專利名稱：基于二維光子晶體的可重構(gòu)光上下路復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于二維光子晶體的可重構(gòu)光上下路復(fù)用器，適用于光纖 通信系統(tǒng)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。
技術(shù)背景目前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的爆炸性增長(zhǎng)導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)需要迅速的去增加 網(wǎng)絡(luò)本身的傳輸容量。波分復(fù)用(WDM)技術(shù)能有效利用光纖的帶寬實(shí)現(xiàn)大容 量、長(zhǎng)距離光纖通信，能在用戶分配系統(tǒng)中增加業(yè)務(wù)數(shù)量，己經(jīng)在光纖通信系 統(tǒng)中廣泛使用。光上下路復(fù)用器(OADM)允許波長(zhǎng)信號(hào)在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被上下 路，是構(gòu)建WDM光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。在這些OADM中，可重構(gòu)的光上下 路復(fù)用器(ROADM)能夠配置波長(zhǎng)通道和進(jìn)行動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由，是WDM系統(tǒng) 必不可少的器件。然而利用傳統(tǒng)的硅平板回路或者光纖得到的ROADM的尺寸 都在厘米量級(jí)。在未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，為了充分利用十分寶貴的帶寬資源， 波長(zhǎng)通道間隔變的越來(lái)越窄，信道數(shù)變得越來(lái)越多。這就要求ROADM的尺寸 不僅要足夠小，而且也要易于集成。另一方面，目前光子晶體的研究已經(jīng)成為 集成光學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。這是因?yàn)楣庾泳w有很多優(yōu)越的特性，如光子帶隙 效應(yīng)，基于此特性，許多光通信器件可能基于光子晶體來(lái)設(shè)計(jì)和制造，它們具 有傳統(tǒng)器件所不具備的優(yōu)越特性，尺寸小且易于集成。因此，設(shè)計(jì)和研制基于 二維光子晶體、尺寸更加微小、易于集成的ROADM是未來(lái)WDM光通信系統(tǒng) 的一個(gè)重要發(fā)展方向。在基于二維光子晶體的上路或者下路復(fù)用器中，四端口系統(tǒng)，即在兩平行 光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中間放置兩個(gè)光子晶體微腔，是目前研究的比較成熟的一種 方案。但是這種系統(tǒng)要求較為苛刻和復(fù)雜的共振設(shè)計(jì)，即兩波導(dǎo)間的兩個(gè)微腔 模式要完全簡(jiǎn)并，這可能給器件制作帶來(lái)很大的困難。四端口系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上還 有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不易進(jìn)行大規(guī)模的多波長(zhǎng)上下路集成。在另外的一個(gè)三端口系統(tǒng)中，為獲得高的上下路效率，主波導(dǎo)末端被晶格結(jié)構(gòu)堵上以便獲得100%的 反射反饋。但是，在反射的光信號(hào)中，除了要下路的波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)入下路波導(dǎo) 外，其他所有波長(zhǎng)的光都將被反射到入射端。如果這個(gè)器件在大規(guī)模的集成光 路中使用將給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的信號(hào)干擾。而且在這個(gè)設(shè)計(jì)中，為了滿足相 應(yīng)的相位條件，反射面與下路波導(dǎo)之間距離的選擇隨下路波長(zhǎng)而變化，所以不 能保證在任意多波長(zhǎng)通道上同時(shí)下路。因此基于二維光子晶體，研究新型的高 效率上下路復(fù)用器是設(shè)計(jì)ROADM的關(guān)鍵步驟之一。在基于二維光子晶體的光開關(guān)中，2x2定向耦合光開關(guān)是其中重要的一種。 在定向耦合結(jié)構(gòu)中，同時(shí)獲得短耦合長(zhǎng)度和高消光比具有相互矛盾的關(guān)系。在 均勻的定向耦合結(jié)構(gòu)中，當(dāng)奇偶模的傳播常數(shù)相差很大，將導(dǎo)致短耦合長(zhǎng)度和 低消光比。如果奇偶模傳播常數(shù)相差不大時(shí)，這個(gè)定向耦合結(jié)構(gòu)將具有長(zhǎng)耦合 長(zhǎng)度和高消光比。為了同時(shí)得到短耦合長(zhǎng)度和高消光比，有研究者將光子晶體 啁啾結(jié)構(gòu)引入到此定向耦合結(jié)構(gòu)中。但是，這個(gè)啁啾光子晶體結(jié)構(gòu)涉及到許多 空氣孔半徑的變化，可能導(dǎo)致較大的制作難度。另外，這種結(jié)構(gòu)是靜態(tài)結(jié)構(gòu)， 沒有實(shí)現(xiàn)在光開關(guān)的"開"和"關(guān)"兩個(gè)狀態(tài)下的短耦合長(zhǎng)度和高消光比。因 此研究具有短耦合長(zhǎng)度和高消光比的2x2定向耦合光開關(guān)是設(shè)計(jì)ROADM的另 一個(gè)關(guān)鍵步驟。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于二維光子晶體的可 重構(gòu)光上下路復(fù)用器，具有尺寸微小，集成度高的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明將基于二維光子晶體將光上下路復(fù)用器(OADM)、 彎曲波導(dǎo)以及2x2光開關(guān)集成在一起構(gòu)成一種新型的可重構(gòu)光上下路復(fù)用器。這種基于二維光子晶體的可重構(gòu)上下路復(fù)用器，其特征在于包括上端波導(dǎo)、 下端波導(dǎo)、位于上下端波導(dǎo)之間的上路波導(dǎo)和下路波導(dǎo)，以及連接上下路波導(dǎo) 的彎曲波導(dǎo)，彎曲波導(dǎo)的兩端通過光子晶體彎曲結(jié)構(gòu)分別與上路波導(dǎo)、下路波 導(dǎo)連接，彎曲波導(dǎo)與下端波導(dǎo)近距離平行放置構(gòu)成一個(gè)2x2定向耦合光開關(guān)， 上端波導(dǎo)和下路波導(dǎo)通過點(diǎn)缺陷的下路微腔連接，上端波導(dǎo)和上路波導(dǎo)通過點(diǎn)缺陷的上路微腔連接；波長(zhǎng)選擇性反射微腔是一邊耦合到上端波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微 腔，位于上路微腔和下路微腔之間且與上下路微腔距離相同；上路微腔、下路 微腔及波長(zhǎng)選擇性反射微腔的共振頻率相同；下路微腔衰減進(jìn)上端波導(dǎo)的g因 子G與下路微腔衰減進(jìn)下路波導(dǎo)的g因子込之比G /込等于2，下路微腔與波長(zhǎng) 選擇性反射微腔之間沿上端波導(dǎo)方向的距離上產(chǎn)生的相位差2^/是;r的奇數(shù)倍， 其中，^是沿上端波導(dǎo)方向下路微腔與波長(zhǎng)選擇性反射微腔之間的距離，々是共 振頻率時(shí)上端波導(dǎo)模的傳播常數(shù)；上路微腔的結(jié)構(gòu)及其與波長(zhǎng)選擇性反射微腔 的關(guān)系完全相同于下路微腔。以上所述的三個(gè)微腔和上端波導(dǎo)以及上下路波導(dǎo) 一起構(gòu)成上下路復(fù)用器。據(jù)此設(shè)計(jì)二維光子晶體上下路復(fù)用器時(shí)，首先獲得點(diǎn) 缺陷單模下路微腔和線缺陷單模上端波導(dǎo)和下路波導(dǎo)。用數(shù)值計(jì)算方法先計(jì)算出0/込值，如果不是2就調(diào)整下路微腔的結(jié)構(gòu)直至滿足為止。然后設(shè)計(jì)邊耦合 到上端波導(dǎo)的點(diǎn)缺陷微腔構(gòu)成波長(zhǎng)選擇性反射微腔，使得這個(gè)單模波長(zhǎng)選擇性 反射微腔與下路微腔具有相同的共振頻率。同時(shí)用數(shù)值計(jì)算的方法計(jì)算光子晶 體上端波導(dǎo)模的色散關(guān)系，以便選擇兩微腔之間的距離，使得產(chǎn)生的相位差滿 足;r的奇數(shù)倍。因?yàn)樯下愤^程僅僅是下路過程的逆過程，所以上路微腔的結(jié)構(gòu)參 數(shù)以及這個(gè)上路微腔與波長(zhǎng)選擇性反射微腔之間的距離與下路微腔相應(yīng)的參數(shù) 完全相同。處于中心的波長(zhǎng)選擇性反射微腔能夠確保能量在上端波導(dǎo)和上下路 波導(dǎo)之間的完全能量轉(zhuǎn)移。所述2x2定向耦合光開關(guān)分為中心耦合區(qū)域、兩端的退耦區(qū)域及中間過渡 性的啁啾區(qū)域，退耦區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑通過均一的變化使得此區(qū)域 奇偶模傳播常數(shù)之差接近零，耦合區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑通過均一的變 化使得此區(qū)域奇偶模傳播常數(shù)之差增大，啁啾區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑漸 進(jìn)變化，從退耦區(qū)域過渡到耦合區(qū)域，兩個(gè)啁啾區(qū)域和一個(gè)耦合區(qū)域的奇偶模 總相位差為;r的整數(shù)倍。兩退耦區(qū)域和兩啁啾區(qū)域依次對(duì)稱的分布在耦合區(qū)域兩 邊，其中耦合區(qū)域和啁啾區(qū)域有著可變的折射率用來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。定向耦合 波導(dǎo)色散關(guān)系中，奇偶模傳i番常數(shù)之差決定耦合長(zhǎng)度。在耦合區(qū)域，定向耦合 結(jié)構(gòu)具有短耦合長(zhǎng)度和低消光比。而在啁啾區(qū)域和退耦區(qū)域的界面處，這個(gè)結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)耦合長(zhǎng)度和高消光比。為了同時(shí)得到短耦合長(zhǎng)度和高消光比，這個(gè)簡(jiǎn) 單的啁啾結(jié)構(gòu)被引入到這兩個(gè)區(qū)域之間來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。它僅僅通過漸進(jìn)的改 變兩波導(dǎo)邊緣介質(zhì)圓柱的半徑而得到。這些介質(zhì)圓柱半徑離耦合區(qū)域越遠(yuǎn)，每 晶格長(zhǎng)度改變的幅度就越大， 一方面保證光子晶體波導(dǎo)光學(xué)性質(zhì)逐漸改變，從 而減小后向反射。另一方面也可以得到短的啁啾長(zhǎng)度。為了滿足在耦合區(qū)域和 啁啾區(qū)域折射率變化前后的開關(guān)操作，啁啾區(qū)域和耦合區(qū)域的長(zhǎng)度被精心設(shè)計(jì) 來(lái)滿足奇偶模相位差等于;r的奇偶數(shù)倍。在退耦區(qū)域改變兩波導(dǎo)邊緣介質(zhì)圓柱半 徑，使得兩個(gè)波導(dǎo)完全退耦。最后基于二維光子晶體將設(shè)計(jì)的一個(gè)光上下路復(fù)用器和一個(gè)2x2定向耦合 光開關(guān)集成為可重構(gòu)的光上下路復(fù)用器。本發(fā)明的可重構(gòu)光上下路復(fù)用器具有尺寸微小，集成度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于 未來(lái)密集波分復(fù)用光通信系統(tǒng)。其中的上下路復(fù)用器具有上下路效率高的特點(diǎn)， 2x2定向耦合光開關(guān)具有耦合長(zhǎng)度短，消光比高的特點(diǎn)。


圖l為本發(fā)明的基于二維光子晶體的ROADM結(jié)構(gòu)示意圖。 圖1中，l為上端波導(dǎo)，2為下端波導(dǎo)，3為上路波導(dǎo)，4為下路波導(dǎo)，5為 彎曲波導(dǎo)，6為下路微腔，7為上路微腔，8為波長(zhǎng)選擇性反射微腔。 圖2為ROADM中的2x2定向耦合結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為2x2定向耦合結(jié)構(gòu)的特性圖，其中，(a)為退耦區(qū)域，耦合區(qū)域以 及退耦區(qū)域和啁啾區(qū)域界面的色散關(guān)系曲線；(b)為在'bar，和'cross'狀態(tài) 下，作為歸一化頻率函數(shù)的開關(guān)消光比。圖4為這個(gè)ROADM三種操作的傳輸強(qiáng)度譜。圖5為在共振波長(zhǎng)位置，ROADM三種操作的穩(wěn)態(tài)光波傳輸模式圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。 如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于二維光子晶體的可重構(gòu)上下路復(fù)用器包括 上端波導(dǎo)1、下端波導(dǎo)2、位于上下端波導(dǎo)之間的上路波導(dǎo)3和下路波導(dǎo)4，以導(dǎo)的彎曲波導(dǎo)5，彎曲波導(dǎo)5的兩端通過光子晶體彎曲結(jié)構(gòu)分別 與上路波導(dǎo)3、下路波導(dǎo)4連接，彎曲波導(dǎo)5與下端波導(dǎo)2近距離平行放置構(gòu)成 一個(gè)2x2定向耦合光開關(guān)，上端波導(dǎo)1和下路波導(dǎo)4通過點(diǎn)缺陷的下路微腔6 連接，上端波導(dǎo)1和上路波導(dǎo)3通過點(diǎn)缺陷的上路微腔7連接。波長(zhǎng)選擇性反 射微腔8是一邊耦合到上端波導(dǎo)1的點(diǎn)缺陷微腔，位于上路微腔7和下路微腔6 之間且與上下路微腔距離相同。上路微腔7、下路微腔6及波長(zhǎng)選擇性反射微腔 8的共振頻率相同。下路微腔6衰減進(jìn)上端波導(dǎo)1的g因子G與下路微腔6衰減 進(jìn)下路波導(dǎo)4的g因子込之比0/込等于2，下路微腔6與波長(zhǎng)選擇性反射微腔 8之間沿上端波導(dǎo)l方向的距離上產(chǎn)生的相位差2/^是;r的奇數(shù)倍，其中，t/是 沿上端波導(dǎo)方向下路微腔6與波長(zhǎng)選擇性反射微腔8之間的距離，"是共振頻 率時(shí)上端波導(dǎo)模的傳播常數(shù)。上路微腔7的結(jié)構(gòu)及其與波長(zhǎng)選擇性反射微腔8 的關(guān)系完全相同于下路微腔6，以上所述的三個(gè)微腔和上端波導(dǎo)以及上下路波導(dǎo) 一起構(gòu)成上下路復(fù)用器。在本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施例中，這個(gè)二維光子晶體為硅平板上的三角晶格 空氣孔排列。這個(gè)光子晶體僅僅有TE (橫電波，磁場(chǎng)方向與空氣柱方向平行) 模式的光子帶隙(PBG)。背景空氣孔的半徑是0.35",這里a是晶格常數(shù)，硅的 相對(duì)折射率是3.4。上下路微腔通過增加空氣孔半徑為0.526fl而獲得。對(duì)波長(zhǎng)選 擇性反射微腔，它的點(diǎn)缺陷空氣孔半徑是0.525a。如圖1所示，為了使得每個(gè) 微腔有相同的共振頻率，仔細(xì)的調(diào)整了圍繞相應(yīng)微腔中心大空氣孔的一些空氣 孔半徑。上下路波導(dǎo)分別通過去除沿晶格r《方向旋轉(zhuǎn)60。和120。的一排空氣孔 而獲得。計(jì)算在沒有波長(zhǎng)選擇性反射微腔，僅有下路微腔的系統(tǒng)傳輸頻譜?？?以得到在這種情況下波分解復(fù)用下路效率僅僅42%。根據(jù)適時(shí)耦合模理論可以 容易的得到這個(gè)下路微腔的g因子比0/込值近似等于2。這些結(jié)果均由二維時(shí) 域有限差分方法結(jié)合最佳匹配層邊界條件計(jì)算獲得。接下來(lái)利用平面波擴(kuò)展法 計(jì)算了上端波導(dǎo)的模式色散關(guān)系曲線，得到在這個(gè)下路波長(zhǎng)時(shí)的傳播常數(shù)/ 。 然后再根據(jù)2~ = (2n十l);r的相位條件計(jì)算兩微腔之間的距離c/,這里"是整數(shù)。 所以波長(zhǎng)選擇性反射微腔與上下路微腔之間沿上端波導(dǎo)方向的距離是16"。上下路波導(dǎo)的一端分別與上下路微腔相連，而另外一端借助120。的彎曲結(jié)構(gòu)與定向 耦合結(jié)構(gòu)中的彎曲波導(dǎo)兩端分別相連。這彎曲結(jié)構(gòu)通過在彎曲角處設(shè)置環(huán)形空 氣槽而獲得寬帶寬高傳輸效率。所述2x2定向耦合光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為中心耦合區(qū)域、兩端的 退耦區(qū)域及中間過渡性的啁啾區(qū)域，退耦區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑通過均 一的變化使得此區(qū)域奇偶模傳播常數(shù)之差接近零，耦合區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì) 柱半徑通過均一的變化使得此區(qū)域奇偶模傳播常數(shù)之差增大，啁啾區(qū)域中靠近 波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑漸進(jìn)變化，從退耦區(qū)域過渡到耦合區(qū)域，兩個(gè)啁啾區(qū)域和一 個(gè)耦合區(qū)域的奇偶模總相位差為;r的整數(shù)倍。在本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施例中，這個(gè)定向耦合開關(guān)由間隔三排空氣孔的兩 平行光子晶體波導(dǎo)構(gòu)成，如圖2所示。這個(gè)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分，兩個(gè)退耦區(qū)域， 兩個(gè)啁啾區(qū)域，以及一個(gè)耦合區(qū)域。在耦合區(qū)域，退耦和啁啾區(qū)域的界面，以 及退耦區(qū)域，兩個(gè)定向耦合波導(dǎo)(彎曲波導(dǎo)和下端波導(dǎo))邊緣空氣孔的半徑分 別是0.38a， 0.35"禾卩0.31fl。在耦合和啁啾區(qū)域，兩波導(dǎo)間中心一排空氣孔的半 徑被增加到0.41山這是為了提高耦合區(qū)域奇偶模傳播常數(shù)之間的差異，從而能 夠減小耦合長(zhǎng)度。圖3 (a)分別顯示了耦合區(qū)域，退耦區(qū)域和啁啾區(qū)域界面處以及退耦區(qū)域 的色散關(guān)系曲線，這些結(jié)果用平面波擴(kuò)展法計(jì)算獲得。點(diǎn)虛線顯示開關(guān)的操作 頻率設(shè)置在歸一化頻率為0.239095處。當(dāng)耦合區(qū)域的孔被充入空氣時(shí)，偶超級(jí) 模的傳播常數(shù)在設(shè)定的開關(guān)頻率與奇超級(jí)模傳播常數(shù)明顯不同，如圖3 (a)所 示。這個(gè)結(jié)構(gòu)有短耦合長(zhǎng)度和低消光比。與這個(gè)例子相反，圖3 (a)也顯示了 處于耦合區(qū)域和啁啾區(qū)域界面的光子晶體定向耦合結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系曲線，它們 分別用短虛線和實(shí)線表示，可以看出奇偶模傳播常數(shù)差很小。對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)， 我們將得到長(zhǎng)耦合長(zhǎng)度和高消光比。為了克服短耦合長(zhǎng)度和高消光比之間的矛 盾沖突，已經(jīng)有研究者在定向耦合結(jié)構(gòu)中引入非均勻結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)。但是，這個(gè) 結(jié)構(gòu)中二維光子晶體需要一個(gè)比較大范圍的空氣孔半徑變化。這里，引入兩個(gè)比較簡(jiǎn)單的啁啾結(jié)構(gòu)作為耦合區(qū)域和退耦區(qū)域之間的過渡區(qū)域，它們通過把波導(dǎo)邊緣空氣孔的半徑逐漸從0.38"減小到0.35a而獲得。當(dāng)耦合區(qū)域和啁啾區(qū)域是空氣孔時(shí)，定向耦合開關(guān)結(jié)構(gòu)在設(shè)定的頻率時(shí)處 于'bar'狀態(tài)。而當(dāng)這些孔的折射率被改變時(shí)(例如，液晶充入這些空氣孔)， 開關(guān)則應(yīng)處于'cross'狀態(tài)。下面將討論啁啾區(qū)域的設(shè)計(jì)，在這個(gè)區(qū)域單位長(zhǎng)度 奇偶超級(jí)模的相位差 隨邊界空氣孔半徑的減小而變化。Ap可以看作波導(dǎo)邊緣 的空氣孔半徑與0.35"的差的函數(shù)，這個(gè)差值表示為Ar，這個(gè)變量又依賴于傳 播距離z。那么傳播距離Z后啁啾區(qū)域奇偶模相位差可以表示為，=f A/ (AKz))^z (i)當(dāng)啁啾區(qū)域的這些孔中充入其它介質(zhì)，折射率為1.08時(shí)，在啁啾區(qū)域波導(dǎo) 邊緣孔半徑分別是0.35a,0.355，0.36，0.37，0.378"及0.38a時(shí)，根據(jù)相應(yīng)定向耦合 區(qū)域的色散關(guān)系曲線，用最小二乘法二次擬合得到Ap隨Ar變化的表示式，Ap(Ar) = 687.4576;rAr2/a3 — 12.0756;rAr/a2 + 0.0292丌/" (2)設(shè)定耦合區(qū)域的長(zhǎng)度是5"。 Ar和z之間的關(guān)系可以通過靈活的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn) 開關(guān)操作。這里，這些邊界空氣孔的半徑以每步0.001"從0.38a到0.37a逐步變 小。而以每步0.002a從0.37a減小到0.36a。接下來(lái)，這些邊界空氣孔半徑以每 步0.005a減小到0.35a。隨著這些半徑被減小，每步空氣孔半徑改變的步長(zhǎng)變大。 原因在于奇偶模傳播常數(shù)差隨這些半徑的減小而變小，所以為了得到小的耦合 長(zhǎng)度可以增大這些半徑變化的步長(zhǎng)。同時(shí)，兩波導(dǎo)的光學(xué)特性被逐步的改變， 可以避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的后向反射。Ar可以表示為z的函數(shù)形式，<formula>formula see original document page 9</formula>所以在這個(gè)定向耦合中，奇偶模式總的相位差可以通過分別計(jì)算耦合區(qū)域 和啁啾區(qū)域的奇偶模相位差獲得，在設(shè)定的開關(guān)頻率，根據(jù)方程(1)和(4)，奇偶超級(jí)模之間的總相位差是 4.74冗。當(dāng)啁啾區(qū)域的這些孔中充入空氣時(shí)，根據(jù)啁啾區(qū)域波導(dǎo)邊緣空氣孔半徑分 別是0.35a, 0.375a及0.38a時(shí)色散關(guān)系，可以得到A/ 的二次擬合表示，= 36.8177*2 / a3 + 8.7647* / a2 + 0扁7;r / a (5)在退耦區(qū)域，奇偶模的色散關(guān)系曲線顯示在圖3 (a)中。在設(shè)定的開關(guān)頻率， 由于奇偶超級(jí)模具有相同的傳播常數(shù)，所以兩波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)完全退耦。根據(jù)以 上方程計(jì)算，奇偶超級(jí)模之間的總相位差是8.132;r。在圖2中，當(dāng)端口 1作為 入射端，用有限時(shí)域差分方法計(jì)算了這個(gè)結(jié)構(gòu)。如圖3 (b)，在設(shè)定的開關(guān)頻率 處，端口 4對(duì)端口 2是-30.52dB，端口 3的后向反射對(duì)端口 2的消光比是-17.92dB. 這證實(shí)了開關(guān)處在'bar，狀態(tài)。這個(gè)總的相位差接近;r的偶數(shù)倍，這說(shuō)明用這個(gè)結(jié) 果可以用來(lái)設(shè)計(jì)啁啾結(jié)構(gòu)。隨著耦合區(qū)域和啁啾區(qū)域的孔折射率變?yōu)?.08，耦合 區(qū)域及退耦區(qū)域與啁啾區(qū)域界面的色散曲線顯示在圖3 (a)中。根據(jù)以上的計(jì) 算結(jié)果總相位差為4.74;r接近于;r的奇數(shù)倍。當(dāng)光在端口 1輸入時(shí)，如圖3 (b) 所示，端口 2和3對(duì)端口 4的消光比分別是-34.55 dB和-22.27 dB。說(shuō)明此時(shí)開 關(guān)處于"cross"狀態(tài)。因?yàn)閿M合或者相位隨步長(zhǎng)變化有躍變等原因，此時(shí)的由 色散關(guān)系曲線計(jì)算的總相位值離5;r有較大的偏離，但這些計(jì)算仍然可以用來(lái)設(shè) 計(jì)啁啾結(jié)構(gòu)以滿足實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的需要。由于這些孔小的折射率變化，耦合區(qū) 域及耦合區(qū)域和退耦區(qū)域界面的色散關(guān)系類似于這些孔充入空氣時(shí)相應(yīng)的色散 曲線。那么在啁啾區(qū)域和耦合區(qū)域及退耦區(qū)域的界面，避免了波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì) 失配，從而避免了產(chǎn)生較大的后向反射。最后用時(shí)域有限差分方法計(jì)算了圖1所示的可重構(gòu)上下路分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)。當(dāng)光波在端口 A入射及開關(guān)處于'cross'狀態(tài)時(shí)，在端口 B, C及D處的傳輸譜顯 示在圖4 (a)中，設(shè)定波長(zhǎng)的傳輸信號(hào)可以帶著超過90%的效率下路到端口 D。 同樣的，當(dāng)端口C作為入射端時(shí)，端口A， B及D的傳輸譜顯示在圖4 (b)中， 信號(hào)帶著超過90%的下路效率可以上傳到端口 B。如圖4 (c)所示，當(dāng)這個(gè)2x2 開關(guān)處于OFF狀態(tài)時(shí)，下路信號(hào)能夠通過上路波導(dǎo)再次上傳到上路波導(dǎo)從而可 以實(shí)現(xiàn)超過80%的能量重新上傳到端口 B。信號(hào)的損失源于這些光子晶體光器 件的反射累積。圖5 (a) ， (b)及(c)分別顯示了在這三種操作情況下發(fā) 射操作波長(zhǎng)連續(xù)波得到的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布。模擬結(jié)果顯示本發(fā)明可重構(gòu)光上下路復(fù)用器(ROADM)能夠在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 配置波長(zhǎng)通道和進(jìn)行動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由。在通信窗口操作波長(zhǎng)是1550"m時(shí)，這個(gè) 器件結(jié)構(gòu)的大小是30戶x22/^,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前傳統(tǒng)器件的尺寸大小。因此，本發(fā) 明的可重構(gòu)光上下路復(fù)用器具有尺寸微小，集成度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于未來(lái)密集 波分復(fù)用光通信系統(tǒng)。其中的上下路復(fù)用器具有上下路效率高的特點(diǎn)，2x2定 向耦合光開關(guān)具有耦合長(zhǎng)度短，消光比高的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種基于二維光子晶體的可重構(gòu)上下路復(fù)用器，其特征在于包括上端波導(dǎo)(1)、下端波導(dǎo)(2)、位于上下端波導(dǎo)之間的上路波導(dǎo)(3)和下路波導(dǎo)(4)，以及連接上下路波導(dǎo)的彎曲波導(dǎo)(5)，彎曲波導(dǎo)(5)的兩端通過光子晶體彎曲結(jié)構(gòu)分別與上路波導(dǎo)(3)、下路波導(dǎo)(4)連接，彎曲波導(dǎo)(5)與下端波導(dǎo)(2)近距離平行放置構(gòu)成一個(gè)2×2定向耦合光開關(guān)，上端波導(dǎo)(1)和下路波導(dǎo)(4)通過點(diǎn)缺陷的下路微腔(6)連接，上端波導(dǎo)(1)和上路波導(dǎo)(3)通過點(diǎn)缺陷的上路微腔(7)連接；波長(zhǎng)選擇性反射微腔(8)是一邊耦合到上端波導(dǎo)(1)的點(diǎn)缺陷微腔，位于上路微腔(7)和下路微腔(6)之間且與上下路微腔距離相同；上路微腔(7)、下路微腔(6)及波長(zhǎng)選擇性反射微腔(8)的共振頻率相同；下路微腔(6)衰減進(jìn)上端波導(dǎo)(1)的Q因子Q1與下路微腔(6)衰減進(jìn)下路波導(dǎo)(4)的Q因子Q2之比Q1/Q2等于2，下路微腔(6)與波長(zhǎng)選擇性反射微腔(8)之間沿上端波導(dǎo)(1)方向的距離上產(chǎn)生的相位差2βd是π的奇數(shù)倍，其中，d是沿上端波導(dǎo)方向下路微腔(6)與波長(zhǎng)選擇性反射微腔(8)之間的距離，β是共振頻率時(shí)上端波導(dǎo)模的傳播常數(shù)，上路微腔(7)的結(jié)構(gòu)及其與波長(zhǎng)選擇性反射微腔(8)的關(guān)系完全相同于下路微腔(6)，以上所述的三個(gè)微腔和上端波導(dǎo)以及上下路波導(dǎo)一起構(gòu)成上下路復(fù)用器；所述2×2定向耦合光開關(guān)分為一個(gè)中心耦合區(qū)域、兩端的退耦區(qū)域及兩個(gè)中間過渡性的啁啾區(qū)域，退耦區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑通過均一的變化使得此區(qū)域奇偶模傳播常數(shù)之差接近零，耦合區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑通過均一的變化使得此區(qū)域奇偶模傳播常數(shù)之差增大，啁啾區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑漸進(jìn)變化，從退耦區(qū)域過渡到耦合區(qū)域，兩個(gè)啁啾區(qū)域和一個(gè)耦合區(qū)域的奇偶模總相位差為π的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于二維光子晶體的可重構(gòu)光上下路復(fù)用器，包括上端波導(dǎo)、下端波導(dǎo)、上路波導(dǎo)和下路波導(dǎo)，以及連接上下路波導(dǎo)的彎曲波導(dǎo)，上端波導(dǎo)和上下路波導(dǎo)分別通過上下路微腔連接，波長(zhǎng)選擇性反射微腔位于上下路微腔之間；三個(gè)微腔的共振頻率相同；上下路微腔的Q因子比及上下路微腔與其相應(yīng)的波長(zhǎng)選擇性微腔沿上端波導(dǎo)方向的距離滿足一定的相位關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)能量在上端波導(dǎo)和上下路波導(dǎo)之間的完全轉(zhuǎn)移；三個(gè)微腔和上端波導(dǎo)及上下路波導(dǎo)一起構(gòu)成上下路復(fù)用器，彎曲波導(dǎo)與下端波導(dǎo)近距離平行放置構(gòu)成2×2定向耦合光開關(guān)，分為中心耦合區(qū)域、退耦區(qū)域及中間過渡性啁啾區(qū)域，啁啾區(qū)域中靠近波導(dǎo)的介質(zhì)柱半徑漸進(jìn)變化。本發(fā)明的復(fù)用器尺寸微小、集成度高。
文檔編號(hào)G02B6/293GK101251628SQ20081003556
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者任宏亮, 淳 姜, 胡衛(wèi)生 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)