基于光子晶體環(huán)形腔的光分插復用器

王偉駿,季珂,陳鶴鳴

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

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基于光子晶體環(huán)形腔的光分插復用器

王偉駿,季珂,陳鶴鳴

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

摘要:提出了一種基于光子晶體環(huán)形腔的OADM(光分插復用器),采用正方晶格光子晶體結構,通過線缺陷與環(huán)形腔的耦合實現(xiàn)光分插復用,利用環(huán)形腔的頻率選擇功能實現(xiàn)對特定頻率光波的上/下載。仿真結果表明,當入射端口有多個波長的光波入射時,該OADM可以上/下載波長為1 554.9 nm的光波,上/下載率為98.23%,插入損耗為0.077 55 dB,信道隔離度分別為33.37和32.98 dB。該器件性能優(yōu)良,對光通信集成器件的發(fā)展具有參考意義。

關鍵詞:正方晶格;光子晶體;諧振頻率;濾波器;環(huán)形腔

0　引 言

OADM(光分插復用器)是光波分復用通信系統(tǒng)中的關鍵器件。在基于傳統(tǒng)平板波導微環(huán)的OADM中,微環(huán)尺寸越小,彎曲損耗越大,因此無法通過減小器件尺寸來提高器件的集成度。如果微環(huán)尺寸較大,而微環(huán)內部的諧振態(tài)是多模的,將導致濾波的自由光譜范圍較小。環(huán)形腔具有結構簡單、集成度高和靈活性強等優(yōu)點,可以實現(xiàn)濾波、分束和波分復用等功能。光子晶體具有光子帶隙和光子局域的特性,利用光子晶體制作的環(huán)形腔諧振器具有品質因數(shù)高、自由光譜范圍大等優(yōu)點。因此,基于光子晶體的分插濾波器研究也逐步興起。

OADM可實現(xiàn)光網(wǎng)絡的動態(tài)重構,主要分為基于光濾波器型和基于光開關型兩種。文獻[1-15]所設計的OADM屬于基于光濾波器型,其存在上/下載率較低、插入損耗較高和信道隔離度較低等缺點。文獻[16-18]設計的OADM屬于基于光開關型,其插入損耗與信道隔離度均不理想。

本文在文獻[1-2]的基礎上,提出了一種基于3×3內部正方形介質柱、帶有4個散射介質柱的光子晶體環(huán)形腔OADM。通過改變環(huán)形腔周圍20個耦合介質柱的半徑和環(huán)形腔內正方形介質柱的邊長,使得光波在環(huán)形諧振腔中耦合區(qū)的耦合強度發(fā)生改變,從而在1 550 nm波長周圍得到一個透射率最高的波進行下載。采用Rsoft軟件進行仿真,結果表明,所設計的OADM上/下載率為98.23%,插入損耗為0.077 55 dB,信道隔離度分別為33.37和32.98 dB,其性能指標均優(yōu)于文獻[1-2]給出的指標。

1　結構模型和上/下載機理

1.1OADM結構

本文研究第三通信波段范圍的OADM,將無限長的介質柱按正方晶格結構周期性地排列在空氣背景中構成完整的光子晶體。由于正方晶格具有較高的對稱性,因此形成環(huán)狀結構的傳輸性能更好。圖1所示為所設計OADM的結構示意圖,去掉一圈介質柱形成一個由3×3正方形介質柱構成的光子晶體環(huán)形腔結構,為了減小光波在環(huán)形腔拐角處的反射對光波傳輸?shù)挠绊?在4個拐角處各設置一個散射介質柱,使拐角變得平滑。同時,在環(huán)形腔的上下兩側各對稱地去掉一行介質柱,形成兩條平行的光子晶體波導。圖中,環(huán)形腔周圍的上下10個介質柱和左右10個介質柱分別為接下來將要研究的兩排耦合介質柱;環(huán)形腔4個角的4個黑色介質柱為散射介質柱;環(huán)形腔中間的9個正方形介質柱為內部介質柱。將4個端口分別命名為A、B、C、D端口。AB為主波導,OC為下載波導,OD為上載波導。C、D分別為下/上載端口,A、B分別為主波導的入/出射端口。

圖1　光子晶體環(huán)形腔OADM結構示意圖

該OADM結構的參數(shù)如下:背景材料為空氣,折射率n=1;介質柱材料為Si,折射率n=3.4;晶格常數(shù)a=540 nm;圓柱形介質柱半徑r=0.185a= 0.099 9μm;內部9個正方形介質柱的邊長為R= 2r=0.199 8μm。通過平面波展開法計算得到光子晶體禁帶的歸一化頻率a/λ范圍為0.295 70～ 0.433 24,對應的波長范圍為1 246.4 ～ 1 826.2 nm。

1.2上/下載機理

(1)下載機理:多波長復用信號在主波導AB中傳播,當波長為1 554.9 nm的光波傳輸?shù)江h(huán)形腔位置時,由于光波頻率等于該環(huán)形腔的諧振頻率,它將被環(huán)形腔耦合到下載波導OC。這樣就通過環(huán)形諧振腔的頻率選擇功能實現(xiàn)了對特定頻率光波的下載。

(2)上載機理:在不影響其他波長信號傳播的前提下,當需要將本地用戶發(fā)往其他節(jié)點的波長信號耦合送入復用信道中時,將1 554.9 nm的光波從波導DO輸入,當該光波傳輸?shù)江h(huán)形腔位置時,由于光波頻率等于該環(huán)形腔的諧振頻率,它將被環(huán)形腔耦合到主波導AB中,從而實現(xiàn)上載功能。

2　結構參數(shù)對OADM的影響

以端口A作為輸入端口輸入光波,在C端口設置一個監(jiān)測器,記錄該端口的輸出能量值。

2.1正方形介質柱邊長R變化對OADM的影響

當圓柱形介質柱半徑r為0.099 9μm時,研究R從0.169 8μm變化到0.199 8μm對透射譜的影響,如圖2所示。

圖2　正方形內介質柱邊長R變化對透射譜的影響

由圖可以看出,通過改變R,可以改變共振波長,從而輸出不同波長的光波。當R增大時,透射譜向長波長方向移動。當R為0.189 8μm時,可對波長為1 554.9 nm的光波進行下載。

2.2上下兩排耦合介質柱半徑變化對OADM的影響

固定R=0.189 8μm,研究上下兩排耦合介質柱半徑變化對透射譜的影響。如圖3所示,耦合介質柱半徑變化范圍為0.095 9～0.098 9μm,波形自上而下依次對應耦合介質柱半徑為0.095 9、0.096 9、0.097 9和0.098 9μm。

圖3　耦合介質柱半徑變化對透射譜的影響

由圖可以看出,通過改變環(huán)形諧振腔中的上下10個耦合介質柱的半徑,可以改變特定波長的透射強度。當上下兩排耦合介質柱半徑為0.095 9μm 時,波長為1 554.9 nm的光波的透射強度最高。

2.3左右兩排耦合介質柱半徑變化對OADM的影響

固定R=0.189 8μm,上下兩排耦合介質柱半徑為0.095 9μm,研究左右兩排10個耦合介質柱半徑變化對透射譜的影響。如圖4所示,耦合介質柱半徑的變化范圍為0.089 9～0.093 9μm,圖中波形自上而下依次對應耦合介質柱半徑為0.093 9、0.092 9、0.091 9、0.090 9和0.089 9μm。

圖4　耦合介質柱半徑變化對透射譜的影響

由圖可以看出,通過改變環(huán)形諧振腔中的左右10個耦合介質柱的半徑,可以改變特定波長的透射強度。當耦合介質柱半徑為0.093 9μm時,波長為1 554.9 nm的光波的透射強度最高。

2.4優(yōu)化結構參數(shù)后的環(huán)形腔參數(shù)

圖5所示為優(yōu)化結構后的環(huán)形腔參數(shù)。9個正方形內介質柱的邊長為0.189 8μm;上下兩排10個耦合介質柱的半徑為0.095 9μm,左右兩排10個耦合介質柱的半徑為0.093 9μm;位于4個角的黑色散射介質柱的半徑與整體介質柱的半徑r一樣,都為0.099 9μm。器件背景材料為空氣,折射率n=1;介質柱材料為Si,折射率n=3.4;晶格常數(shù)a=540 nm。

圖5　優(yōu)化結構參數(shù)后的環(huán)形腔參數(shù)示意圖

3　仿真結果及性能分析

(1)上/下載率

用Rsoft軟件進行仿真計算,結果表明,所設計OADM上/下載光波的波長為1 554.9 nm,上/下載率高達98.23%,時域穩(wěn)態(tài)響應圖和對應的上/下載穩(wěn)態(tài)場強分布圖分別如圖6、圖7所示。

(2)插入損耗

插入損耗是指光波在傳輸過程中造成的傳輸損耗,是評價OADM性能的重要指標,可表示為

圖6　入射波長為1 554.9 nm時的時域穩(wěn)態(tài)響應圖

圖7　對波長為1 554.9 nm的波進行上/下載時的穩(wěn)態(tài)場強分布圖

式中,Iin為上/下載前的傳輸光強,Ioutmax為上/下載后的最大傳輸光強。這個定義實質上是將OADM作為傳輸波導,從而計算光波在OADM中的傳輸損耗。

由圖6可知,當OADM處于光下載且下載狀態(tài)穩(wěn)定時,輸出的光波強度(透過率)與輸入的光波強度之比為0.982 3;由式(1)可知,該OADM的插入損耗約為0.077 55 dB。

(3)信道隔離度

信道隔離度是波分復用系統(tǒng)中OADM的一個非常重要的性能指標。其定義為一個通道對于相鄰通道的串擾,可表示為

式中,Pout為輸出端口的光功率,Pi為除輸入輸出端口以外的其他端口的光功率。

由圖6可知,當OADM處于光下載且下載狀態(tài)穩(wěn)定時,C與D端口的輸出光功率之比為2 173.45,由式(2)可知,信道隔離度約為33.37 d B。C與B端口的輸出光功率之比為1 985.13,信道隔離度約為32.98 d B。

4　結束語

提出了一種基于3×3內部正方形介質柱、帶有4個散射介質柱的光子晶體環(huán)形腔OADM。通過改變內部9個正方形介質柱的邊長,可以實現(xiàn)對不同波長的濾波,且20個耦合介質柱的半徑變化對波長的透過率有一定的影響。仿真結果表明,本文設計的OADM對特定波長1 554.9 nm的波的下/上載率較高,達到98.23%。插入損耗較低,達0.077 55 dB,下載端口對于另外兩個輸出端口的通道隔離度較高,分別為33.37和32.98 dB。所提出的基于光子晶體環(huán)形腔的OADM性能優(yōu)良,在波分復用光通信系統(tǒng)中具有重要的應用價值。

參考文獻:

[1] 張紅星.基于FDTD法的光子晶體諧振腔特性研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[2] 陳東旭.基于光子晶體微環(huán)的濾波器設計與應用研究[D].成都:電子科技大學,2012.

[3] 張文杰,譚立英,馬晶.光子晶體四信道波分復用器的研究[J].光學與光電技術,2005,3(1):14-38.

[4] Rostami A,Nazari F,Banaei H A,et al.A novel proposal for DWDM demultiplexer design using modified-T photonic crystal structure[J].Photon and Nanostructures-Fundamentals and Appl,2010,8(1):14-22.

[5] Jin X J,Chen H M.Photonic crystal three wavelength division multiplexing based on multimode interference theory[C]//ICOCN 2010.Nanjing:IET,2010:395-398.

[6] Qiang Zexuan,Zhou Weidong,Soref Richard A.Optical add-drop filters based on photonic crystal ring resonators[J].Optics Express,2007,15(4):1823-1831.

[7] Pinto A N,Pinto J L,Almeida T,et al.Selective wavelength transparent optical add-drop multiplexer based on fibre Bragg gratings[C]//Transparent Optical Networks,2000 2nd International Conference on. Gdansk,Poland:IEEE,2000:15-18.

[8] Tang P,Eknoyan O,Taylor H F.Low loss rapidly tunable optical add drop multiplexer in Ti:LiNb O3[C]//OFC 2002.Anaheim,USA:IEEE,2002:190-192.

[9] Meloni G,Scaffardi M,Ghelfi P,et al.Ultrafast alloptical ADD-DROP multiplexer based on 1 m-long bismuth oxide-based highly nonlinear fiber[J].Photonics Technology Letters IEEE,2005,17(12): 2661-2663.

[10]Md Nooruzzaman,Halima Elbiaze,Raja Zahilah,et al. Design and performance evaluation of amplifier modules in stackable ROADMs for low-cost CWDM access networks[J].Photon Netw Commun,2014,28:237-250.

[11]An V T,Chae C J,Tucker R.A Bidirectional Optical Add-Drop Multiplexer With Gain Using Multiport Circulators,Fiber Bragg Gratings,And A Single Unidirectional Optical Amplifier[J].Photonics Technology Letters IEEE,2003,15(7):975-977.

[12]An V T,Chae C J,Tucker R.All-optical gain-controlled bidirectional optical add-drop multiplexer[C]// LEOS 2003.Tucson,AZ,USA:IEEE,2003,1:142 -143.

[13]Klein E J,Geuzebroek D H,Kelderman H,et al. Reconfigurable optical add-drop multiplexer using microring resonators[J].IEEE Photonics Technology Letters,2005,17(11):2358-2360.

[14]Mansoor R D,Sasse H,Al Asadi M,et al.Over Coupled Ring Resonator-Based Add/Drop Filters[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics,2014,50(8): 598-604.

[15]Mansoor R,Koziel S,Sasse H,et al.Crosstalk suppression bandwidth optimisation of a vertically coupled ring resonator add/drop filter[J].Iet Optoelectronics, 2015,9(2):30-36.

[16]方曉明.基于光子晶體的可重構分插復用器(ROADM)的特性研究[D].南京:南京郵電大學, 2012.

[17]Okamoto K,Takiguchi K,Ohmori Y .1 6-channel optical add/drop multiplexer using silica-based arrayedwaveguide gratings[J].Electronics Letters,1995,31 (9):723-724.

[18]Shiu K T,Agashe S S,Forrest S R.An InP-Based Monolithically Integrated Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer[J].Photonics Technology Letters IEEE,2007,19(19):1445-1447.

光電器件研究與應用

Photonic Crystals Cavity-Based Optical Add/Drop Multiplexers

WANG Wei-jun,JI Ke,CHEN He-ming (School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Communications,Nanjing 210023,China)

Abstract:This paper presents a photonic crystal ring cavity-based Optical Add/Drop Multiplexers(OADM).In a square lattice photonic crystal structure,this device implements optical add/drop multiplexing by the coupling of line defects with ring cavity and the upload/download of the light waves at the specific frequency using the frequency selection function of the ring cavity. The simulation results show that when the incident port has incident light waves at multiple wavelengths,this OADM can upload/download light waves at a wavelength of 1 554.9 nm,the upload/download rate is 98.23%,the insertion loss is 0.077 55 dB and the channel isolation is 33.37 dB and 32.98 dB respectively.With excellent performances,this device has reference significance to the development of integrated devices for optical communication.

Key words:tetragonal lattice;photonic crystal;resonance frequency;filter;annular cavity

中圖分類號:TN256

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0038-04

收稿日期:2015-06-23

基金項目:國家自然科學基金資助項目(61077084)

作者簡介:王偉駿(1991-),男,江西贛州人。碩士研究生,主要研究方向為光通信與光波技術。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.012