(guān)，光濾波器，波分復(fù)用器及光功分器等。這些器件相對(duì)于傳統(tǒng)的光電器件，具有損耗小、體積小、易于集成，不受外界電磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)，為光電子器件向集成方向發(fā)展帶來了嶄新的應(yīng)用前景.

該文根據(jù)兩種不同折射率材料構(gòu)成的光子晶體波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型含異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體波導(dǎo)耦合三波長波分復(fù)用器。這種器件能夠把三個(gè)通信波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的光分開來，該器件具有較高的透射率，在未來的光子集成回路中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)由兩種不同折射率的材料構(gòu)成的三波長波分復(fù)用器，如圖1所示，其中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其它區(qū)域?yàn)?1.56。該結(jié)構(gòu)由三條不同的輸出波導(dǎo)構(gòu)成，分別標(biāo)記為A，B，C，光波由入射端輸入波導(dǎo)。

圖1器件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其他區(qū)域?yàn)?1.56。

取晶格常數(shù)a=0.610 μm，則三個(gè)波長的工作頻率分別為0.394，0.438和0.466，對(duì)應(yīng)的三個(gè)波長分別為1550nm、1390nm、1310 nm。當(dāng)它們從輸入端輸入時(shí)，由耦合和解耦合理論可知，當(dāng)區(qū)域#1的耦合長度為23a時(shí)，1390 nm和1550 nm將呈交叉態(tài)沿B波導(dǎo)傳輸，1310 nm的波長將沿A端口輸出。當(dāng)區(qū)域#2的耦合長度為21a時(shí)，則1550 nm將從端口C輸出。因此，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)利用了光子晶體兩波導(dǎo)系統(tǒng)的耦合和解耦合理論實(shí)現(xiàn)了三種不同波長的波分離。

采用時(shí)域有限差分法對(duì)該器件進(jìn)行計(jì)算，圖2為該器件穩(wěn)定輸出狀態(tài)時(shí)三個(gè)波長的電場幅度分布圖。從圖中可以看出，由于耦合和解耦合特性，當(dāng)三個(gè)波長經(jīng)過區(qū)域#1后，1550 nm和1390 nm沿B段傳輸，而1310 nm將沿A端傳輸，1550 nm在經(jīng)過區(qū)域#2后在C端輸出，可見模擬結(jié)果與上述討論結(jié)果一致。該器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)1550 nm、1390 nm、1310 nm三個(gè)波長的波分復(fù)用。

（圖2）電場幅度的穩(wěn)態(tài)分布圖：λ=1310nm；（b）λ=1390nm；（c） λ=1550nm。

同時(shí)還測量了三個(gè)波長的透射率，三個(gè)波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的透射率分別達(dá)到93%、95%、85%。但是波長為1550 nm的光透射效果不是很高，這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算1550 nm的波在兩耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的拍長為8.4a，而且光子晶體是離散型的周期性結(jié)構(gòu)，因此所設(shè)定的耦合長度必須為晶格常數(shù)的整數(shù)倍，因此，波長為1550 nm的光透射效果不是很好。

2 結(jié)語

該文基于兩平行光子晶體波導(dǎo)的耦合與解耦合特性，設(shè)計(jì)了一種含異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子晶體波分復(fù)用器。這種器件不僅能夠把波長為1310 nm、1390 nm、1550 nm的光分開來，而且它們的透射率都較高，這種器件在未來的光通信領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Ward.A.J，Pendry.J.B. Calculating photonic Green′s functions using a nonorthogonal finite-difference time-domain method[J].Phys.Rev.（B），1998， 58（11）：7252-7259.

[2] 徐旭明，李未，方利廣，等.基于自成像多模干涉的光子晶體波導(dǎo)1×2分束器[J].光通信研究，2008（6）：34-36.

[3] LIU T，ZAKRIAN A R， FALLAHI M，et al.Design of a compact photonic-crystal-based polarizing beam splitter [J].IEEE Photon.Technol.Lett， 2005，17（7）：1435-1437.

[4] 于天寶，王明華，江曉清，等.三平行光子晶體單模波導(dǎo)的耦合特性及其應(yīng)用[J]. 物理學(xué)報(bào)，2006，55（4）：1851-1855.

[5] 韓秀友，龐拂飛，蔡海文，等.平面彎曲波導(dǎo)耦合器的特性分析[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34（11）：1629-1631.endprint

摘 要：將平行的兩光子晶體單模波導(dǎo)鄰近放置構(gòu)成一個(gè)光子晶體波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)。采用時(shí)域有限差分法，研究了基于耦合與解耦合理論設(shè)計(jì)了一種含異質(zhì)結(jié)構(gòu)三通道波分復(fù)用器。該器件不僅具有較高的透射率，而且能夠把三種不同波長的光束分開等優(yōu)點(diǎn)，這種器件在未來的光子集成回路中具有很高的應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：光子晶體 異質(zhì)結(jié)構(gòu) 波分復(fù)用器

中圖分類號(hào)：0734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0243-01

光子晶體是兩種或兩種以上的介電常數(shù)隨空間呈周期性變化人工材料。光子晶體受到布拉格散射作用會(huì)形成帶隙，只有在能帶中的光波才能通過光子晶體，而在帶隙中的光波則被不能通過。在完整的晶體中引入缺陷，缺陷會(huì)在禁帶中形成雜質(zhì)能級(jí)，由于缺陷具有局域性，所以會(huì)出現(xiàn)缺陷模。若缺陷連續(xù)分布將形成線性缺陷，對(duì)原來完整光子晶體不能通過的光則可以沿線缺陷傳播，就會(huì)形成光子晶體光波導(dǎo)。利用這種特性可設(shè)計(jì)出許多種光子晶體器件，如光開關(guān)，光濾波器，波分復(fù)用器及光功分器等。這些器件相對(duì)于傳統(tǒng)的光電器件，具有損耗小、體積小、易于集成，不受外界電磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)，為光電子器件向集成方向發(fā)展帶來了嶄新的應(yīng)用前景.

該文根據(jù)兩種不同折射率材料構(gòu)成的光子晶體波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型含異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體波導(dǎo)耦合三波長波分復(fù)用器。這種器件能夠把三個(gè)通信波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的光分開來，該器件具有較高的透射率，在未來的光子集成回路中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)由兩種不同折射率的材料構(gòu)成的三波長波分復(fù)用器，如圖1所示，其中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其它區(qū)域?yàn)?1.56。該結(jié)構(gòu)由三條不同的輸出波導(dǎo)構(gòu)成，分別標(biāo)記為A，B，C，光波由入射端輸入波導(dǎo)。

圖1器件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其他區(qū)域?yàn)?1.56。

取晶格常數(shù)a=0.610 μm，則三個(gè)波長的工作頻率分別為0.394，0.438和0.466，對(duì)應(yīng)的三個(gè)波長分別為1550nm、1390nm、1310 nm。當(dāng)它們從輸入端輸入時(shí)，由耦合和解耦合理論可知，當(dāng)區(qū)域#1的耦合長度為23a時(shí)，1390 nm和1550 nm將呈交叉態(tài)沿B波導(dǎo)傳輸，1310 nm的波長將沿A端口輸出。當(dāng)區(qū)域#2的耦合長度為21a時(shí)，則1550 nm將從端口C輸出。因此，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)利用了光子晶體兩波導(dǎo)系統(tǒng)的耦合和解耦合理論實(shí)現(xiàn)了三種不同波長的波分離。

采用時(shí)域有限差分法對(duì)該器件進(jìn)行計(jì)算，圖2為該器件穩(wěn)定輸出狀態(tài)時(shí)三個(gè)波長的電場幅度分布圖。從圖中可以看出，由于耦合和解耦合特性，當(dāng)三個(gè)波長經(jīng)過區(qū)域#1后，1550 nm和1390 nm沿B段傳輸，而1310 nm將沿A端傳輸，1550 nm在經(jīng)過區(qū)域#2后在C端輸出，可見模擬結(jié)果與上述討論結(jié)果一致。該器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)1550 nm、1390 nm、1310 nm三個(gè)波長的波分復(fù)用。

（圖2）電場幅度的穩(wěn)態(tài)分布圖：λ=1310nm；（b）λ=1390nm；（c） λ=1550nm。

同時(shí)還測量了三個(gè)波長的透射率，三個(gè)波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的透射率分別達(dá)到93%、95%、85%。但是波長為1550 nm的光透射效果不是很高，這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算1550 nm的波在兩耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的拍長為8.4a，而且光子晶體是離散型的周期性結(jié)構(gòu)，因此所設(shè)定的耦合長度必須為晶格常數(shù)的整數(shù)倍，因此，波長為1550 nm的光透射效果不是很好。

2 結(jié)語

該文基于兩平行光子晶體波導(dǎo)的耦合與解耦合特性，設(shè)計(jì)了一種含異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子晶體波分復(fù)用器。這種器件不僅能夠把波長為1310 nm、1390 nm、1550 nm的光分開來，而且它們的透射率都較高，這種器件在未來的光通信領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Ward.A.J，Pendry.J.B. Calculating photonic Green′s functions using a nonorthogonal finite-difference time-domain method[J].Phys.Rev.（B），1998， 58（11）：7252-7259.

[2] 徐旭明，李未，方利廣，等.基于自成像多模干涉的光子晶體波導(dǎo)1×2分束器[J].光通信研究，2008（6）：34-36.

[3] LIU T，ZAKRIAN A R， FALLAHI M，et al.Design of a compact photonic-crystal-based polarizing beam splitter [J].IEEE Photon.Technol.Lett， 2005，17（7）：1435-1437.

[4] 于天寶，王明華，江曉清，等.三平行光子晶體單模波導(dǎo)的耦合特性及其應(yīng)用[J]. 物理學(xué)報(bào)，2006，55（4）：1851-1855.

[5] 韓秀友，龐拂飛，蔡海文，等.平面彎曲波導(dǎo)耦合器的特性分析[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34（11）：1629-1631.endprint