高消光比短耦合长度光子晶体耦合器

摘要

本发明涉及一种高消光比短耦合长度光子晶体耦合器，光子晶体材料的构成是在背景材料中加入另一种介电常数的介质棒，介质棒按照矩形或六边形晶格排列，通过移除两排介质棒来实现两条线缺陷波导，线缺陷波导之间由若干排介质棒隔开。耦合器采用三段式级联结构，前后两段为完全相同的高消光比波导，中间段是一个低消光比短耦合长度光子晶体耦合器，各段之间通过结构渐变的接口相连，以保证光特性呈连续变化。其中中间段是在高消光比波导的基础上，改变与两条线缺陷波导邻近的四排光子晶体介质棒的半径大小来改变其传输特性。5个上述耦合器连接可构成4乘4耦合器。本发明耦合器总长度仅为晶格常数的十倍数量级，但输出消光比很高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体耦合器，尤其涉及一种具有高消光比和短耦合长度的光子晶体耦合器，适用于光通信系统和集成光路。

背景技术

作为最有潜力的集成光路实现材料之一，光子晶体得到了广泛的研究。它由周期性排列的电介质材料组成，可以禁止某些频率范围的光通过，这种现象被称为光子带隙。利用这种特性，通过在材料中造成一定的缺陷，就可以实现光信号的传输。光子晶体耦合器是集成光路最重要的元件之一，它可以应用于波分复用，光开关，光滤波器，光数据存储等等。目前对于光子晶体耦合器已有大量的研究，主要集中在实现较短的耦合长度上。主要的方法是改变耦合区的结构，例如改变构成光子晶体的空气孔或介质柱的半径大小、数量以及位置等等。除了耦合长度之外，耦合器的消光比也是一个很重要的性能参数。消光比指从不期望输出端口输出的信号光能量与从期望输出端口输出的信号光能量之间的比值。然而，减小耦合长度和提高消光比之间存在着相互矛盾的关系。这主要与光在通过光子晶体耦合器时所产生的偶模和奇模能量大小之间的差异有关。一方面，当偶模和奇模之间的能量差异较大时，才能使耦合器的耦合长度较短，另一方面，要想获得较高的消光比，又必须使偶模和奇模的能量大小尽可能地接近。解决这一矛盾，研究出能够同时具有高消光比与短耦合长度的耦合器，有助于实现集成度高并且性能良好的光器件，对于未来光通信系统来说具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对光子晶体耦合器两种性能之间的矛盾和现有技术的不足，设计一种可解决这种矛盾的新型光子晶体耦合器，在实现短耦合长度的同时获得很高的消光比。

为实现这样的目的，在本发明的技术方案中，耦合器光子晶体材料的构成是在一种介电背景材料中加入另一中介电常数的介质棒，介质棒按照矩形或六边形晶格排列，晶格常数为a。

通过移除两排介质棒或空气孔来实现两条线缺陷波导，线缺陷波导之间由若干排介质棒或空气孔隔开；耦合器采用三段式级联结构，第一段和第三段为完全相同的长度为晶格常数a的高消光比波导，第二段为一个低消光比短耦合长度光子晶体耦合器；各段之间分别通过结构渐变的接口相连，以保证整个级联耦合器的光特性呈连续变化，整个耦合器长度为晶格常数的十倍数量级。

其中所述低消光比短耦合长度光子晶体耦合器，是在高消光比波导的基础上，改变与两条线缺陷波导邻近的四排光子晶体介质棒的半径大小来改变其传输特性。

由5个上述的高消光比短耦合长度光子晶体耦合器可以连接构成4乘4耦合器，两个位于输入端形成两个耦合区，两个位于输出端也形成两个耦合区，一个位于中心作为中心耦合区，共有4个输入端口以及4个输出端口。输入端的两个耦合区及输出端的两个耦合区与中心耦合区的连接段的两端采用圆弧状弯角来提高传输效率。

本发明的光子晶体材料电介率在1到25之间，介质棒半径在0.01a到0.5a之间。本发明耦合器的结构设计可以在耦合长度很短的情况下成功实现超过-30dB的消光比。其耦合长度小到晶格常数的十倍数量级。如果晶格常数a为几百纳米级的话，则耦合开关的长度仅为微米数量级。这将有助于提高集成光路的集成度，从而实现体积更小、更为便捷的光子器件和子系统，推动未来光通信系统和网络的发展。

附图说明

图1为本发明的高消光比短耦合长度光子晶体耦合器结构示意图。

图2为本发明的4乘4光子晶体耦合器结构示意图。

图3为本发明实施例中的光子晶体耦合器结构图。

图4为本发明实施例中2乘2光子晶体耦合器结构在输入归一化频率为0.2811的信号光时能量传输示意图。其中，a为能量传输示意图，b为消光比频谱图。

图5为本发明实施例中4乘4光子晶体耦合器结构图。其中，a为该4乘4光子晶体耦合器结构整体图，b为该结构中弯角设计示意图。

图6为本发明实施例中归一化频率为0.2811的信号光在4乘4光子晶体耦合器结构中从端口1输入、从端口8输出时的能量传输示意图。其中，a为能量传输示意图，b为能量频谱图。

图7为本发明实施例中归一化频率为0.2811的信号光在4乘4光子晶体耦合器结构中从端口1输入、从端口7输出时的能量传输示意图。其中，a为能量传输示意图，b为能量频谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

在本发明的技术方案中，耦合器光子晶体材料的构成是在背景材料中加入与背景材料介电常数不同的介质棒，介质棒按照矩形晶格或六边形晶格排列，晶格常数为a。通过移除两排介质棒或空气孔来实现两条线缺陷波导。线缺陷波导之间由若干排介质棒隔开。

本发明的高消光比短耦合长度光子晶体耦合器采用三段式级联结构，如图1所示。第一段为长度为晶格常数a的高消光比波导，第二段为一个低消光比短耦合长度光子晶体耦合器，设其耦合长度为n*a，第三段为与第一段完全相同的高消光比波导。第一段与第二段之间、第二段与第三段之间分别有结构渐变的接口相连，以保证整个级联耦合器的光特性呈连续变化。

整个耦合器长度为晶格常数的十倍数量级。设每个接口的长度为m*a，则级联耦合器的总长度为：(2+n+2m)*a。

其中所述低消光比短耦合长度光子晶体耦合器，是在高消光比波导的基础上，改变与两条线缺陷波导邻近的四排光子晶体介质棒的半径大小来改变其传输特性。

通过分析构成级联耦合器的不同部分的能带结构，针对某一特定频率的输入光，可以对结构进行适当的调整，从而获得所需要的耦合性能。在这种情况下，若输入光从耦合器结构的一条波导输入，则可通过完全耦合，从另一条波导输出；对结构进行调整，也可以使该输入光仍然完全从原先的波导输出，此时耦合器处于“退耦”状态。关于低消光比短耦合长度光子晶体耦合器的设计，为了保证级联耦合器各组成部分光特性的匹配，可以通过对第一段和第三段的高消光比波导进行修改获得。例如，可以在高消光比波导的基础上，改变邻近波导的四排光子晶体介质棒的半径大小，从而改变其传输特性。在实施例中，将给出一个类似的具体设计。

由5个上述耦合器结构可以构成4乘4的耦合器，其中有两个位于输入端，记为耦合区1、4，两个位于输出端，记为耦合区2、5，一个作为中心耦合区，记为耦合区3。图2为该结构的示意图。共有4个输入端口，分别记为端口1、2、3、4，以及4个输出端口，分别记为端口5、6、7、8。信号光可以从任意一个输入端口输入，在特定的结构下，从一指定的输入端口输出。

实现不同输入输出路径的耦合区工作状态组合如下表所示，其中“开”代表该耦合区处于完全耦合状态，“关”表示该耦合区处于完全退耦状态：

为了使耦合区1和4、以及耦合区2和5之间隔开一定的距离从而减小串扰，这4个耦合区和耦合区3相连的4个连接段分别各有两个弯角。这8个弯角可以通过特殊的设计来提高传输效率以及减小能量损耗，即用一个介质圆弧或空气圆弧将位于弯角外侧中心两边的两个介质棒或空气孔连接起来，介质圆弧或空气圆弧的圆心位于该弯角内侧中心。具体的设计实例在实施例中将给出。

实施例：

光子晶体材料的基本构成为在高电介率背景材料(ε＝2.77)中加入电介率为1的介质棒，即空气孔。空气孔按照六边形晶格排列，晶格常数为a，空气孔的半径为0.3a。

耦合器结构中，通过移除两排空气孔来实现两条线缺陷波导。线缺陷波导之间由3排空气孔隔开。两个输入端口记为端口1和端口2，两个输出端口记为端口3和端口4。设信号的归一化频率为0.2811。耦合器为级联结构：第一段为长度为a的高消光比波导，第二段为一个低消光比短耦合长度光子晶体耦合器，耦合长度为8a，第三段为与第一段完全相同的高消光比波导；第一段与第二段之间、第二段与第三段之间分别有结构渐变的接口相连，以保证整个级联耦合器的光特性呈连续变化，每个接口的长度为7a。级联耦合器的总长度为24a。第一和第三段高消光比波导的设计为：将3排空气孔中心的1排空气孔半径增大为0.36a。根据该结构的能带图，对归一化频率为0.2811的信号光，偶模和奇模曲线基本重合，即二者之间的差异几乎为零，则此结构满足高消光比波导的要求。第二段低消光比短耦合长度光子晶体耦合器的设计为：将3排空气孔中心的1排空气孔半径增大为0.36a，并将邻近两条波导的4排空气孔的半径增大为0.36a。分析该结构的能带图，偶模和奇模曲线在归一化频率为0.2811处差异很大，则此结构符合低消光比短耦合长度光子晶体耦合器的要求。渐变接口的设计：将3排空气孔中心的1排空气孔半径增大为0.36a，并且使邻近两条波导的4排空气孔的半径由0.3a逐个增大到0.36a。从0.3a到0.34a增大的步长为0.1a，因为在这个范围内光传输特性变化的较慢；从0.34a到0.36a增大的步长为0.05a，因为在这个范围内光传输特性变化的较快。这种混合步长的设计可以保证光传输特性变化的连续性。图3为该设计的结构图。当归一化频率为0.2811的信号光从端口2输入时，经过完全耦合，从端口3输出，消光比可达到-35.07dB。能量传输图如图4a所示，由图中可以看出，上述信号光从端口2输入后，经完全耦合从端口3输出；消光比频谱图如图4b所示，由图中可以看出，在信号光频率为0.2811时，消光比最佳，达到-35.07dB。

4乘4的耦合器结构由5个上述耦合器结构所构成：其中有两个位于输入端，记为耦合区1、4，两个位于输出端，记为耦合区2、5，一个作为中心耦合区，记为耦合区3。有4个输入端口，分别记为端口1、2、3、4，以及4个输出端口，分别记为端口5、6、7、8。其结构如图5a所示。输入输出端的这4个耦合区与耦合区3连接段的8个弯角的设计为：用一个空气圆弧将位于弯角外侧中心两边的两个空气孔连接起来，空气圆弧的圆心位于该弯角内侧中心。其结构如图5b所示。为了进一步提高传输效率，在图中弯角上方的方框范围内添加5个空气孔，分别位于邻近弯角外侧的两排空气孔中分别与空气圆弧最接近的3个空气孔之间，以及位于与弯角连接段相邻的直线波导另一侧的一排空气孔中与空气圆弧最接近的3个空气孔之间。对于归一化频率为0.2811的信号光，若从端口1输入，则经过耦合区1实现完全耦合，进入耦合区3，再次实现完全耦合，进入耦合区5，再次完全耦合后从端口8输出。能量传输图如图6a所示，能量频谱图如图6b所示，为了更好地说明传输特性，能量频谱图中给出了从端口8输出的信号归一化能量以及从端口5输出的信号归一化能量以进行比较，在归一化频率为0.2811处，从端口8输出的信号归一化能量接近1，而从端口5输出的信号归一化能量接近0。如果对耦合区4和5的2乘2耦合器结构进行调整：将3排空气孔中心1排空气孔的半径全部增大为0.365a，将第二段低消光比短耦合长度光子晶体耦合器邻近波导的4排空气孔半径增大为0.365a，同时渐变接口邻近波导的4排空气孔半径从0.3a变化到0.35a时步长为0.1a，从0.35a变化到0.365a时步长为0.05a。在这种情况下，归一化频率为0.2811的信号光若通过这两个耦合区将会实现“退耦”。将该信号光从端口1输入，则经过耦合区1实现完全耦合，进入耦合区3，再次实现完全耦合，进入耦合区5，实现退耦后从端口7输出。能量传输图如图7a所示，能量频谱图如图7b所示，图中给出了从端口7输出的信号归一化能量以及从端口5输出的信号归一化能量以进行比较，在归一化频率为0.2811处，从端口7输出的信号归一化能量接近1，而从端口5输出的信号归一化能量接近0。

本发明上述实施例的参数设置不构成对本发明技术方案的限定。

本发明的耦合状态改变情况、耦合长度以及消光比取决于所用光子晶体材料各组成部分的电介质特性以及介质棒的半径。通过分析结构的能带结构，可以适当调整结构参数，从而获得较好的耦合性能。这将有助于提高集成光路的集成度和提高光传输性能，从而推动未来光通信系统和网络的发展。