基于波導(dǎo)間能量耦合效應(yīng)的光子晶體頻段選擇與能量分束器?

趙絢 劉晨 馬會麗 馮帥

(中央民族大學(xué)理學(xué)院,北京 100081)

基于波導(dǎo)間能量耦合效應(yīng)的光子晶體頻段選擇與能量分束器?

趙絢 劉晨 馬會麗 馮帥?

(中央民族大學(xué)理學(xué)院,北京 100081)

(2016年12月26日收到;2017年3月5日收到修改稿)

基于波導(dǎo)間能量耦合效應(yīng)的光子晶體功率分束器具有結(jié)構(gòu)緊湊、帶寬較寬、彎曲損耗低、分光角度大和不受外界電磁場干擾等優(yōu)點.本文利用時域有限差分方法,理論研究了二維三角晶格光子晶體耦合波導(dǎo)的功率分束特性,設(shè)計得出了一種能夠在寬頻譜范圍內(nèi)針對不同頻率區(qū)間實現(xiàn)不同分光比的功能器件.在此基礎(chǔ)上通過改變耦合區(qū)介質(zhì)柱形狀以及輸出分支波導(dǎo)與能量耦合波導(dǎo)的連接位置,最終針對三個相鄰頻率范圍內(nèi)的入射光信號,較好地實現(xiàn)了三均分、二均分、單一輸出通道這3種能量分配輸出模式.該功能器件具有透過率對比度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特性,對于發(fā)展全光功能器件在大規(guī)模全光復(fù)雜集成領(lǐng)域內(nèi)的實際應(yīng)用具有一定的促進作用.

光子晶體,模式耦合,自成像,功率分束器

1 引言

自從1987年由John[1]和Yablonovitch[2]分別獨立提出光子晶體(photonic crystal,PC)概念以來,PC便以其獨特的導(dǎo)光機制和奇特的光學(xué)效應(yīng),獲得了研究者的持續(xù)關(guān)注.由于PC在光通信、光計算等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景,基于光子晶體的功率分束器受到人們的廣泛重視.相對于傳統(tǒng)的平面或光纖功率分束器件,光子晶體功率分束器具有結(jié)構(gòu)緊湊、帶寬較寬、彎曲損耗低、分光角度大和不受外界電磁場干擾等優(yōu)點,為大規(guī)模光子集成提供了可能.現(xiàn)階段實現(xiàn)入射光功率分束的方法主要基于多模干涉(multi-mode interference,MMI)的自成像效應(yīng)[3]、自準(zhǔn)直效應(yīng)[4]、非線性Kerr效應(yīng)[5]和填充電磁感應(yīng)透明(electromagnetically induced transparency,EIT)原子氣體[6]等多種途徑.相對于其他方法,基于MMI效應(yīng)的耦合波導(dǎo)光子晶體功率分束器分光比靈活、原理較為明確,因此得到人們的廣泛關(guān)注.2004年,Kim等[7]首先提出了光子晶體多模波導(dǎo)中的MMI效應(yīng).Park等[8]將方向耦合應(yīng)用于二維光子晶體波導(dǎo)并實現(xiàn)了光分束,即根據(jù)光信號在相鄰耦合波導(dǎo)間的能量轉(zhuǎn)移規(guī)律來設(shè)計波導(dǎo)結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)特定功率比例分束的功能.

近幾年,基于光子晶體波導(dǎo)定向耦合、多模干涉效應(yīng)的光分束器得到了深入研究[9?28]:Liu等[9]提出在單模分支波導(dǎo)中插入介質(zhì)柱可以調(diào)節(jié)信號間的相位差,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了馬赫-增德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI);范定環(huán)等[11]通過平移單模和多模波導(dǎo)連接處的兩列介質(zhì)柱實現(xiàn)了對透射率的調(diào)控;2011年,金曉君[12]以及李未和徐玉華[13]分別探討了耦合波導(dǎo)間相隔介質(zhì)柱排數(shù)和線缺陷波導(dǎo)個數(shù)與耦合距離的關(guān)系;繆路平等[14]和黎磊等[16]在2011年和2013年分別研究了基于三角晶格和正方晶格的異質(zhì)結(jié)耦合波導(dǎo);談繼斌和陳鶴鳴[17]以及程偉和李九生[18]分別通過改變波導(dǎo)連接處介質(zhì)柱的半徑和折射率實現(xiàn)了能量的自由分配;Tee等[20,21]在2012和2014年通過調(diào)控波導(dǎo)拐角處的水滴型空氣孔(drop hole)實現(xiàn)了信號均分;2015年,于兵等[28]通過引入雙梯形結(jié)構(gòu)大幅度降低了正方晶格波導(dǎo)的片內(nèi)反射.

迄今人們已廣泛研究了入射光信號能量的同比例輸出,并且運用改變特定介質(zhì)柱的半徑或折射率的方法進行了靈活調(diào)節(jié).本文利用時域有限差分( fi nite di ff erence time domain,FDTD)方法,理論研究了二維三角晶格光子晶體耦合波導(dǎo)的功率分束特性.研究發(fā)現(xiàn),通過將中間位置耦合波導(dǎo)與三個W1型輸出波導(dǎo)相結(jié)合,可以實現(xiàn)對寬波段范圍內(nèi)入射光束的分波段調(diào)節(jié)特性.對于特定波長范圍的入射光束,使其沿某一分支波導(dǎo)傳輸;對另一波段入射光,使其沿另外兩個分支波導(dǎo)傳輸;而第三波段內(nèi)的入射光,實現(xiàn)了三分支分束特性.因此,通過對三個輸出波導(dǎo)中光強相對大小的探測和分析,可以判斷得出入射光束所在的波段范圍.最后,通過改變耦合區(qū)域介質(zhì)柱形狀以及改變耦合波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間的連接區(qū)域,可以靈活調(diào)節(jié)發(fā)生三種不同光輸出特性所屬的頻率范圍,而且也進一步優(yōu)化了分束性能.

2 初始結(jié)構(gòu)與多模干涉原理分析

本文研究由半導(dǎo)體材料硅介質(zhì)柱排列在空氣中形成的二維三角晶格光子晶體.硅介質(zhì)柱的折射率n=3.4,半徑r=0.21a,a為光子晶體的晶格常數(shù).對于電場強度沿著介質(zhì)柱中心軸方向的TM模入射光,我們利用平面波展開方法計算得出的能帶結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示,可見在第一個能帶和第二個能帶之間存在一個光子帶隙,其頻率范圍為0.2776c/a—0.4462c/a(c為真空中光速).對于由在完整光子晶體中去掉一排介質(zhì)柱構(gòu)成的W1型直波導(dǎo),圖1(b)給出了其色散關(guān)系曲線,可以看到由于引入了線缺陷,光子禁帶中出現(xiàn)了缺陷態(tài),歸一化頻率在0.3387c/a—0.4431c/a范圍內(nèi)的光可以在該波導(dǎo)內(nèi)穩(wěn)定傳輸.

對于由間隔一排介質(zhì)柱去掉其相鄰兩排介質(zhì)柱而構(gòu)成的雙平行耦合波導(dǎo),圖2(a)給出了利用超元胞法計算出的色散關(guān)系曲線(內(nèi)插圖為其結(jié)構(gòu)示意圖).從圖中可以看出,耦合波導(dǎo)內(nèi)的模式分裂為0階模(偶模)和1階模(奇模)兩個本征模,光波在該波導(dǎo)中傳輸時可視為二者的線性疊加.由多模干涉的自成像理論[29],雙平行光子晶體波導(dǎo)成像條件是相干長度l為波導(dǎo)中奇模與偶模傳輸常數(shù)之差的倒數(shù)的kπ倍(k=1,2,3···),用公式可表示為|,k為奇數(shù)時成單重象,k為偶數(shù)時成雙重象.當(dāng)晶格常數(shù)為620 nm時,波長1550 nm的入射光對應(yīng)的歸一化頻率為0.40c/a.對于該頻率,其階模和1階模對應(yīng)的傳輸常數(shù)分別為0.58π/a和0.48π/a,因此可得單重像首先出現(xiàn)在l=10a處,雙重像首先出現(xiàn)在l=20a處.圖2(b)為該頻率的入射光束在耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)態(tài)光強空間分布圖,可見其在兩波導(dǎo)中的耦合長度為10a,與理論分析一致.

圖1 二維三角晶格光子晶體TM模能帶結(jié)構(gòu)圖(a)以及W1型直波導(dǎo)的色散曲線(b)Fig.1.Band structure of the two-dimensional triangular-lattice PC structure(a)and the dispersion curve of the W1-typed straight waveguide(b).

圖2 (網(wǎng)刊彩色)間隔一排介質(zhì)柱的雙平行光子晶體波導(dǎo)耦合特性(a)耦合波導(dǎo)的色散圖;(b)歸一化頻率0.40c/a光波穩(wěn)態(tài)光強空間分布Fig.2.(color online)Coupling characteristics of twoparallel photonic crystal waveguides spaced apart by one row of dielectric cylinders:(a)Dispersion diagram of the coupled waveguide;(b)steady spacial light intensity distribution at the normalized frequency of 0.40c/a.

圖3 設(shè)計的光子晶體能量分束器初始結(jié)構(gòu)Fig.3.Initial projected structure of photonic crystal beam splitter.

在上述原理分析的基礎(chǔ)上,我們所設(shè)計的能量分束器件結(jié)構(gòu)如圖3所示.該功能器件由一個W1型輸入波導(dǎo),一個雙平行多模干涉區(qū)(耦合區(qū))和三個W1型輸出波導(dǎo)A,B,C構(gòu)成.其中耦合區(qū)總長度為L,兩平行波導(dǎo)間間隔一排介質(zhì)柱,稱為耦合介質(zhì)柱.輸入波導(dǎo)沿光子晶體的ΓK方向,3個輸出波導(dǎo)也均沿ΓK方向.光源從入射端口經(jīng)過輸入波導(dǎo)進入耦合波導(dǎo),不同頻率的光波經(jīng)耦合區(qū)自成像效應(yīng)后以一定能量比從A,B,C三個出射端口射出.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)耦合區(qū)總長度L=kπ/|βeven?βodd|的三種結(jié)構(gòu)透過率曲線(a)L=80a;(b)L=40a;(c)L=30aFig.4.(color online)Light transmittances through the structures whose coupling region length L=kπ/|βeven?βodd|:(a)L=80a;(b)L=40a;(c)L=30a.

根據(jù)多模干涉原理,若要實現(xiàn)端口A的通斷狀態(tài),耦合區(qū)總長度應(yīng)為10a的整數(shù)倍.為此,我們計算了耦合區(qū)總長度為80a,60a和30a三個不同數(shù)值時在A,B,C三個輸出端口測得的透過率曲線,如圖4所示.由圖4(a)可以看出,當(dāng)耦合區(qū)總長度較長(L=80a)時,A,C兩端口透過率呈現(xiàn)有規(guī)律的高低交替分布(交叉態(tài));總長度L=60a時,如圖4(b)所示,B,C兩端口透過率曲線大致重合,A端口與B,C兩端口呈交叉態(tài);逐漸縮短耦合區(qū)長度時,可見透過率在交叉態(tài)的基礎(chǔ)上逐漸出現(xiàn)了三通道大致均分透過功率的頻率區(qū)域,在L=30a時的透過率曲線如圖4(c)所示.通過比較不同耦合長度結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果,我們最終選定耦合長度L=20a的結(jié)構(gòu)作為研究對象.

3 數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)調(diào)控

3.1 數(shù)值模擬及初始結(jié)構(gòu)

利用時域有限差分方法,選定耦合長度L=20a,我們數(shù)值模擬了光波通過上述結(jié)構(gòu)時的傳播情況.選取中心頻率在0.394c/a的光源作為入射光源(若取晶格常數(shù)a=610 nm,則該歸一化頻率對應(yīng)波長為1550 nm,處于光通信窗口之一).對于我們設(shè)計的光子晶體結(jié)構(gòu),數(shù)值計算得出的透過率曲線如圖5所示.可見歸一化頻率在0.382c/a—0.390c/a范圍內(nèi)的光束從A端口出射的透過率均在50%以上,而另外從B,C兩端口透射的光束都在5%以下;對于頻率在0.394c/a—0.398c/a范圍內(nèi)的入射光束,通過三個輸出端口的透過率都在15%以上,其中在頻率為0.395c/a處各分支波導(dǎo)透過率數(shù)值差別最小,變化范圍為平均透過率的9%,而在頻率0.396c/a處各輸出波導(dǎo)透過率數(shù)值差別最大,達到16%;而在0.400c/a—0.407c/a頻率范圍內(nèi)的光束從B,C端口出射的透過率都大于20%以上,而A端口小于5%,其中在頻率為0.403c/a處時A通道透過率達到最低,為0.0005,此時其他兩輸出通道的透過率數(shù)值與其對比度均大于550.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)初始結(jié)構(gòu)的透過率曲線Fig.5.(color online)Transmittance diagram of the initial structure.

3.2 將耦合介質(zhì)柱改為橢圓柱

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(a)橢圓介質(zhì)柱耦合波導(dǎo)色散圖;(b)歸一化頻率0.40c/a的光波穩(wěn)態(tài)光強空間分布Fig.6.(color online)(a)Dispersion diagram of coupled waveguides with elliptic cylinders;(b)steady spacial light intensity distribution at the normalized frequency of 0.40c/a.

我們在保持介質(zhì)柱面積不變的條件下,嘗試了將中間的圓形介質(zhì)柱改變?yōu)闄E圓形,其中橢圓的長半軸為短半軸的2倍.圖6(a)為計算得到的該種基于中間橢圓介質(zhì)柱的雙耦合波導(dǎo)色散曲線,其中位于帶隙內(nèi)的紅色實心點線為偶對稱性導(dǎo)模,藍色空心點線為奇對稱性導(dǎo)模.與圖2(a)進行比較發(fā)現(xiàn),介質(zhì)柱形狀的改變對奇模的影響并不明顯,而對偶模影響顯著,偶模所在的頻率范圍明顯減小.當(dāng)晶格常數(shù)為620 nm時,波長為1550 nm的入射光對應(yīng)的歸一化頻率為0.40c/a.對于該頻率,其階模和1階模對應(yīng)的傳輸常數(shù)分別為0.50π/a和0.57π/a,因此可得單重像首先出現(xiàn)在l=14a處,雙重像首先出現(xiàn)在l=28a處.圖6(b)為該頻率光束經(jīng)過上述雙耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光強空間分布,也與通過理論分析得出的耦合長度很好地符合.

耦合介質(zhì)柱由圓形改為橢圓后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(a)所示,相應(yīng)的透過率曲線如圖7(b)所示.可見,在歸一化頻率0.381c/a—0.387c/a內(nèi),A通道透過率均高于50%,B,C通道透過率均低于5%(0.383c/a—0.385c/a頻率范圍內(nèi)均低于1%),與初始結(jié)構(gòu)相比,對比度有明顯提高;歸一化頻率0.388c/a—0.393c/a內(nèi)三通道透過率均在11%—24%間,其中0.3925c/a處三通道透過率相等,均為14%,此頻段范圍內(nèi)均分信號的性能較初始結(jié)構(gòu)稍有降低;歸一化頻率0.395c/a—0.399c/a內(nèi)B,C通道透過率均高于23%,A通道透過率低于0.5%,具有很好的透射對比度.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)將耦合區(qū)域介質(zhì)柱形狀改變?yōu)闄E圓后(a)結(jié)構(gòu)示意圖,(b)透過率曲線Fig.7.(color online)The shape of the coupling medium column is changed from circle to ellipse:(a)Schematic diagram of the structure;(b)light transmittance through the proposed structure.

3.3 改變出射通道位置

為了研究輸出波導(dǎo)與雙耦合波導(dǎo)之間的連接區(qū)域?qū)Ψ质阅艿挠绊?我們將出射通道左移了一個晶格常數(shù),相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖和透過率曲線如圖8(a)和圖8(b)所示.可見,在歸一化頻率0.382c/a—0.389c/a范圍內(nèi),A通道透過率均高于50%,B,C通道透過率均低于5%(0.384c/a—0.387c/a內(nèi)低于2%,其中0.386c/a處A,C通道對比度約為270倍),較初始結(jié)構(gòu)有顯著提高;在0.391c/a—0.397c/a頻率范圍內(nèi)三個通道透過率均在14.5%—23%間,其中均分效果最佳處在0.393c/a處,平均透過率為16.3%,平均度為17%;0.3985c/a—0.405c/a區(qū)間,A通道透過率低于5%,B,C通道透過率均高于20%.經(jīng)過優(yōu)化后,上述三個頻段范圍內(nèi)的光分束功能都達到了很好的水平.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)將B,C兩通道左移一個晶格常數(shù)后(a)結(jié)構(gòu)示意圖,(b)透過率曲線Fig.8.(color online)Move channel B and C leftwards a lattice constant:(a)Schematic diagram of the structure;(b)light transmittance curve.

為了進一步檢驗上述三輸出端口多功能分束器的性能,我們計算了分別位于上述三個頻率范圍內(nèi)的0.3864c/a,0.3916c/a和0.3999c/a的入射光束在上述結(jié)構(gòu)中傳輸時的空間光強分布特性.當(dāng)光子晶體的晶格常數(shù)為620 nm時,上述三個頻率所對應(yīng)的真空中波長分別為2200,1583和1550 nm,計算結(jié)果分別如圖9(a)—圖9(c)所示.從圖9(a)可以看出,歸一化頻率為0.3864c/a的入射光信號主要經(jīng)過耦合波導(dǎo)從A輸出端口出射,沒有在B,C兩個端口觀察到明顯的光強輸出;而入射頻率為0.3916c/a的入射光束從三個輸出端口出射的光強近似相等;當(dāng)入射光的頻率改變?yōu)?.3999c/a時,從圖9(c)可以看出光束從B,C通道出射,在端口A處沒有觀察到明顯的光強輸出.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)不同頻率的入射光束經(jīng)過第二次優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的光強空間分布(a)0.3864 c/a;(b)0.3916 c/a;(c)0.3999 c/aFig.9.(color online)Spacial light intensity distributions through the 2nd optimized structure at different frequencies:(a)0.3864 c/a;(b)0.3916c/a;(c)0.3999c/a.

4 結(jié)論

本文基于MMI效應(yīng)設(shè)計了一種基于二維三角晶格光子晶體的耦合波導(dǎo)功率分束器,可以同時對三個相鄰波長范圍內(nèi)的入射光束進行不同的傳輸調(diào)控.利用時域有限差分方法,模擬計算了入射光束在雙通道耦合波導(dǎo)中的傳輸行為.通過多模干涉理論研究了特定波長的入射光束在兩波導(dǎo)間的耦合長度與其兩種模式的傳播常數(shù)之間的關(guān)系.通過將兩波導(dǎo)間的圓形介質(zhì)柱改變?yōu)闄E圓形,可以調(diào)節(jié)兩種不同奇偶對稱性波導(dǎo)模的色散曲線形狀,從而改變相應(yīng)的耦合長度.最后,我們通過優(yōu)化中間區(qū)域的耦合模波導(dǎo)與三個W1型輸出波導(dǎo)之間的連接區(qū)域,使得入射光束經(jīng)過耦合波導(dǎo)后在不同輸出分支波導(dǎo)中的強度對比得到了進一步的提高,實現(xiàn)了具有較高性能的頻率傳輸通道選擇和能量分束器件.通過探測三個輸出波導(dǎo)口的相對光強,可以對窄頻寬入射光束所屬的頻率范圍進行準(zhǔn)確的判斷.該研究結(jié)果對新型濾波器、波分復(fù)用器等光子器件在寬頻段入射光條件下的傳輸特性等具有一定的參考意義.

[1]John S 1987 Phys.Rev.Lett.58 2486

[2]Yablonovitch E 1987 Phys.Rev.Lett.58 2059

[3]Yu T B,Jiang X Q,Yang J Y,Zhou H F 2007 Phys.Lett.A 369 167

[4]Aghadjani M,Shahabadi M 2013 J.Opt.Soc.Am.B 30 3140

[5]Liao Q H,Zhang X,Xia Q,Yu T B,Chen S W,Liu N H 2013 Acta Phys.Sin.62 044220(in Chinese)[廖清華,張旋,夏全,于天寶,陳淑文,劉念華2013物理學(xué)報62 044220]

[6]Harris S E,Field J E,Imamoglu A 1990 Phy.Rev.Lett.64 1107

[7]Kim H J,Park I,Park S G,Lee E H,Lee S G 2004 Opt.Express 12 5625

[8]Park I,Lee H S,Kim H J,Moon K M,Lee S G,Park S G,Lee E H 2004 Opt.Express 6 3599

[9]Liu T,Zakharian A R,Fallahi M,Moloney J V,Mansuripur M 2004 J.Lightwave Technol.22 12

[10]Chiu W Y,Huang T W,Wu Y H,Huang F H,Chan Y J,Hou C H,Chien H T,Chen C C,Chen S H,Chyi J I 2008 J.Lightwave Technol.26 5

[11]Fan D H,Wu P,Xin F,Yu T B 2008 Chin.J.Quant.Elect.25 82(in Chinese)[范定環(huán),吳評,辛鋒,于天寶2008量子電子學(xué)報25 82]

[12]Jin X J 2011 M.S.Thesis(Nanjing:Nanjing University of Posts and Telecommunications)(in Chinese)[金曉君2011碩士學(xué)位論文(南京:南京郵電大學(xué))]

[13]Li W,Xu Y H 2011 Laser J.32 6(in Chinese)[李未,徐玉華2011激光雜志32 6]

[14]Miu L P,Xu X M,Yang C Y,Ye T 2011 Chin.J.Quant.Elect.28 369(in Chinese)[繆路平,徐旭明,楊春云,葉濤2011量子電子學(xué)報28 369]

[15]Li L,Liu G Q,Chen Y H,Tang F L 2013 Acta Phot.Sin.42 167(in Chinese)[黎磊,劉桂強,陳元浩,唐發(fā)林2013光子學(xué)報42 167]

[16]Li L,Liu G Q,Chen Y H 2013 Acta Opt.Sin.33 0123002(in Chinese)[黎磊,劉桂強,陳元浩2013光學(xué)學(xué)報33 0123002]

[17]Tan J B,Chen H M 2013 Commun.Technol.46 27(in Chinese)[談繼斌,陳鶴鳴2013通信技術(shù)46 27]

[18]Cheng W,Li J S 2014 Acta Phot.Sin.43 0123002(in Chinese)[程偉,李九生2014光子學(xué)報43 0123002]

[19]Zhou J,Tian H P,Yang D Q,Liu Q,Huang L J,Ji Y F 2014 Appl.Opt.53 8012

[20]Tee D C,Kambayashi T,Sandoghchi S R,Tamchek N,Adikan F R M 2012 J.Lightwave Technol.30 2818

[21]Tee D C,Tamchek N,Shee Y G,Adikan F R M 2014 Opt.Express 22 24241

[22]Yu T B,Wang M H,Jiang X Q,Yang J Y 2006 Acta Phys.Sin.55 1851(in Chinese)[于天寶,王明華,江曉清,楊建義2006物理學(xué)報55 1851]

[23]Xu X M,Yue Y L,Fang L G,Zhu G X,Qian X X 2008 Study Opt.Commun.149 50(in Chinese)[徐旭明,樂庸?fàn)t,方利廣,朱桂新,錢小霞2008光通信研究149 50]

[24]Xu X M,Li W,Fang L G,Yu T B,Yue Y L,Yang C Y 2009 Laser Technol.33 416(in Chinese)[徐旭明,李未,方利廣,于天寶,樂庸?fàn)t,楊春云2009激光技術(shù)33 416]

[25]Saidani N,Belhadj W,AbdelMalek F,Bouchriha H 2012 Opt.Commun.285 3487

[26]Wu Y D,Li J J,Chen H Y 2009 Semicond.Optoelectron.30 823(in Chinese)[吳耀德,李繼軍,陳海燕2009半導(dǎo)體光電30 823]

[27]Zhang J,Yu T B,Liu N H,Liao Q H,He L J 2011 Acta Phys.Sin.60 104217(in Chinese)[張軍,于天寶,劉念華,廖清華,何靈娟2011物理學(xué)報60 104217]

[28]Yu B,Zhang L H,Chen X Y,Yang F,Sun X H,Ge J X 2015 Optoelectr.Technol.35 155(in Chinese)[于兵,張龍華,陳曉曄,楊斐,孫小菡,葛俊祥2015光電子技術(shù)35 155]

[29]Xu X M,Li W,Fang L G,Yue Y L,Yang C Y,Qian X X 2008 Study On Opt.Commun.150 34(in Chinese)[徐旭明,李未,方利廣,樂庸?fàn)t,楊春云,錢小霞2008光通信研究150 34]

PACS:42.70.Qs,42.25.Bs,78.67.PtDOI:10.7498/aps.66.114208

Photonic crystal frequency band selecting and power splitting devices based on the energy coupling e ff ect between waveguides?

Zhao XuanLiu ChenMa Hui-LiFeng Shuai?
(College of Science,Minzu University of China,Beijing 100081,China)

26 December 2016;revised manuscript

5 March 2017)

The photonic crystal power splitter based on the energy coupling e ff ect between waveguides has the advantages of compact structure,wide bandwidth,low bending loss,large angle of separation,and no external electromagnetic interference.In this paper,the power splitting characteristics of two-dimensional triangular-lattice photonic crystal coupled waveguide are theoretically studied by using the fi nite-di ff erence time-domain method,and a functional device is designed in order to achieve di ff erent output power ratios within di ff erent frequency ranges.

In the two-dimensional photonic crystal structure with triangular lattice,we set two adjacent straight waveguides and the light beam is introduced from one of them.Because of the energy coupling e ff ect between the two line defects,the light energy propagates alternately in them.Based on this principle,structures of di ff erent coupling lengths are simulated and the interference e ff ect of each surface is considered.The device with the best coupling length is achieved for three di ff erent output energy propagating characteristics at di ff erent frequencies,which include three-division,twodivision and single output cases.That is to say,the incident light beam within a frequency band travels through a particular waveguide;light in another frequency band only fl ows through the other two output waveguides;light in the third frequency band is assigned to all the three output waveguides equally.However,the frequency band width for the high-quality light beam splitting area as well as the transmittance contrast of the other two functional band areas are not very ideal.

Based on the above numerical results,two transmission modes in the coupling waveguides are achieved by changing the cross section shape of the dielectric column in the coupling region and also by changing the connecting position between the output branch waveguide and the energy-coupling waveguide.Through the above change,the splitting performance is further optimized.

By detecting and analyzing the relative intensity of the three output waveguides,we can determine the range of the incident light beam.Furthermore,the frequency ranges of the three di ff erent light output characteristics can be adjusted fl exibly by changing the cross section shape of the dielectric column in the coupling region or by changing the connecting position of output waveguides.The functional device proposed in this paper has a high transmittance contrast ratio and a compact structure,which will promote the practical application of the all-optical functional devices in the fi elds of large-scale all-optical complex integration.

photonic crystal,mode coupling,self-imaging e ff ect,power splitter

10.7498/aps.66.114208

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11374378,11574408,61675238)、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(批準(zhǔn)號:2012YQ14000508)、留學(xué)人員科技活動擇優(yōu)資助項目和大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃(批準(zhǔn)號:GCCX2016110007,URTP2016110009)資助的課題.

?通信作者.E-mail:fengshuai75@163.com

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11374378,11574408,61675238),the National Instrumentation Program,China(Grant No.2012YQ14000508),the Technology Foundation for Selected Overseas Chinese Scholar,and the Undergraduate Innovative Test Program,China(Grant Nos.GCCX2016110007,URTP2016110009).

?Corresponding author.E-mail:fengshuai75@163.com