實現雙偏振光波信號單向傳輸的二維光子晶體異質結構設計

徐 婷，李 琳，費宏明，劉 欣，楊毅彪，曹斌照，陳智輝

(太原理工大學 物理與光電工程學院，新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，太原 030024)

基于電流單向流動的電二極管是傳統集成電路系統的一個基本器件。集成電路啟發下的集成光學系統也有一個基本器件：基于光波單向傳輸的全光二極管[1-5]。全光二極管，又稱光學隔離器，是一種可以限制光沿特定方向傳輸的光學器件。其功能是允許沿一個方向傳播的光通過該器件，并阻止反向的光傳播。全光二極管在集成光通信、全光網絡和光信息處理中有重要應用。目前商用的具有單向傳輸功能的法拉第全光二極管，其尺寸在毫米尺度，已經被廣泛應用于激光器和光通信領域；但是由于需要外加磁場控制旋磁效應，無法與現有的半導體集成光子學系統相結合。目前光學集成器件朝著微納尺度發展，因此設計微納尺度的光學二極管[6-13]已成為時代發展的迫切需求。

基于非線性材料的全光二極管，包括由不同折射率材料在空間線性變化所組成的一維非線性光子晶體[1,14]，或者非對稱的非線性吸收材料的多層結構和具有非對稱結構的二維非線性光子晶體微腔來實現全光二極管[15-17]，其最大透射率和透射比較高，但是這種原理需要很高的光強以產生足夠大的光學非線性效應；基于磁光子晶體結構的全光二極管，雖然滿足了低閾值光強和高透射對比度的要求，但需要在局域引入外加磁場控制磁性材料的旋磁效應，不利全光集成。基于微納光子結構設計的全光二極管，包括左手周期性超材料[18]、表面等離子體激元[19]等基于這種原理的全光二極管可以工作在較低的閾值光強。然而，以上設計的共同缺點是最大透射率較低。

2011年，李志遠課題組在硅基二維平板光子晶體空氣橋結構上設計了一種全光二級管，達到了0.885的信號對比度[20]。2015年，馮帥課題組在空氣背景中嵌入橢圓和圓的硅柱，設計了二維非對稱光子晶體結構，利用能帶特性失配形成了光波單向傳輸，頻帶寬度約有0.05(c/a)，同時還出現了光波分束現象[21]。此種方法雖然不再局限于磁場和入射光功率等外界條件，但仍需考慮結構的方向能帶結構，并且只能實現單一偏振的單向傳輸，其正向透射率和對比度都不高，為了能在光通信波段中心1 550 nm附近同時實現兩種偏振光在同一波段的單向傳輸，在結構設計上存在一定的難度。

2015年，李琳等提出利用全反射界面，設計出了一種可實現TE偏振的新型光波單向傳輸器件，其結構不受能帶特性的束縛，透射率和對比度大大提高，波長范圍變寬[22]。因此本文利用全反射界面，通過優化異質結構，設計出了在光通信波段1 550 nm附近雙偏振態的光隔離器，并得到了較高對比度和較寬的單向傳輸范圍。

1 基本結構

利用常用的電介質材料硅和二氧化硅組成高折射率和低折射率介質，其界面滿足全反射要求，設計了二維介質柱型四角晶格固固光子晶體異質結構，如圖1所示。其異質交界面沿著Г-M方向，與Г-X方向夾角為45°.異質交界面左邊為二維光子晶體PC1，右邊為二維光子晶體PC2，兩者分別距離異質界面300 nm和900 nm.PC1是在二氧化硅材料中嵌入硅介質柱，PC2為硅材料中嵌入二氧化硅介質柱；它們有相同的晶格常數和半徑，分別為a=600 nm，r=140 nm.結構左側為輸入波導，結構右側為輸出波導，光輸入信號在輸入波導處從PC1到PC2傳播，光反射信號在輸出波導處從PC2到PC1傳播。

圖1 異質結構圖Fig.1 Sketch map of 2-D photonic crystal heterojunction

2 光波單向傳輸性能分析

基于上述結構，計算了該結構光信號的插入損耗和回波損耗，結果如圖2所示。其中，圖2(a)為TE偏振的插入損耗和回波損耗，圖2(b)為TM偏振的插入損耗和回波損耗。圖中T為插入損耗，B為回波損耗，定義對比度為10-0.1T/10-0.1B.其結果可知，無論TE偏振態還是TM偏振態，都在光通信中心1 550 nm附近實現了光隔離：TE偏振，在波長1 450 nm到1 950 nm之間出現了光信號的單向傳輸現象，峰值范圍在波長1 548～1 596 nm，其插入損耗最小為2.7 dB，回波損耗最高為25.4 dB，其對比度可達186；TM偏振，單向傳輸波段為1 400～1 905 nm，峰值范圍在波長1 515～1 626 nm，插入損耗為1.2 dB，回波損耗為22.7 dB，此波段內對比度大約為141.因此該結構在TE偏振和TM偏振下實現了光通信中心1 550 nm附近的光波單向傳輸，而且在1 550 nm附近的較大波段內插入損耗變化平緩，所以該結構有望實現較寬帶寬的光信號單向傳輸。

圖2 a=600 nm,r=140 nm時的插入損耗和回波損耗Fig.2 When a=600 nm, r=140 nm, the insertion loss and return loss

為了更具體地了解該結構的傳輸特性，以波長為1 550 nm的光信號為例，計算了其兩種偏振態下的正反向入射電場圖，結果如圖3所示。其中，圖3(a)-(b)為TE偏振下的正反向入射電場圖，圖3(c)-(d)為TM偏振下的正反向入射電場圖。從圖中得出，在TE偏振或者TM偏振下，光信號從左側波導處正向輸入時，可在PC1內沿著Г-X方向傳播，到達異質交界面處均會出現部分反射；而大部分的光信號則發生折射進入到PC2內，然后經由PC2從右側波導處輸出，如圖3(a)和3(c)所示。光信號從右側波導處反向輸入時，對于TE偏振，光信號可在PC2內傳播，并到達異質交界面處發生全反射，無法通過該交界面進入PC1內。對于TM偏振，光波在輸入位置其傳播幾乎被阻止。

圖3 a=600 nm，r=140 nm，λ=1 550 nm時的電場圖Fig.3 When a=600 nm, r=140 nm, λ=1 550 nm, electric field

為了能更深入地說明該異質結構實現雙偏振態的光信號單向傳輸機理，計算了光子晶體PC1和PC2的TE和TM偏振能帶結構，結果如圖4所示。其中圖4(a)為PC1的TE偏振能帶結構，圖4(b)為PC2的TE偏振能帶結構，圖4(c)為PC1的TM偏振能帶結構，圖4(d)為PC2的TM偏振能帶結構。

對于TE偏振，圖2(a)中峰值范圍在波長1 548～1 596 nm，對應頻率為0.376a/λ～0.388a/λ，在Г-X方向PC1和PC2均為導帶，證實了正向輸入時，該頻段光信號能從異質結構右側輸出；反向輸入時，由于PC2在Г-X方向上是導帶，所以光信號能夠進入PC2內，并在異質交界面處發生了全反射，其傳輸方向被改變無法進入PC1.

對于TM偏振，圖2(b)中的峰值范圍在波長1 515～1 626 nm，對應頻率為0.369a/λ～0.396a/λ；此時PC1在Г-X方向為導帶，而PC2則存在0.38a/λ～0.408a/λ的Г-X方向上禁帶，其他方向是導帶。正向輸入時，光信號可經由PC1傳播到達異質交界面處后發生了折射，其傳播方向不再沿Г-X方向；此時對于PC2來說該頻段的光信號處于非Г-X方向上的導帶，因此可以在PC2內傳播并在異質結構右側輸出。反向輸入時，因PC2在Г-X方向的禁帶特性，其頻段的光信號無法進入PC2.但是在圖2(b)中，0.38a/λ～0.408a/λ兩側頻段的光信號仍出現了單向傳輸現象，只是其插入損耗略高。由此可見，該結構可以實現光信號的單向傳輸，并不再限制于結構的方向能帶特性。對于PC2，無論在Г-X方向是禁帶還是導帶，光信號正向輸入時都可輸出，反向輸入時會發生全反射或因其禁帶作用而被阻止。

在異質交界面處引入全反射，實現了光通信1 550 nm附近的光信號單向傳輸，不僅對結構的方向能帶要求不高，大大簡化了結構的設計難度，而且能實現TE，TM偏振態下的單向傳輸，但其插入損耗還有待降低。

3 優化結構

3.1 擴大結構周期

為了能降低結構的插入損耗、提高對比度，將結構周期整體擴大為原來的兩倍，其TE和TM偏振的插入損耗和回波損耗如圖5所示，其中圖5(a)為TE偏振插入損耗、回波損耗及對比度，圖5(b)為TM偏振插入損耗和回波損耗。

對于TE偏振，在圖5(a)中，峰值位于1 545.22～1 590.43 nm范圍內時，插入損耗大約為2.3 dB，回波損耗為24.4 dB，對比度為162，單向傳輸范圍為1 450～2 000 nm，帶寬約為550 nm.

對于TM偏振，在圖5(b)中，峰值位于1 502.51～1 633.88 nm范圍內時，插入損耗約為0.73 dB，回波損耗為22.3 dB，對比度為144，單向傳輸范圍位于1 400～1 922.2 nm，帶寬約為522 nm.

3.2 輸出波導寬度

結構周期的擴大可以引起插入損耗的減小，而光信號在輸出波導位置存在一定寬度的發散。因此在周期擴大的基礎上，還可以通過增加輸出波導寬度來減小插入損耗，計算了TM和TE偏振的插入損耗、回波損耗及對比度，如圖6所示。其中圖6(a)為TE偏振插入損耗和回波損耗，圖6(b)為TM偏振插入損耗和回波損耗。

TE偏振下，在圖6(a)中，1 451.5～2 000 nm出現了單向傳輸，帶寬約為550 nm，插入損耗最低可達1 dB，回波損耗為31.8 dB，對比度為1 202，峰值位于1 553.25～1 586.21 nm之間，寬度約為33 nm，插入損耗均低于1.7 dB，實現了TE偏振下的1 550 nm附近的低插入損耗、高對比度的單向傳輸。

TM偏振下，在圖6(b)中，單向傳輸范圍位于1 400～1 950 nm，帶寬約為550 nm，最低插入損耗可達0.6 dB，回波損耗低于40.7 dB，對比度為10 233，峰值位于1 498.75～1 607.53 nm之間，插入損耗小于2 dB，實現了TM偏振下1 550 nm附近的高對比度的光信號單向傳輸。

圖6 插入損耗和回波損耗Fig.6 Insertion loss and return loss

4 結論

將全反射耦合應用到光子晶體異質交界面中，實現了光通信中心1 550 nm附近光信號的單向傳輸。通過對電場圖及能帶結構圖進行分析，證實了由于界面處全反射的作用，降低了結構對光子晶體方向能帶特性的要求，不僅便于結構設計，而且通過對結構周期和輸出波導寬度的優化，使得TM和TE偏振的光信號單向傳輸效果得以增強，其最低插入損耗峰值范圍也有所拓寬，實現了TM和TE偏振下光通信1 550 nm波段、帶寬約為550 nm的光信號單向傳輸。