基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器

摘要

本发明涉及一种基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，为三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，其由两个水平的输入和输出波导中引入一个由一大一小嵌套的两个非等边六边形状的环形腔构成，且该环形腔内部中心对称分布若干个介质柱，整个结构对称分布。选择合适的结构参数，该路由器可同时实现：单波长输入光波的前向下路和后向下路功能；两个波长输入光波的前向下路和后向下路功能；及两个波长的前向与后向下路方向互相对调的功能。相比单个环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，本发明下路效率明显提高，可以高达100%，且该路由器具有结构简单、易于制备、尺寸小、成本低、稳定性高，功能灵活等突出特点，在全光集成回路网络中有重要应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，主要用在光波分复用通信系统中实现路由选择，以及一切需要实现滤波功能的光通信系统。

背景技术

随着光通信技术的迅速发展，作为光通信系统的核心技术，密集波分复用技术及光分插复用技术获得人们广泛的关注，而这些技术的核心器件之一光路由器的性能直接影响到整个通信系统的质量，因而成为研究的热点。光路由器本质上是一种光学滤波器，宏观上可以实现输出光从器件的不同端口输出。理想的光路由器应具有结构简单、尺寸小、易于制备、高下路效率及高灵活性等特性。

现有技术[1](参见Optics express, Qiang Z, Zhou W, Soref R A. 2007, 15(4): 1823-1831.)描述的是一种四方晶格介质柱类型的二维光子晶体。通过在光子晶体中引入准四方环形谐振腔，实现了谐振波的后向下路输出。单个谐振腔结构的该二维光子晶体下路效率不到80%；而且如果需要实现谐振波在下路波导的前向输出，必须再引入一个谐振腔，通过设计相对位置来实现。可见，该结构不仅下路效率不高而且多引入了谐振腔必然导致结构更复杂。

现有技术[2]（参见Optik-International Journal for Light and ElectronOptics, Taalbi A, Bassou G, Mahmoud M Y. 2013, 124(9): 824-827.）描述的是一种三角晶格介质柱类型的二维光子晶体。通过在该二维光子晶体中引入“8”形的谐振腔结构，实现了谐振波的后向下路功能。但如果要实现谐振波的前向下路输出，也是必须要再引入一个谐振腔才可以实现，从而增大了器件结构的复杂性，器件尺寸也明显增大。

现有技术[3]（参见Optics Communications, Mahmoud Youcef Mahmoud,Ghaouti Bassou et al, 2012, 285(3): 368–372.）描述的是一种“X”形谐振腔结构的三角晶格介质柱型二维光子晶体。单个“X”形谐振腔结构的该光子晶体可实现前向下路功能。但要实现后向下路功能必须采用两个“X”形谐振腔结构，且后向下路效率只有60%，因而下路效率不高，且增加了结构的复杂性。

现有技术[4]（参见ACP/IPOC 2013, Jinghong Zhang, Hongliang Ren et al,2013, AF2B. 6.）描述的是一种组合三角晶格和四方晶格介质柱结构的二维光子晶体。其具体结构是在输入和输出波导中间引入含菱形谐振腔结构的三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，在输入和输出波导两侧为四方晶格介质柱结构的二维光子晶体。通过改变外部磁场的方向可以实现输出光的前向下路和后向下路输出。该结构可以得到较高的下路效率，但由于是异质结构，整个结构复杂性较高，不易实现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单，性能优异的基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，同时具有尺寸小，制备简单，光学功能灵活的特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：采用三角晶格介质柱结构的二维光子晶体为基本结构，在该结构中引入大环套小环的嵌套环形谐振腔结构实现谐振耦合。该单个嵌套环形谐振腔结构具有两个环形腔，选择合适的介质柱折射率和半径即可实现输入光波的灵活的路由选择功能。

根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：

一种基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，其基本结构是三角晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括水平输入波导、水平输出波导和位于两波导中间的嵌套环形谐振腔，其整个结构对称分布，所述嵌套环形谐振腔由两个嵌套的六边形状的大介质柱排布结构和小介质柱排布结构构成，且两个六边形状介质柱排布结构的中心对称分布有若干个介质柱。

所述的嵌套环形谐振腔中的六边形状的大介质柱排布结构和小介质柱排布结构为非等边六边形，其水平两个边长分别相等，四个侧边的边长分别相等，且水平两个边的边长大于四个侧边的边长；此外，大介质柱排布结构和小介质柱排布结构不相邻，至少间隔一排介质柱，形成了一个环形腔。

所述的嵌套环形谐振腔，其中心的介质柱与小介质柱排布结构不相邻，至少间隔一排介质柱，形成了另一个环形腔。

路由器整个结构为对称结构，水平输入波导、水平输出波导中的任何一个波导既能作为输入波导，也能作为输出波导。

路由器整个结构为对称结构，因而输入波导中入射光能够从左侧输入，或从右侧输入。

通过选择合适的介质柱折射率和半径，可以实现：单波长输入光波的前向下路和后向下路功能；两个波长输入光波的前向下路和后向下路功能；及两个波长的前向与后向下路方向互相对调的功能。

本发明的技术效果：

相比现有技术[1]的单个谐振环结构的80%的后向下路效率和现有技术[3]的双“X”形谐振腔结构的60%的后向下路效率，本发明结构的下路效率明显提高，可达100%。另一方面，本发明结构仅采用单个该嵌套环形谐振腔结构即可同时实现输入光波的前向下路与后向下路功能，因而与现有技术[1]必须采用两个准环形谐振腔结构和现有技术[2]必须采用两个“8”形的谐振腔结构才能实现前向下路功能，及与现有技术[3]必须采用两个“X”形谐振腔结构才能实现后向下路功能相比，本发明结构更简单，功能也更灵活。与现有技术[4]采用复杂的不同晶格结构的异质结构光子晶体相比，本发明结构更简单，更易于实现，且下路功能也更灵活。综上，本发明的光学路由器具有结构简单、易于实现、尺寸小、可靠性高、性能优异及功能更灵活等突出特点。

附图说明

图1为本发明基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器的结构示意图。其中（1）和（2）为水平输入和输出波导，（3）为嵌套结构的环形谐振腔，a为晶格常数，四个端口按顺时针从左到右依次标记为A、B、C和D端口。

图2为嵌套环形谐振腔的结构示意图。其中，（3.1）为外部的大介质柱排布结构，（3.2）为内部的小介质柱排布结构，（3.3）为中心对称分布的若干个介质柱。

图3为本发明实施例1的光学路由器在1680nm波长处的光场分布图。其中（a）为前向输出时的光场分布（b）为后向输出时的光场分布。

图4为本发明实施例2的光学路由器的光场分布图。其中（a）波长为1550nm（b）波长为1680nm。

图5为本发明实施例3的光学路由器在端口C和D的归一化透射谱图。其中（a）1700nm波长光前向下路和1720nm波长光后向下路时的归一化透射谱（b）1700nm波长光后向下路和1720nm波长光前向下路时的归一化透射谱。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

参见图1和图2，一种基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，其基本结构是三角晶格介质柱类型的二维光子晶体，包括水平输入波导1、水平输出波导2和位于两波导中间的嵌套环形谐振腔3，其整个结构对称分布，所述嵌套环形谐振腔3由两个嵌套的六边形状的大介质柱排布结构3.1和小介质柱排布结构3.2构成，且两个六边形状介质柱排布结构的中心对称分布有若干个介质柱3.3。

所述的嵌套环形谐振腔3中的六边形状的大介质柱排布结构3.1和小介质柱排布结构3.2为非等边六边形，其水平两个边长分别相等，四个侧边的边长分别相等，且水平两个边的边长大于四个侧边的边长；此外，大介质柱排布结构3.1和小介质柱排布结构3.2不相邻，至少间隔一排介质柱，形成了一个环形腔。

所述的嵌套环形谐振腔3，其中心的介质柱3.3与小介质柱排布结构3.2不相邻，至少间隔一排介质柱，形成了另一个环形腔。

路由器整个结构为对称结构，水平输入波导1、水平输出波导2中的任何一个波导既能作为输入波导，也能作为输出波导。

路由器整个结构为对称结构，因而输入波导中入射光能够从左侧输入，或从右侧输入。

本基于嵌套环形腔结构的二维光子晶体光学路由器，通过选择合适的介质柱折射率和半径，可以实现：单波长输入光波的前向下路和后向下路功能；两个波长输入光波的前向下路和后向下路功能；及两个波长的前向与后向下路方向互相对调的功能。

下面给出具体实例：

实施例1：

本实施例用于单波长1680nm输入光的前向和后向下路输出。

整个光学路由器结构见附图1。其为三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，整个结构为2721介质柱阵列，背景材料为空气，介质柱材料为常用的硅材料（折射率n=3.46），晶格常数a=0.6245μm，介质柱半径R=0.12μm。在该完整光子晶体中分别移除上下第六行介质柱形成两个水平波导1和2。两个水平波导中间为嵌套环形谐振腔结构3，其外部的大介质柱排布结构3.1水平方向有7个介质柱，四个侧边方向有5个介质柱；其内部的小介质柱排布结构3.2水平方向有5个介质柱，四个侧边方向有3个介质柱，且大介质柱排布结构3.1和小介质柱排布结构3.2中间间隔一排介质柱，形成了一个环形腔。中心对称分布的介质柱3.3由3个介质柱构成，与小介质柱排布结构3.2中间也间隔一排介质柱，形成了另一个环形腔。整个结构的尺寸约18*12μm²。在输入波导端口A输入高斯调制的光脉冲，端口B、C、D作为输出端口。此时各端口的光场分布如图3（a）所示。当其他参数不变，而图2中所示小介质柱排布结构3.2中的介质柱半径R=0.10μm时，各端口的光场分布如图3（b）所示。由图3（a）和3（b）可见，选择合适的结构参数实现了单波长1680nm输入光在端口C的前向下路输出和在端口D的后向下路输出。此外，该波长光前向下路时在端口C的透射率为100%，后向下路时在端口D的透射率为90%。可见该光学路由器具有较高的下路效率。

实施例2：

本实施例用于双波长光，即1550nm和1680nm输入光的前向和后向下路输出。

整个光学路由器结构见附图1。其为三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，整个结构为2721介质柱阵列，背景材料为空气，介质柱材料为常用的硅材料（折射率n=3.46），晶格常数a=0.6245μm，介质柱半径R=0.12μm。在该完整光子晶体中分别移除上下第六行介质柱形成两个水平波导1和2。两个水平波导中间为嵌套谐振腔结构3，其外部的大介质柱排布结构3.1水平方向有7个介质柱，四个侧边方向有5个介质柱；其内部的小介质柱排布结构3.2水平方向有5个介质柱，四个侧边方向有3个介质柱，且大介质柱排布结构3.1和小介质柱排布结构3.2中间间隔一排介质柱，形成了一个环形腔。中心对称分布的介质柱3.3由3个介质柱构成，与小介质柱排布结构3.2中间也间隔一排介质柱，形成了另一个环形腔。整个结构的尺寸约18*12μm²。在输入波导端口A输入高斯调制的光脉冲，端口B、C、D作为输出端口。此时1550nm波长处的各端口光场分布如图4（a）所示，1680nm波长处的各端口光场分布如图4（b）所示。由图4（a）和4（b）可见，选择合适的结构参数实现了1550nm波长光在端口D的后向下路输出和1680nm波长光在端口C的前向下路输出。此外，1550nm波长光后向下路时在端口D的透射率为100%，1680nm波长光前向下路时在端口C的透射率为100%，可见该光学路由器具有完美的下路效率。

实施例3：

本实施例用于双波长光，即1700nm和1720nm输入光的前向和后向下路输出，并且可以实现两谐振波长输出方向对调的功能。

整个光学路由器结构见附图1。其为三角晶格介质柱结构的二维光子晶体，整个结构为2721介质柱阵列，背景材料为空气，介质柱材料的折射率n=3.6，晶格常数a=0.6245μm，介质柱半径R=0.12μm。在该完整光子晶体中分别移除上下第六行介质柱形成两个水平波导1和2。两个水平波导中间为嵌套谐振腔结构3，其外部的大介质柱排布结构3.1水平方向有7个介质柱，四个侧边方向有5个介质柱；其内部的小介质柱排布结构3.2水平方向有5个介质柱，四个侧边方向有3个介质柱，且大介质柱排布结构3.1和小介质柱排布结构3.2中间间隔一排介质柱，形成了一个环形腔。中心对称分布的介质柱3.3由3个介质柱构成，与小介质柱排布结构3.2中间也间隔一排介质柱，形成了另一个环形腔。整个结构的尺寸约18*12μm²。在输入波导端口A输入高斯调制的光脉冲，端口B、C、D作为输出端口。此时端口C和D处的透射谱分别如图5（a）中的实线和虚线所示。可见此时1700nm波长光在端口C和端口D处的透射率分别为0.92和0.18，说明此时1700nm波长光实现了在端口C的前向下路输出。而此时1720nm波长光在端口C和端口D处的透射率分别为0.12和0.95，说明此时1720nm波长光实现了在端口D的后向下路输出。

其它参数保持不变，当所有介质柱折射率n=3.50，R=0.117μm时，此时端口C和D处的透射谱分别如图5（b）中的实线和虚线所示。可见此时1700nm波长光在端口C和端口D处的透射率分别为0.18和0.99，说明此时1700nm波长光实现了在端口D的后向下路输出。而此时1720nm波长光在端口C和端口D处的透射率分别为0.99和0.12，说明此时1720nm波长光实现了在端口C的前向下路输出。

综上可知，选择合适的结构参数，该结构光子晶体实现了双波长光，即1700nm和1720nm输入光的前向和后向下路输出，并且可以实现两谐振波长输出方向对调的功能，同时具有较高的下路效率。