[發(fā)明專利]高消光比短耦合長(zhǎng)度光子晶體耦合器

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710044229.5
• 申請(qǐng)日: 2007-07-26
• 公開（公告）號(hào): CN101118303A
• 公開（公告）日: 2008-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曲揚(yáng);姜淳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/122
• 分類號(hào): G02B6/122
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所
• 代理人: 毛翠瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光子晶體耦合器，尤其涉及一種具有高消光比和短耦合長(zhǎng)度的光子晶體耦合器，適用于光通信系統(tǒng)和集成光路。

背景技術(shù)

作為最有潛力的集成光路實(shí)現(xiàn)材料之一，光子晶體得到了廣泛的研究。它由周期性排列的電介質(zhì)材料組成，可以禁止某些頻率范圍的光通過，這種現(xiàn)象被稱為光子帶隙。利用這種特性，通過在材料中造成一定的缺陷，就可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸。光子晶體耦合器是集成光路最重要的元件之一，它可以應(yīng)用于波分復(fù)用，光開關(guān)，光濾波器，光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。目前對(duì)于光子晶體耦合器已有大量的研究，主要集中在實(shí)現(xiàn)較短的耦合長(zhǎng)度上。主要的方法是改變耦合區(qū)的結(jié)構(gòu)，例如改變構(gòu)成光子晶體的空氣孔或介質(zhì)柱的半徑大小、數(shù)量以及位置等等。除了耦合長(zhǎng)度之外，耦合器的消光比也是一個(gè)很重要的性能參數(shù)。消光比指從不期望輸出端口輸出的信號(hào)光能量與從期望輸出端口輸出的信號(hào)光能量之間的比值。然而，減小耦合長(zhǎng)度和提高消光比之間存在著相互矛盾的關(guān)系。這主要與光在通過光子晶體耦合器時(shí)所產(chǎn)生的偶模和奇模能量大小之間的差異有關(guān)。一方面，當(dāng)偶模和奇模之間的能量差異較大時(shí)，才能使耦合器的耦合長(zhǎng)度較短，另一方面，要想獲得較高的消光比，又必須使偶模和奇模的能量大小盡可能地接近。解決這一矛盾，研究出能夠同時(shí)具有高消光比與短耦合長(zhǎng)度的耦合器，有助于實(shí)現(xiàn)集成度高并且性能良好的光器件，對(duì)于未來光通信系統(tǒng)來說具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)光子晶體耦合器兩種性能之間的矛盾和現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種可解決這種矛盾的新型光子晶體耦合器，在實(shí)現(xiàn)短耦合長(zhǎng)度的同時(shí)獲得很高的消光比。

為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，耦合器光子晶體材料的構(gòu)成是在一種介電背景材料中加入另一中介電常數(shù)的介質(zhì)棒，介質(zhì)棒按照矩形或六邊形晶格排列，晶格常數(shù)為a。

通過移除兩排介質(zhì)棒或空氣孔來實(shí)現(xiàn)兩條線缺陷波導(dǎo)，線缺陷波導(dǎo)之間由若干排介質(zhì)棒或空氣孔隔開；耦合器采用三段式級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一段和第三段為完全相同的長(zhǎng)度為晶格常數(shù)a的高消光比波導(dǎo)，第二段為一個(gè)低消光比短耦合長(zhǎng)度光子晶體耦合器；各段之間分別通過結(jié)構(gòu)漸變的接口相連，以保證整個(gè)級(jí)聯(lián)耦合器的光特性呈連續(xù)變化，整個(gè)耦合器長(zhǎng)度為晶格常數(shù)的十倍數(shù)量級(jí)。

其中所述低消光比短耦合長(zhǎng)度光子晶體耦合器，是在高消光比波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，改變與兩條線缺陷波導(dǎo)鄰近的四排光子晶體介質(zhì)棒的半徑大小來改變其傳輸特性。

由5個(gè)上述的高消光比短耦合長(zhǎng)度光子晶體耦合器可以連接構(gòu)成4乘4耦合器，兩個(gè)位于輸入端形成兩個(gè)耦合區(qū)，兩個(gè)位于輸出端也形成兩個(gè)耦合區(qū)，一個(gè)位于中心作為中心耦合區(qū)，共有4個(gè)輸入端口以及4個(gè)輸出端口。輸入端的兩個(gè)耦合區(qū)及輸出端的兩個(gè)耦合區(qū)與中心耦合區(qū)的連接段的兩端采用圓弧狀彎角來提高傳輸效率。

本發(fā)明的光子晶體材料電介率在1到25之間，介質(zhì)棒半徑在0.01a到0.5a之間。本發(fā)明耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在耦合長(zhǎng)度很短的情況下成功實(shí)現(xiàn)超過-30dB的消光比。其耦合長(zhǎng)度小到晶格常數(shù)的十倍數(shù)量級(jí)。如果晶格常數(shù)a為幾百納米級(jí)的話，則耦合開關(guān)的長(zhǎng)度僅為微米數(shù)量級(jí)。這將有助于提高集成光路的集成度，從而實(shí)現(xiàn)體積更小、更為便捷的光子器件和子系統(tǒng)，推動(dòng)未來光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的高消光比短耦合長(zhǎng)度光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的4乘4光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中2乘2光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)在輸入歸一化頻率為0.2811的信號(hào)光時(shí)能量傳輸示意圖。其中，a為能量傳輸示意圖，b為消光比頻譜圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中4乘4光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)圖。其中，a為該4乘4光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)整體圖，b為該結(jié)構(gòu)中彎角設(shè)計(jì)示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中歸一化頻率為0.2811的信號(hào)光在4乘4光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)中從端口1輸入、從端口8輸出時(shí)的能量傳輸示意圖。其中，a為能量傳輸示意圖，b為能量頻譜圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中歸一化頻率為0.2811的信號(hào)光在4乘4光子晶體耦合器結(jié)構(gòu)中從端口1輸入、從端口7輸出時(shí)的能量傳輸示意圖。其中，a為能量傳輸示意圖，b為能量頻譜圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，耦合器光子晶體材料的構(gòu)成是在背景材料中加入與背景材料介電常數(shù)不同的介質(zhì)棒，介質(zhì)棒按照矩形晶格或六邊形晶格排列，晶格常數(shù)為a。通過移除兩排介質(zhì)棒或空氣孔來實(shí)現(xiàn)兩條線缺陷波導(dǎo)。線缺陷波導(dǎo)之間由若干排介質(zhì)棒隔開。