CN1885074A - 基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，包括输入通道、光子晶体与脊波导耦合模块、脊波导通道、功能模块和输出通道，所述光子晶体与脊波导耦合模块的接口处设有能提高光子晶体波导与脊波导的耦合效率的开口和周期缓变的一维光子晶体，输入光波沿周期缓变的一维光子晶体进入开口，转向后与设置在脊波导通道上的功能模块连接；所述功能模块由二维光子晶体功能光路、光子晶体与脊波导耦合模块和脊波导通道构成，在二维光子晶体功能光路的侧面设有控制部件。本发明利用缓变周期耦合谐振腔加非线性缓变作为光子晶体与脊波导的耦合接口，提高了脊波导至光子晶体波导的耦合效率。
Description
一、技术领域
本发明属于集成光电子技术领域，涉及一种新型的无源集成光器件，具体地说是一种基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件。
二、背景技术
光子晶体已经取得了巨大的发展。由于具有在波长量级上控制光路的特性，使得实现紧凑型平面光波光路器件(PLC)成为可能。尽管光波的完全约束只能通过三维光子晶体结构来实现，但到目前为止，三维光子晶体制作工艺尚未突破。而二维光子晶体制作相对容易，可在平面内约束光波；同时由于折射率差较高，其中导波模的损耗极低。因此，从中、短期实现应用的角度出发，2D-PC波导是目前构成PLCs的可行方案。但如果不能高效地将光耦合到2D-PC波导中，其实际应用将受到很大的限制。因此，利用光子晶体实现光集成器件并使之实用化的关键技术之一是实现光子晶体平面波导与脊波导的有效耦合。至今已有多种提高光子晶体波导到脊波导耦合效率的方案。主要有：干涉共振耦合、J型耦合、锥形耦合等。干涉共振耦合模型的共振模带宽很窄，无法充分利用光子晶体波导的带宽；J型结构要求入射和出射的脊形波导方向必须改变90°才能与光子晶体波导耦合；锥形耦合是目前最经常用到的耦合方式，但没有考虑到模式转换问题。采用距离缓变的耦合谐振腔可以有效地在脊波导与光子晶体波导之间进行模式转换。但直接应用这种结构虽然解决了模式转换问题却不能提高光子晶体波导与脊波导的耦合效率。
三、发明内容
本发明要解决的是光子晶体与脊波导耦合以及将光子晶体与脊波导组合应用于PLC的问题，本发明的目的是提供一种基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，该平面光波光路器件可提高耦合效率，使光子晶体在PLC器件中具有更广泛的用途。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，包括输入通道、光子晶体与脊波导耦合模块、脊波导通道、功能模块和输出通道，输入通道与光波输入端连接，输出通道与光信号输出端连接，其特征在于：所述光子晶体与脊波导耦合模块的接口处设有能提高光子晶体波导与脊波导的耦合效率的开口和周期缓变的一维光子晶体，输入光波沿周期缓变的一维光子晶体进入开口，转向后与设置在脊波导通道上的功能模块连接；所述功能模块由二维光子晶体功能光路、光子晶体与脊波导耦合模块和脊波导通道构成，在二维光子晶体功能光路的侧面设有控制部件。所述控制部件是可以实现对光传输通道切断、换向等功能的控制信号引入部件。
本发明中，所述开口边界形状呈线性或非线性分布，开口的形状由函数f(z)＝(W1+W2)/4+[(W1-W2)/4]*cos(πz/l)，确定；式中，W1为光子晶体波导耦合入口处开口的大小，W2为光子晶体波导耦合与光子晶体波导接口处的开口大小，f(z)为光子晶体波导耦合接口形状函数，对于一般情况，如果a为周期，则可取W1＝4a，W2＝2a。
本发明可以设计组成高效光子晶体直角转弯器件，此时，所述光子晶体与脊波导耦合模块设有互相垂直的两个开口。本发明还可以设计成用户需要的其它类型器件，此时，功能模块是根据用户的要求来选定的器件。
为了提高经过模式转换以后的光子晶体波导与脊波导的耦合效率，可以考虑采用边界缓变的光子晶体波导，更好的实现从高折射率传播到低折射率传播的转变。本发明采用线性和非线性(余弦型)边界实现高效耦合。采用线性边界条件和距离缓变耦合腔波导实现耦合的光子晶体波导与脊形波导耦合的直角转弯器件，这是构成光子晶体与脊波导组合的最基本单元。在此基础上，可以利用光子晶体耦合边界和直角拐弯器件与脊波导一起构成部分光子晶体，部分脊波导的高性能紧凑型平面光波光路器件。
本发明的有益效果如下：
本发明实现了光子晶体波导与脊波导的高效耦合，利用距离缓变的耦合谐振腔波导和缓变光子晶体边界可以获得较高的耦合效率。采用余弦设计，使用距离缓变的耦合谐振腔波导后在较宽的频谱内其耦合效率超过95％。同时有效地解决了光波的90度转弯问题。有效的构成了部分光子晶体，部分脊波导的高性能紧凑型平面光波光路器件。
本发明可以将耦合单元、拐弯单元和可控式光子晶体单元任意组合，可有效发挥各自特点，形成各类紧凑型平面光波光路功能器件；且便于添加外接电、声、热等物理量。同时使用平面制作工艺，便于集成，可方便地与光纤耦合。
四、附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中耦合边界示意图。
图3是几种缓变方式传输谱对比。
图4(a)是光子晶体波导直角转弯功能模块图。
图4(b)是实现直角转弯后再次耦合到脊波导的传输效率图。
图5是光子晶体定向耦合器设计图。
图6是光子晶体定向耦合器传输谱图，其中，(a)为直通态、(b)为交叉态、(c)为功分态传输谱图。
图7是基于耦合边界的紧凑型M-Z干涉仪的结构图。
图8是利用可控式光子晶体单元及光子晶体直角拐弯单元，构成光缓存结构图。
五、具体实施方式
图1是本发明的结构示意图，由输入通道1，光子晶体与脊波导耦合模块2，脊波导通道3，功能模块4，输出通道5组成。光场从输入通道1输入，进入光子晶体与脊波导耦合模块2，经过光子晶体与脊波导耦合模块2耦合如光子晶体中实现直角拐弯功能，有效的减少了脊波导直角拐弯的长度。光子晶体与脊波导耦合模块2的接口处设有能提高光子晶体波导与脊波导的耦合效率的开口6和周期缓变的一维光子晶体7，输入光波沿周期缓变的一维光子晶体7进入开口6，转向后与设置在脊波导通道3上的功能模块4连接；开口6和周期缓变的一维光子晶体7能提高光子晶体波导与脊波导的耦合效率。所述功能模块4由二维光子晶体功能光路、光子晶体与脊波导耦合模块2和脊波导通道3构成，在二维光子晶体功能光路的侧面设有控制部件8。所述控制部件8是可以实现对光传输通道切断、换向等功能的控制信号引入部件。
图2给出了光子晶体与脊波导耦合的具体结构示意图。图中f(z)＝(W1+W2)/4+[(W1-W2)/4]*cos(πz/l)，W1为光子晶体波导耦合接口开口的大小，W2为光子晶体波导耦合接口与光子晶体波导处的开口大小，f(z)为光子晶体波导耦合接口形状函数。对于一般情况，如果a为周期，则可取W1＝4a，W2＝2a。耦合谐振腔波导的距离依次缓变0.1个周期。从最初的相距(圆柱中心处距离)0.4个周期变化到1个周期，此时距离不再变化；出口处距离变化相反。每处共采用7个介质柱子进行缓变，在耦合谐振腔波导的两边加上光子晶体就可以构成介质脊波导与光子晶体波导的耦合。为了提高经过模式转换以后的光子晶体波导与脊波导的耦合效率，可以考虑采用边界缓变的光子晶体波导，更好的实现从高折射率传播到低折射率传播的转变。本发明考虑采用非线性(余弦型)边界实现高效耦合。
图3给出了几种缓变方式传输谱对比，证明了采用本发明的耦合边界可以取得高效耦合输入输出。图4(a)为光子晶体波导直角转弯功能模块。图4(b)给出了从脊波导中输入进光子晶体直角转弯器件实现转弯后再次耦合到脊波导的传输效率图。芯片的扫描电镜俯视图。
图5是本发明的第一个实例。采用图一框图设计，完成了从脊波导、光子晶体混合高性能紧凑型定向耦合器的设计。利用线性缓变可以将较宽的脊波导宽度逐渐缩小到0.4a后可以利用转弯单元将入射光耦合至PCW-DC中。经PCW-DC进行耦合后，再次通过转弯单元与脊波导输出到光纤中。从而可以实现光纤之间的直通态、交叉态以及功分态。具体结构如图5所示。在1.55μm处，该PCW-DC中核心的P-PCW拍长为48a，大约为20μm。由此可见，定向耦合器的长度大为降低，十分有利于紧凑型光子器件的制作。该器件PCW-DC不同长度决定了不同的耦合状态，图6给出了三种状态(直通态、交叉态、3dB功分态)下的传输谱。
图7是本发明的第二个实例。利用光子晶体耦合边界可以实现紧凑型M-Z干涉仪。利用光子晶体可以有效实现光波的直角转弯，使得M-Z两臂间隔5-10微米，有效的减少了M-Z干涉仪从输入、输出脊波导变化至两臂处所需的长度。
图8是利用可控式光子晶体单元及光子晶体直角拐弯单元，构成光缓存结构。光信号从光子晶体定向耦合器P1入射，进入到光子晶体定向耦合器P1端口，根据波长选择合适的电压，使定向耦合器处于交叉态，这样光信号从P3出射，当直角拐弯器件1不加电时，1为直角拐弯，信号从1a入射至1b出射，此时信号进入到2后从P2入射，由于定向耦合器为交叉态且P1路只有半个拍长，信号只能从P3出射，如此光将沿该圈(P3→1→2→P2→P3)前进；当在1上加电时，1c将形成通路，1b不通，信号从1a入射，至1c出射，继续沿脊波导前进。这就构成了光延时装置。
Claims (5)
1、一种基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，包括输入通道(1)、光子晶体与脊波导耦合模块(2)、脊波导通道(3)、功能模块(4)和输出通道(5)，输入通道(1)与光波输入端连接，输出通道(5)与光信号输出端连接，其特征在于：所述光子晶体与脊波导耦合模块(2)的接口处设有能提高光子晶体波导与脊波导的耦合效率的开口(6)和周期缓变的一维光子晶体(7)，输入光波沿周期缓变的一维光子晶体(7)进入开口(6)，转向后与设置在脊波导通道(3)上的功能模块(4)连接；所述功能模块(4)由二维光子晶体功能光路、光子晶体与脊波导耦合模块(2)和脊波导通道(3)构成，在二维光子晶体功能光路的侧面设有控制部件(8)。
2、根据权利要求1所述的基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，其特征在于：所述控制部件(8)是可以实现对光传输通道切断、换向等功能的控制信号引入部件。
3、根据权利要求1所述的基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，其特征在于：所述开口(6)边界形状呈线性或非线性分布。
4、根据权利要求1所述的基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，其特征在于：所述光子晶体与脊波导耦合模块(2)设有互相垂直的两个开口(6)。
5、根据权利要求1所述的基于光子晶体的高性能紧凑型平面光波光路器件，其特征在于：所述功能模块(4)是根据用户的要求来选定的器件。
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2006
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