一种采用注入技术并带有反射微腔的高下载率光子晶体解复用器的实现方法

摘要

本发明涉及一种采用注入技术并带有反射微腔的高下载率光子晶体解复用器的实现方法。本发明设计了将反射微腔和微流体注入技术引入二维光子晶体解复用器的器件结构，通过沿主波导方向在下载微腔后方特定位置增加反射微腔来获得较高的下载效率；通过在解复用器不同位置谐振腔空气孔中注入不同折射率的微流体，从而改变光子晶体的导模，导致透射峰的偏移，实现多路波长解复用。本发明采用三角晶格的介质背景空气孔结构的光子晶体，更加贴近目前广泛应用的基于SOI(Silicon-On-Insulator)的光子晶体制造技术，有很好的可实现性。本发明三个通道的透射率均在95％以上，在光子集成和WDM中可以获得良好的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用注入技术并带有反射微腔的高下载率光子晶体解复用器的实现方 法，属于光通信技术领域。

背景技术

随着波分复用(WDM)技术在通信系统中的大规模应用，许多不同结构的解复用器被提出 并得到了广泛的研究。到目前为止，解复用器主要有半导体解复用器(文献1，Koichi Takiguchi， Tsutomu Kitoh，Manabu Oguma，Atsushi Mori，and Hiroshi Takahashi，″Integrated-optic  demultiplexers for optical OFDM signals，″Optical Fiber Communication Conference(OFC)2011， 和文献2，Jianjun Chen，Zhi Li，Jia Li，and Qihuang Gong，″Compact and high-resolution plasmonic  wavelength demultiplexers based on Fano interference，″Optics Express，Vol.19 Issue 10， pp.9976-9985(2011))，金属光栅解复用器(文献3，Christopher R.Doerr，Liming Zhang，and Peter  J.Winzer，″Monolithic InP Multiwavelength Coherent Receiver Using a Chirped Arrayed  Waveguide Grating″，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.29，NO.4，FEBRUARY  15，2011)，半导体光栅解复用器(文献4，J.F.Song，Q.Fang，T.Y.Liow，H.Cai，M.B.Yu，G.Q.Lo， and D.-L.Kwong″CWDM Planar Concave Grating Multiplexer/Demultiplexer and Application in  ROADM，″OFC，2011)，和光子晶体解复用器等等。其中，光子晶体解复用器作为一种新的 研究领域，由于光子晶体具有抑制自发辐射、体积小、易于集成、低功耗等特性，有希望在 WDM系统中得到更广泛的应用。由于光子晶体在解复用器应用中具有巨大优势和潜力，所 以近年来得到了广泛的研究同时也得到了很多有创造性的研究成果。例如：2009年M.F.O. Hameed等人的研究中提出并验证了基于液晶光子晶体结构的的光纤解复用器(参考文献5， M.F.O.Hameed S.S.A.Obayya R.J.Wiltshire，“Multiplexer-Demultiplexer based on  nematic liquid crystal photonic crystal fiber coupler”，Opt Quant Electron(2009)41：315-326和文 献6，F.Van Laere，D.Van Thourhout and R.Baets M.Ayre，C.Camboumac and H. Benisty，″Grating coupled photonic crystal demultiplexer with integrated detectors on InP- membrane″，IPRM CONFERENCE PROCEEDINGS，2008)；2009年Ali Rostami等人利用光子 晶体耦合腔结构研究了带宽低于0.5nm，可应用于CWDM的超窄带解复用器(参考文献7， Ali Rostami，H.Habibiyan，F.Nazari，A.Bahrami，H.Alipour Banaeia，“A novel proposal for  DWDM demultiplexer design using resonance cavity in photonic crystal structure”，Proc.of  SPIE-OSA-IEEE Asia Communications and Photonics，SPIE Vol.7630，2009)。还有更多基于 不同结构的光子晶体波分复用器相应的被提出，并应用到不同的通信领域，同时结构也越来 越复杂(参考文献8，Amin Khorshidahmad and Andrew G.Kirk，“Stratified Photonic Crystal  Demultiplexer”，OSA：COTA/ICQI/IPNRA/SL，2008；参考文献9，Henri Benisty，，Cyril  Cambournac，Frederik Van Laere，Student，and Dries Van Thourhout，“Photonic-Crystal  Demultiplexer With Improved Crosstalk by Second-Order Cavity Filtering”，JOURNAL OF  LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.28，NO.8，APRIL 15，2010；参考文献10，Carlos A.Barrios， Maria Jose Banuls，Victoria Gonzalez-Pedro，et al，“Photonic crystal waveguide-based  Mach-Zehnder demultiplexer”，APPLIED OPTICS Vol.45，No.3510 December 2006和参考文 献11，Sangin Kim，Ikmo Park，and Hanjo Lim，″Highly efficient photonic crystal-based  multi-channel drop filters of three-port system with reflection feedback″，Vol.12，No.22/OPTICS  EXPRESS，2004等)。

由于介质柱结构更容易获得光子带隙，大多数的理论研究采用该结构进行仿真。然而由 于介质柱光子晶体较难制作，实验中大多利用精密加工技术(如FIB：聚焦离子束刻蚀)在 SOI(Silicon On Insulator)材料上打孔，形成介质背景空气孔结构的光子晶体。这种空气孔 结构光子晶体解复用器大多是通过改变空气孔的半径来影响导模的变化，进而影响微腔的谐 振频率，从而实现波长选择性下载。然而波长选择性微腔对加工精度有相当高的要求，有时 甚至要精确到0.01nm数量级(如文献7)，而FIB技术只能实现几个nm的精度，无法满足精 密加工的要求。另外，具有光子带隙的空气孔结构其空气孔半径大都在0.3a以上(参考文献 11，温熙森等，“光子/声子晶体理论与技术”P118，2006)，较高的半径会减弱光场进入耦合 腔的强度。有的小组采用堵塞主波导输出端的方法来获得足够反射反馈(参考文献12，Sangin  Kim，Ikmo Park，and Hanjo Lim，″Highly efficient photonic crystal-based multi-channel drop  filters of three-port system with reflection feedback″，Vol.12，No.22/OPTICS EXPRESS，2004)， 然而该方法会将入射光除了下载波长以外的其余波长光波反射回入射端，这将引起严重的信 号干扰。而且由于堵塞了主波导的输出端，该设计不能在输出端两侧增加更多的下路波导， 无法应用在大规模集成光路中。

为了解决这两个问题，本发明采用了微流体注入技术和反射耦合腔结构...。由于空气孔 光子晶体能够利用空气孔局域液体，光子晶体可以被稳定的注入折射率可选择的微流体，实 验表明可以稳定的将液体注入某单个空气孔内(文献13F.Intonti，S.Vignolini，V.Turck，M. Colocci，P.Bettotti，L.Pavesi，S.L.Schweizer，R.Wehrspohn and D.Wiersma，“Rewritable  photonic circuits，”Appl.Phys.Lett.89，2111171-21111732006)，意味着人们可以根据需要，在 光子晶体的不同区域注入不同折射率的微流体，从而影响导模在光子晶体中的传播特性。因 而制作解复用器时可以沿主波导方向，在下载微腔特定距离位置增加反射微腔，由于耦合模 理论(文献13，Hongliang Ren，″A novel polarization channel drop filter based on two-dimensional  photonic crystals″，Vol.8，No.8/CHINESE OPTICS LETTERS，2010)，当两微腔的距离上产 生π的奇数倍相位差时，光波因为微腔之间的耦合作用完全进入下载微腔，之后沿着下载波 导输出，实现高下载率的解复用器。

本发明同时将注入技术和反射微腔结构应用到光子晶体波分解复用器的设计中，通过优 化微腔结构和微腔之间的距离，并且通过注入不同折射率的微流体，实现了1550窗口处多路 高效下载。

发明内容

本发明的目的在于解决波分解复用器制作过程中存在的两个重要问题：一是解复用器的 下载效率不高，传统解决方案如堵塞主波导输出端口会造成信号干扰，并且影响解复用器的 可扩展性，无法应用于光集成回路；二是光子晶体空气孔结构谐振腔的制作精度要求较高， 目前技术无法满足。本发明通过加入反射微腔来增加下载效率，本发明可以在1550nm处达 到97％以上的透射率；通过使用注入技术影响谐振腔的中心频率偏移，无需修改微腔结构即 可实现多路解复用。本发明采用Si介质三角晶格空气孔结构，相对于空气背景介质柱结构有 更好的可实现性。

本发明首先研究了单下载通道光子晶体解复用器。当1550nm窗口光波进入解复用器时， 谐振频率对应波长光波耦合进入下载微腔，最终从下路波导输出。但并不是所有该波长光的 能量都会直接耦合进入下载微腔，会有一部分继续沿主波导传播，并耦合进入反射微腔。由 于下载微腔和反射微腔之间的相位差达到π的奇数倍，根据耦合模理论，此时反射微腔所有 能量将反射进入下载微腔，理论上达到100％的透射率。

在利用反射微腔结构的基础上，通过微流体注入技术将不同折射率的微流体注入下载微 腔和反射微腔的空气孔中，将会使谐振频率产生偏移。沿着W1波导方向引入注入不同微流 体的光子晶体谐振微腔，并使每个下载微腔与反射微腔能进行很好的耦合，此时即可实现波 长多路下载。与此同时，通过控制注入微流体的折射率或感知区域面积的大小(即填充被分 析物空气孔个数的多少)，还可以实现任意波长的光子晶体波分解复用器。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种采用注入技术并带有反射微腔的高下载率光子晶体解复用器的实现方法，其中：

该光子晶体解复用器是基于三角晶格二维光子晶体平板微腔结构实现的，其中二维光子 晶体平板结构可以在半导体材料基板上通过聚焦离子束刻蚀法等技术制作。将完美二维光子 晶体去掉一行空气孔，引入W1波导线缺陷，然后在线缺陷一侧引入微腔形成下载微腔，在 微腔下方引入下路波导；最后在线缺陷的另一侧引入和下载微腔成对出现的反射微腔，反射 微腔靠近线缺陷的一端空气孔结构和下载微腔相同。此时形成了理论上能够100％下载谐振波 长光波的波分解复用器。然后将多对下载微腔和反射微腔集成在一块光子晶体平板上，采用 微流体注入技术将不同折射率的微流体注入不同对谐振微腔中，形成多路高效波分解复用器， 下载通道的下载效率均在90％以上。

所述采用注入技术并带有反射微腔的光子晶体解复用器是由光子晶体波导(W1波导)和3 对结构相同注入不同折射率微流体的谐振腔组成，其中W1波导的宽度为a是三角晶 格光子晶体的晶格常数。

所述的二维光子晶体中，背景介质为硅，空气孔中是空气。

所述的二维光子晶体，晶格常数为a＝458nm，空气孔的半径为0.4a。

所述的背景介质硅的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。

所述的光子晶体下载微腔靠近线缺陷和下路波导的空气孔半径减小为0.23a，也即 104nm，现在的FIB技术可以实现纳米级别的精确加工，能够满足本发明的需要。反射微腔 的结构和下载微腔大致相同，但由于没有下路波导，反射微腔只需减小靠近线缺陷的一侧， 其余空气孔半径仍为0.4a。

所述的下载微腔和反射微腔之间的距离由模耦合理论确定。谐振光在两微腔之间传播的 相位差应当是π的奇数倍，本发明通过仿真W1波导的能带图得到禁带内的缺陷导模，找到 谐振中心频率在该导模上对应的传播常数，根据公式推导计算得出当两微腔间距为10.56a时， 波矢相位差是3π。考虑到谐振腔会对W1波导的缺陷导模产生影响，通过仿真本发明将微 腔间距确定为11a。

所述的光子晶体解复用器结构可以用FIB技术在SOI材料上刻蚀实现，不同中心频率谐 振腔可以通过微流体注入技术注入谐振腔空气孔实现。

与传统方法相比本发明有如下优点：

本方案中所提及的一种采用注入技术并带有反射微腔的高下载率光子晶体解复用器是一 种基于二维光子晶体平板结构，通过设计下载微腔和反射微腔之间的距离，使谐振腔之间实 现高效耦合来设计完成。通过向谐振腔中注入不同折射率的微流体，实现了多通道的波长选 择性下载。本发明首次提出将反射微腔和微流体注入技术同时应用在一块光子晶体平板上实 现多波长高效解复用器。

传统方法实现波长选择性高效下载一般采用堵塞主波导输出端的方法。这种方法会产生 严重的信号干扰，降低信噪比影响光传输的可靠性；同时堵塞输出端意味着不能自由增加下 路波导的数量，影响器件的可扩展性，不利于集成应用。为了克服传统光子晶体解复用器的 这些缺点，本发明在主波导方向增加了反射微腔，利用微腔之间的耦合作用将特定波长的光 局域在下载微腔内，并通过下载波导输出，从而实现高效解复用器。

传统利用光子晶体谐振微腔的波长选择性而形成的解复用器主要是通过改变光子晶体的 几何结构，例如空气孔或介质柱的半径或形状，但这种方法对解复用器的制作工艺要求很高， 精度一般都在纳米以下量级，这给实际制作带来很大困难。本发明采用微流体注入技术，可 以在谐振腔空气孔中注入不同折射率的微流体，同样可以达到改变透射峰对应波长的目的， 完全不用改变光子晶体的结构。而且利用微流体注入技术实现的解复用器可以通过抽取技术 将已注入的液体抽出，重新注入其它微流体，可以克服传统的光子晶体解复用器制作成型后 很难改变其输出波长的缺点。另外本发明采用基于SOI材料制作的介质背景空气孔光子晶体， 相对于制作空气背景介质柱的光子晶体有更好的可实现性。

本发明的原理如下：

本方案中所提及的一种采用注入技术并带有反射微腔的光子晶体解复用器是一种基于二 维光子晶体平板结构，通过设计下载微腔和反射微腔之间的距离，使谐振腔之间实现高效耦 合来完成单通道下载；通过向下载微腔和反射微腔中注入不同折射率微流体，使谐振腔的中 心频率发生偏移完成多通道下载。其基本原理是：当在光子晶体主波导附近引入和下载微腔 结构大致相同的反射微腔后，由于波导和谐振腔以及谐振腔和谐振腔之间的耦合作用，导模 中处于谐振频率处的光就会局域到下载微腔内，当耦合强度很高时，透射谱中导模范围内处 于谐振频率处的光波就会从下载微腔沿下路波导输出。下载微腔和反射微腔之间的距离由公 式：

                     2βd＝(2n+1)π

确定，其中β表示谐振波长对应的波矢，d表示两微腔之间的距离。如果在单下载通道的基 础上通过注入微流体改变谐振腔的谐振频率，就会导致下路波导透射谱中谐振峰值的偏移。 所以当在光子晶体波导附近引入多对不同微流体注入的谐振腔之后，并且使得所有的谐振频 率都位于1550nm窗口所覆盖的频率范围之内，即可以实现一种采用注入技术并带有反射微 腔的多通道光子晶体解复用器。

附图说明

以下各图所取的光子晶体波分解复用器结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是一种采用注入技术并带有反射微腔的光子晶体解复用器模型示意图，其中包含了 W1光子晶体波导和三对下载微腔和耦合微腔。着色区域为注入微流体的空气孔，沿W1波导 方向蓝色区域注入折射率1.33的微流体，黑色区域注入折射率1.66的微流体。光子晶体为二 维三角晶格介质背景空气孔结构，晶格常数a＝458nm，普通空气孔半径r＝0.4a，介质硅的折 射率n_si＝3.48。

图2基本的三角晶格介质背景空气孔的W1型波导。

图3基本的三角晶格介质背景空气孔的W1型波导的能带曲线。其中红色虚线表示纵坐 标为归一化频率0.2955，也就是1550nm，该频率是谐振腔的谐振频率。

图4在基本的三角晶格介质背景空气孔的W1型波导中引入一对下载微腔和反射微腔的 结构图。

图5是光源中心频率取0.2955时的单通道光子晶体解复用器场图。

图6是下载微腔和反射微腔的结构图。下载谐振腔是W1波导的第二排去掉了一个空气 孔，由该空气孔相邻的六个空气孔组成，其中靠近W1波导和下路波导的空气孔半径为0.23a， 其余空气孔半径仍为0.4a。反射微腔无需连接下载波导，因而只有靠近主波导的一侧半径改 为0.23a，其余不变。

图7是光源中心频率取归一化频率0.293时的多通道光子晶体解复用器场图。

图8是多通道解复用器不同端口的透射谱，绿色曲线是Port C的透射谱，红色是Port D， 蓝色是Port E，分别表示无注入、注入折射率1.33微流体和注入折射率1.66微流体的下路波 导输出频域情况。

具体实施方式

采用注入技术带有反射微腔的光子晶体解复用器的结构如图1所示，其中包含了W1光 子晶体波导和三对下载微腔和耦合微腔。下载谐振腔是W1波导的第二排去掉了一个空气孔， 由该空气孔相邻的六个空气孔组成，其中靠近W1波导和下路波导的空气孔半径为0.23a，其 余空气孔半径仍为0.4a。晶格常数a＝445nm，普通空气孔半径r＝182nm，介质硅的折射率 n_si＝3.48。由于空气孔的折射率不同会影响谐振频率的变化，因此可以通过合理的设计注入微 流体的折射率来构成光子晶体多通道解复用器的基本结构。

首先，通过主波导的能带图确定耦合腔之间的距离。

如图2所示，利用平面波展开法(PWE)，对此结构进行数值仿真，计算属于不同波矢的 频率的本征值，得到归一化波矢-归一化频率的能带曲线，如图3所示，由图中可以看到， 在光子禁带中会形成两条导模，其中一条为偶模，一条为奇模，分别对应电场分布相对于波 导中心有偶对称性和奇对称性的模式，因为实际制作中都要在光子晶体两侧面引入脊波导用 来导入和导出光波，而禁带中的偶模和脊波导中的模式有更多重叠的地方，也即偶模更容易 在光子晶体波导中传播，所以只考虑偶模的能带曲线。从图中还可以看到波导的偶模和红色 虚线相交于点(0.071，0.2955)，也就是指谐振腔的中心频率0.2955对应的波矢是0.071(2π/a)， a表示晶格常数。根据公式：

                       2βd＝(2n+1)π

(β表示传播常数，也就是波矢；d表示两微腔之间的距离)计算可得，当d＝0.071a是，光波 在两微腔之间的相位差是3π，此时两微腔符合完全耦合条件，反射微腔会将谐振频率光波 完全耦合进入下载微腔。考虑到谐振腔会对W1波导的缺陷导模产生影响，通过仿真最优化 本发明将微腔间距确定为11a。单通道解复用器的结构图如图4所示，归一化频率0.2955的 光会完全耦合进入下路波导。当输入光源是中心频率ω₀＝0.2955(2πc/a)的高斯光源时，稳态状 态下电场的空间分布图如图5所示。从图5可以看出在x-y水平平面内，电场被很好的局域 在光子晶体波导区域内。反射微腔之后的W1波导内不再有光场出现，是因为光强在下载微 腔和反射微腔之间形成耦合，最终从下路波导输出。

然后，通过调整下载微腔和反射微腔结构使微腔的中心波长对应1550nm，也即归一化频 率0.2955.

光子晶体谐振腔的结构如图6所示，下载微腔是通过改变靠近主波导的三排空气孔中部 分空气半径得到的。其中第一排空气孔半径为0.23a，也即104nm，这样光波能够更容易耦合 进入下载微腔；为了能够将光引入下路波导，第三排空气孔的半径也为0.23a。第二排去掉中 心空气孔形成局域区，其余空气孔半径不变。然而仅有下载微腔并不能将谐振频率光波弯曲 下载到下路波导中，由于光在W1波导中传输速度不够慢，会有一部分谐振频率光波继续在 主波导中传播，此时下载微腔的下载效率仅有40％。这时需要引入反射微腔。根据耦合模理 论，当两个谐振频率相同的微腔之间相位差达到π的奇数倍时，两个微腔会发生完全耦合， 光能量会在两个微腔之间来回转换，由于反射微腔不存在下路波导，因而光波将完全从下载 微腔对应的下路波导输出，理论上单通道解复用器的下载效率为100％。

最后，引入微流体技术实现多通道的高效解复用器。

利用微流体注入技术可以在介质背景空气孔结构的光子晶体的空气孔中注入不同折射率 的微流体，如图1所示，图中选取沿W1波导方向的第二和第三对谐振腔空气孔注入微流体， 注入液体的折射率1.33和1.66。通过在空气孔中引入微流体，波导的偶模会发生整体向低频 处的移动；同时，当注入不同折射率时，导模的频移是不同的，注入微流体的折射率越高， 向低频处的频移越大，也就是说，越高的注入折射率，谐振中心频率对应的频率越低。利用 以上的光子晶体的光学特性，可以制作多通道解复用器。本发明在第二和三通道的微腔内分 别注入折射率为1.33和1.66的微流体，微流体改变了微腔谐振频率，使得解复用器在每个下 载波导处都会下载一路不同的光波，形成三通道的解复用器，并且3个通道的光波的频率依 次降低，波长依次增加。利用时域有限差分法(FDTD)进行数值仿真，可以得到3个通道的 场图和透射谱。图7显示了其中一条通道的场图，归一化频率为0.293的入射光将引起第二 组谐振腔的共振，从而从Port D输出。图8显示了三条通道的透射率，不同折射率的光流体 注入会使透射峰发生偏移，三条曲线从右到左分别表示Port C、Port D和Port E的透射峰。 仿真中光源设置为高斯脉冲，光源的线宽覆盖所关心的每个波导的谐振频率。从图中可以看 出透射峰的中心频率随注入光流体折射率的升高而依次降低，与之前的分析一致。

综上所述，本发明基于二维光子晶体并通过引入微流体注入和反射微腔共振来设计高下 载率且制作简单的解复用器。三个通道的透射率均在95％以上，且不同通道无需改变微腔的 结构，在光子集成和WDM中可以获得良好的应用。