含異質結構三波長波分復用器設計

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鄰近放置構成一個光子晶體波導耦合結構。采用時域有限差分法，研究了基于耦合與解耦合理論設計了一種含異質結構三通道波分復用器。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，這種器件在未來的光子集成回路中具有很高的應用價值.

關鍵詞：光子晶體 異質結構 波分復用器

中圖分類號：0734 文獻標識碼：A 文章編號：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，缺陷會在禁帶中形成雜質能級，由于缺陷具有局域性，所以會出現(xiàn)缺陷模。若缺陷連續(xù)分布將形成線性缺陷，對原來完整光子晶體不能通過的光則可以沿線缺陷傳播，就會形成光子晶體光波導。利用這種特性可設計出許多種光子晶體器件，如光開關，光濾波器，波分復用器及光功分器等。這些器件相對于傳統(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，為光電子器件向集成方向發(fā)展帶來了嶄新的應用前景.

該文根據(jù)兩種不同折射率材料構成的光子晶體波導耦合結構，設計了一種新型含異質結構光子晶體波導耦合三波長波分復用器。這種器件能夠把三個通信波長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用價值。

1 設計

設計由兩種不同折射率的材料構成的三波長波分復用器，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)域為11.56。該結構由三條不同的輸出波導構成，分別標記為A，B，C，光波由入射端輸入波導。

圖1器件的結構示意圖，圖中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其他區(qū)域為11.56。

取晶格常數(shù)a=0.610 μm，則三個波長的工作頻率分別為0.394，0.438和0.466，對應的三個波長分別為1550nm、1390nm、1310 nm。當它們從輸入端輸入時，由耦合和解耦合理論可知，當區(qū)域#1的耦合長度為23a時，1390 nm和1550 nm將呈交叉態(tài)沿B波導傳輸，1310 nm的波長將沿A端口輸出。當區(qū)域#2的耦合長度為21a時，則1550 nm將從端口C輸出。因此，該異質結構利用了光子晶體兩波導系統(tǒng)的耦合和解耦合理論實現(xiàn)了三種不同波長的波分離。

采用時域有限差分法對該器件進行計算，圖2為該器件穩(wěn)定輸出狀態(tài)時三個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，當三個波長經(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，可見模擬結果與上述討論結果一致。該器件可以同時實現(xiàn)1550 nm、1390 nm、1310 nm三個波長的波分復用。

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

同時還測量了三個波長的透射率，三個波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的透射率分別達到93%、95%、85%。但是波長為1550 nm的光透射效果不是很高，這主要是因為理論計算1550 nm的波在兩耦合波導結構中的拍長為8.4a，而且光子晶體是離散型的周期性結構，因此所設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 結語

該文基于兩平行光子晶體波導的耦合與解耦合特性，設計了一種含異質結構的光子晶體波分復用器。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域具有潛在的應用價值。

參考文獻

[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的耦合特性及其應用[J]. 物理學報，2006，55（4）：1851-1855.

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

摘 要：將平行的兩光子晶體單模波導鄰近放置構成一個光子晶體波導耦合結構。采用時域有限差分法，研究了基于耦合與解耦合理論設計了一種含異質結構三通道波分復用器。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，這種器件在未來的光子集成回路中具有很高的應用價值.

關鍵詞：光子晶體 異質結構 波分復用器

中圖分類號：0734 文獻標識碼：A 文章編號：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，缺陷會在禁帶中形成雜質能級，由于缺陷具有局域性，所以會出現(xiàn)缺陷模。若缺陷連續(xù)分布將形成線性缺陷，對原來完整光子晶體不能通過的光則可以沿線缺陷傳播，就會形成光子晶體光波導。利用這種特性可設計出許多種光子晶體器件，如光開關，光濾波器，波分復用器及光功分器等。這些器件相對于傳統(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，為光電子器件向集成方向發(fā)展帶來了嶄新的應用前景.

該文根據(jù)兩種不同折射率材料構成的光子晶體波導耦合結構，設計了一種新型含異質結構光子晶體波導耦合三波長波分復用器。這種器件能夠把三個通信波長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用價值。

1 設計

設計由兩種不同折射率的材料構成的三波長波分復用器，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)域為11.56。該結構由三條不同的輸出波導構成，分別標記為A，B，C，光波由入射端輸入波導。

圖1器件的結構示意圖，圖中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其他區(qū)域為11.56。

取晶格常數(shù)a=0.610 μm，則三個波長的工作頻率分別為0.394，0.438和0.466，對應的三個波長分別為1550nm、1390nm、1310 nm。當它們從輸入端輸入時，由耦合和解耦合理論可知，當區(qū)域#1的耦合長度為23a時，1390 nm和1550 nm將呈交叉態(tài)沿B波導傳輸，1310 nm的波長將沿A端口輸出。當區(qū)域#2的耦合長度為21a時，則1550 nm將從端口C輸出。因此，該異質結構利用了光子晶體兩波導系統(tǒng)的耦合和解耦合理論實現(xiàn)了三種不同波長的波分離。

采用時域有限差分法對該器件進行計算，圖2為該器件穩(wěn)定輸出狀態(tài)時三個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，當三個波長經(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，可見模擬結果與上述討論結果一致。該器件可以同時實現(xiàn)1550 nm、1390 nm、1310 nm三個波長的波分復用。

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

同時還測量了三個波長的透射率，三個波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的透射率分別達到93%、95%、85%。但是波長為1550 nm的光透射效果不是很高，這主要是因為理論計算1550 nm的波在兩耦合波導結構中的拍長為8.4a，而且光子晶體是離散型的周期性結構，因此所設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 結語

該文基于兩平行光子晶體波導的耦合與解耦合特性，設計了一種含異質結構的光子晶體波分復用器。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域具有潛在的應用價值。

參考文獻

[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的耦合特性及其應用[J]. 物理學報，2006，55（4）：1851-1855.

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

摘 要：將平行的兩光子晶體單模波導鄰近放置構成一個光子晶體波導耦合結構。采用時域有限差分法，研究了基于耦合與解耦合理論設計了一種含異質結構三通道波分復用器。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，這種器件在未來的光子集成回路中具有很高的應用價值.

關鍵詞：光子晶體 異質結構 波分復用器

中圖分類號：0734 文獻標識碼：A 文章編號：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，缺陷會在禁帶中形成雜質能級，由于缺陷具有局域性，所以會出現(xiàn)缺陷模。若缺陷連續(xù)分布將形成線性缺陷，對原來完整光子晶體不能通過的光則可以沿線缺陷傳播，就會形成光子晶體光波導。利用這種特性可設計出許多種光子晶體器件，如光開關，光濾波器，波分復用器及光功分器等。這些器件相對于傳統(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，為光電子器件向集成方向發(fā)展帶來了嶄新的應用前景.

該文根據(jù)兩種不同折射率材料構成的光子晶體波導耦合結構，設計了一種新型含異質結構光子晶體波導耦合三波長波分復用器。這種器件能夠把三個通信波長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用價值。

1 設計

設計由兩種不同折射率的材料構成的三波長波分復用器，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)域為11.56。該結構由三條不同的輸出波導構成，分別標記為A，B，C，光波由入射端輸入波導。

圖1器件的結構示意圖，圖中虛線框所示區(qū)域的介電常數(shù)為16，其他區(qū)域為11.56。

取晶格常數(shù)a=0.610 μm，則三個波長的工作頻率分別為0.394，0.438和0.466，對應的三個波長分別為1550nm、1390nm、1310 nm。當它們從輸入端輸入時，由耦合和解耦合理論可知，當區(qū)域#1的耦合長度為23a時，1390 nm和1550 nm將呈交叉態(tài)沿B波導傳輸，1310 nm的波長將沿A端口輸出。當區(qū)域#2的耦合長度為21a時，則1550 nm將從端口C輸出。因此，該異質結構利用了光子晶體兩波導系統(tǒng)的耦合和解耦合理論實現(xiàn)了三種不同波長的波分離。

采用時域有限差分法對該器件進行計算，圖2為該器件穩(wěn)定輸出狀態(tài)時三個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，當三個波長經(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，可見模擬結果與上述討論結果一致。該器件可以同時實現(xiàn)1550 nm、1390 nm、1310 nm三個波長的波分復用。

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

同時還測量了三個波長的透射率，三個波長1310 nm、1390 nm、1550 nm的透射率分別達到93%、95%、85%。但是波長為1550 nm的光透射效果不是很高，這主要是因為理論計算1550 nm的波在兩耦合波導結構中的拍長為8.4a，而且光子晶體是離散型的周期性結構，因此所設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 結語

該文基于兩平行光子晶體波導的耦合與解耦合特性，設計了一種含異質結構的光子晶體波分復用器。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域具有潛在的應用價值。

參考文獻

[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的耦合特性及其應用[J]. 物理學報，2006，55（4）：1851-1855.

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