1 引 言
光子晶體是20世紀(jì)末興起的一種新型人工材料，它的介電常數(shù)和折射率等在空間中具有一定的周期性，由此產(chǎn)生布拉格散射，使光子晶體具有光子帶隙的特性[1- 2]。由光子晶體制成的各種光通信器件，包括全光開關(guān)[3]、光調(diào)制器[4]、光分束器[5]、波分復(fù)用/解波分復(fù)用器[6-7]等，具有尺寸小、損耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。
目前，基于光子晶體的解波分復(fù)用器主要采用波導(dǎo)或諧振腔來實(shí)現(xiàn)耦合選頻。前者是將耦合波導(dǎo)與入射波導(dǎo)鄰近放置，通過調(diào)整耦合波導(dǎo)的長度和耦合介質(zhì)柱的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[8]，當(dāng)通道數(shù)量增加時，器件長度將會變得很可觀；后者主要是利用諧振腔自身固有的諧振頻率實(shí)現(xiàn)選頻濾波，并且可實(shí)現(xiàn)不同諧振頻率的調(diào)制[9-10]。Kumar等[11]為了提高耦合效率，采用在光子晶體中嵌入環(huán)形諧振腔的方法，成功將主波導(dǎo)中的光波完全局域在環(huán)形諧振腔中。Djavid等[12]分析了環(huán)形諧振腔各參數(shù)對光波傳輸?shù)挠绊懀⒉捎霉庾泳w異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了解波分復(fù)用。近幾年，基于光子晶體波導(dǎo)、諧振腔的解波分復(fù)用器研究已成為科研工作者的研究熱點(diǎn)[13-14]。但已發(fā)表的基于環(huán)形腔的濾波器很少能充分利用環(huán)形腔的多模特性，大多只利用了其中的一個諧振模式，如果增加通道數(shù)量，相應(yīng)環(huán)形腔數(shù)量必須增加，器件物理尺寸變大，不利于器件集成。
本文研究了環(huán)形腔的諧振規(guī)律，為每個環(huán)形腔搭配2個微腔，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型三角晶格四通道解波分復(fù)用器。與文獻(xiàn)[10]相比，該結(jié)構(gòu)有效利用了環(huán)形腔的多模特性，明顯減小了器件的物理尺寸。
2 原理與分析
在空氣背景中按三角陣列周期性插入圓形介質(zhì)柱，構(gòu)成完整的二維三角晶格光子晶體。晶格常數(shù) a =560 nm，空氣折射率 n0 =1，介質(zhì)柱選用砷化鎵，其折射率 n =3.4，半徑 r =0.2a。利用平面波展開法(PWE)[15]計(jì)算其帶隙結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1(a)為TE極化波下的帶隙，歸一化頻率為0.28~0.45和0.57~0.60，圖1(b)為TM極化波下的帶隙，歸一化頻率為0.82~0.88。為使解波分復(fù)用器有更大的頻率選擇范圍，本文選用較寬的帶隙，即TE極化波下歸一化頻率為0.28~0.45。
在完整光子晶體中去除一圈六邊形介質(zhì)柱形成環(huán)形腔。當(dāng)去除介質(zhì)柱的數(shù)量不同時，可形成如圖2中內(nèi)插圖所示的 7中心柱、19中心柱和 37中心柱的環(huán)形腔。采用時域有限差分法(FDTD)[15]，以完全匹配層(PML)作為吸收邊界條件，分別分析環(huán)形腔的透射譜，如圖2所示，圖中λ為入射波波長。由圖2可以看到每個環(huán)形腔的透射譜都存在多個透射峰，表明環(huán)形腔具有多模的特性，這與文獻(xiàn)[16]的論述一致。此外，觀察1600 nm附近的透射峰可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)形腔中心柱數(shù)量的增加，此透射峰逐漸由1個分裂為3個。為了不使這種模式分裂現(xiàn)象對器件性能產(chǎn)生影響，本文選用圖2(a)所示7中心柱的環(huán)形腔。然后調(diào)節(jié)此環(huán)形腔中心柱半徑的大小，分析其對環(huán)形腔透射譜的影響，如圖 3所示。其中實(shí)線和虛線分別代表中心柱半徑為0.73r和0.85r的環(huán)形腔。從圖中可以看出：增大環(huán)形腔中心柱的半徑，透射峰向長波方向移動；反之，透射峰向短波方向移動，且長波移動速度快于短波。對比2個環(huán)形腔的透射譜可知：改變環(huán)形腔中心柱的半徑使透射峰的位置發(fā)生移動而不影響透射峰的數(shù)量。這一特性為設(shè)計(jì)多通道解波分復(fù)用器提供了前提。
在完整光子晶體中引入點(diǎn)缺陷，即減小一個介質(zhì)柱的半徑可形成微腔，用時域有限差分法分析其諧振特性。結(jié)果表明，微腔具有單一的諧振波長，禁帶內(nèi)只存在一個波長模式，并且其諧振波長隨中心柱半徑的減小而減小，這與文獻(xiàn)[10]的論述相一致。如圖4(a)所示將環(huán)形腔與微腔鄰近放置，配合輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)構(gòu)成耦合選頻單元。當(dāng)環(huán)形腔中心柱的半徑為0.85r，微腔中心柱的半徑為0.425r時，計(jì)算耦合選頻單元的透射譜，由圖4(b)可知輸出端只有一個透射峰，對應(yīng)波長為1591 nm。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)環(huán)形腔的諧振波長與微腔的諧振波長相同時，該波長的光波才會在兩種結(jié)構(gòu)器件之間產(chǎn)生諧振，并通過輸出波導(dǎo)輸出，其他波長的光波則會被禁止輸出，因此實(shí)現(xiàn)了濾波功能[16-17]。
3 設(shè)計(jì)與討論
基于上述分析，通過設(shè)置不同的環(huán)形腔中心柱半徑和微腔中心柱半徑，使環(huán)形腔的諧振波長和微腔的諧振波長相一致，就可以輸出不同波長的光波。據(jù)此可以改進(jìn)上述耦合選頻單元，充分利用環(huán)形腔的多模特性，在小尺寸上實(shí)現(xiàn)多通道解波分復(fù)用功能。
圖5為改進(jìn)型四通道解波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖，由2個環(huán)形腔、4個微腔以及輸入輸出波導(dǎo)組成。根據(jù)環(huán)形腔的諧振規(guī)律可知：不同結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔，可以局域不同頻率的光波。為了使2個環(huán)形腔局域的光波符合G694.2標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化調(diào)節(jié)2個環(huán)形腔中心柱半徑分別為Rh1=0.695r、Rh2=0.85r，使其可以局域歸一化頻率分別為0.3611、0.3807和0.3520、0.3706的光波。微腔作為環(huán)形腔和輸出波導(dǎo)的耦合選頻結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其中心柱的半徑為Rd1=0.41r、Rd2=0.254r、Rd3=0.325r、Rd4=0.425r，使其諧振波長分別與相應(yīng)環(huán)形腔的諧振波長相同，
最終計(jì)算得出解波分復(fù)用器的透射譜如圖6所示，在1471、1511、1551、1591 nm處產(chǎn)生了明顯的透射峰，實(shí)現(xiàn)了4種不同波長的光波分別經(jīng)由A、B、C、D 4個通道輸出。
信道隔離度是衡量濾波器性能的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，它是某通道中有用頻率光功率與干擾頻率光功率之比：DCI = 10 lg(P0 /P1) ，單位為dB，其中 P0 表示通道中特定頻率光波的功率，P1 表示其他各通道泄漏到此通道的光波功率之和。濾波器的信道隔離度越大，通道間串?dāng)_越小。上述解波分復(fù)用器各通道的信道隔離度如圖7所示，可以看出各通道的信道隔離度均在20 dB以上，表明各通道間串?dāng)_較小。進(jìn)一步分析其在單一頻率連續(xù)波下的傳輸特性，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，得到如圖8所示的場分布圖。由圖可知，不同波長的光波經(jīng)由相應(yīng)的通道輸出。此外，完整結(jié)構(gòu)的尺寸大小為13 μm×22 μm，物理尺寸較小，便于集成。
考慮到實(shí)際制作過程中可能存在介質(zhì)柱半徑的偏差，現(xiàn)在討論此偏差對上述解波分復(fù)用器各通道透射率的影響，結(jié)果如表1所示。介質(zhì)柱半徑偏大或偏小都會使各通道透射率降低，且偏差越大，各通道透射率越低。由表1可知，當(dāng)半徑偏差為+2%時，透射率仍能達(dá)到58.7%以上。此外，當(dāng)介質(zhì)柱半徑偏小時，A通道透射率比D通道透射率減小速度更快；相反，當(dāng)介質(zhì)柱半徑偏大時，D通道透射率比A通道透射率減小速度更快。這是因?yàn)楫?dāng)介質(zhì)柱半徑偏小時，諧振腔的諧振曲線會發(fā)生藍(lán)移，且波長越長藍(lán)移速度越快；反之，當(dāng)介質(zhì)柱半徑偏大時，諧振腔的諧振曲線會發(fā)生紅移，且波長越長紅移速度越快。因此，在介質(zhì)柱半徑的精度控制方面應(yīng)加強(qiáng)工藝技術(shù)，盡可能減小偏差，以獲得優(yōu)良的濾波性能。
4 結(jié) 論
基于光子晶體的光子帶隙和光子局域的特性，研究了二維光子晶體微腔和環(huán)形腔的諧振規(guī)律。結(jié)合波導(dǎo)、環(huán)形腔和微腔設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型三角晶格四通道解波分復(fù)用器，充分利用了環(huán)形腔的多模特性，不僅實(shí)現(xiàn)了解波分復(fù)用功能，而且使器件尺寸明顯減小。數(shù)值分析結(jié)果表明，各通道的透射率都達(dá)到90%以上，信道隔離度均大于20 dB。此外，研究了單一頻率的光波在解波分復(fù)用器中的傳輸特性，并給出了場分布圖。
該四通道解波分復(fù)用器不但調(diào)節(jié)簡單、耦合效率較高，而且結(jié)構(gòu)更加緊湊、器件尺寸更小，為在小尺寸上實(shí)現(xiàn)多通道解波分復(fù)用提供了新思路。
參 考 文 獻(xiàn)
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