本發(fā)明涉及一種高效率的多頻點1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來，光子晶體作為一種具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工材料，由于其尺寸小、易集成，能在光波長尺寸控制光傳播等特性，在集成光學(xué)里扮演著愈加重要的角色。而光子晶體分束器是實現(xiàn)光集成電路中不可或缺的元件?；诠庾泳w平板的T型分束器(文獻(xiàn)1：S.Foghani,H.Kaatuzian,and M.Danaie,“Simulation and design of a wideband T-shaped photonic crystal splitter,”O(jiān)ptica Applicata,vol.XL,pp.865-872,2010)、Y型分束器(文獻(xiàn)2:N.Nozhat and N.Granpayeh,“Analysis and simulation of a photonic crystal power divider,”J.Appl.Sci.,vol.7,pp.3576–3579,2007.)等已經(jīng)被大量的提出和應(yīng)用，1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)近年來成為了研究的熱點。文獻(xiàn)3(文獻(xiàn)3:X.Zhou,and J.Shu,“Novel 1×3splitter based on photonic crystal self-collimation effect,”Acta Optica Sinica,Vol.33,No.4,2013)設(shè)計了一種基于正方形晶格二維光子晶體自準(zhǔn)直效應(yīng)的1×3分束器，該分束器僅能實現(xiàn)對1551nm單個波長光波的分束，且其分光角度很小，尺寸較大，限制了其在大規(guī)模集成電路中的應(yīng)用。

由于光子晶體波導(dǎo)具有體積小、損耗低、可實現(xiàn)大角度彎折、帶寬寬等特點，基于光子晶體波導(dǎo)的光分束器未來在超大規(guī)模集成光路中將會有廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)4(文獻(xiàn)4：J.Zhou,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,and H.Tian,“Multiplexed Simultaneous High Sensitivity Sensors with High-Order Mode Based on the Integration of Photonic Crystal 1×3Beam Splitter and Three Different Single-Slot PCNCs,”Sensors,vol.16,1050,Jul.2016)在集成復(fù)用傳感器結(jié)構(gòu)中集成了1×3分束器，其設(shè)計的1×3分束器能在多個頻點實現(xiàn)功率三等分，但是其每路輸出的透射率僅有13％左右，分光效率較低。

為了能在多頻點實現(xiàn)高效率的1×3分束效果，提出了一種高效率的多頻點1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明是要提供一種高效率的多頻點1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，且能在多個頻點實現(xiàn)高效率的1×3功率均分的分束效果。

(二)技術(shù)方案

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種1×3光子晶體分束器。它由圓形空氣柱在硅板上周期性排列構(gòu)成光子晶體?？諝庵呐帕谐书L方形。中間一行空氣孔被移除形成W1波導(dǎo)。在W1波導(dǎo)的兩側(cè)對稱的沿60°方向移除兩排空氣孔，形成120°的Y分支波導(dǎo)。為使各分支的光均沿水平方向輸出，在Y分支的兩端分別水平的移除一行空氣孔形成W1波導(dǎo)。中間W1波導(dǎo)的左端作為輸入通道。上下兩個W1波導(dǎo)和中間W1波導(dǎo)的右端作為三個輸出通道。在中間W1波導(dǎo)與120°Y分支波導(dǎo)構(gòu)成的1×3分支連接處的中心線兩側(cè)對稱放置兩個直角三角形柱，其距中心線的垂直距離可調(diào)。在Y分支末端與W1波導(dǎo)連接的120°彎曲拐角處，分別放置有一個等腰三角形空氣柱。由此構(gòu)成1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化方案為：

所述的構(gòu)成光子晶體的硅板厚度為240nm,折射率為3.48。

所述光子晶體結(jié)構(gòu)包含的空氣柱陣列大小為27×30，結(jié)構(gòu)尺寸為11.5μm×15μm。

所述的光子晶體為三角晶格，晶格常數(shù)為a＝500nm。半徑r＝0.32a。每個分支的W1波導(dǎo)寬度為其中a為所述光子晶體的晶格常數(shù)。

所述光子晶體分束器的1×3分支連接處上下兩直角三角形柱與水平中心線的垂直距離為d。兩直角三角形斜邊與水平方向夾角為30°，水平邊長度L為2(a-r)。

所述光子晶體分束器的上下兩120°彎曲拐角處的等腰三角形底邊與水平方向夾角為30°。

所述光子晶體分束器上、中、下三個分支輸出通道測量的透射功率分別為P1，P2，P3。三路輸出功率總和為P_total＝P1+P2+P3。

在本發(fā)明技術(shù)方案中，改變1×3分支連接處兩直角三角形柱的折射率n，可調(diào)整分束器各輸出通道的透射率和總輸出功率。初始設(shè)置n＝1，即為空氣柱。

采用本發(fā)明提供的光子晶體分束器進(jìn)行分束時，調(diào)節(jié)1×3分支連接處兩直角三角形空氣柱距結(jié)構(gòu)水平中心線的距離d，可實現(xiàn)三個輸出通道在指定頻率點的功率均勻分配。本發(fā)明將常用通信波長1550nm作為指定頻率點。

采用本發(fā)明提供的光子晶體分束器進(jìn)行分束時，能實現(xiàn)從1472nm到1622nm寬150nm波長范圍的較平坦分束。

本發(fā)明的原理是，通過在各分支連接處引入合適角度和大小的三角形柱，可以有效的引導(dǎo)光進(jìn)入各分支波導(dǎo)，一則能方便的控制三路輸出通道的功率分配，二則能有效的提高分束效率。

本發(fā)明提供的光子晶體分束器，僅通過引入線缺陷和柱缺陷的簡單方法構(gòu)成，在保證分束效果的同時，大大降低了結(jié)構(gòu)制備的復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)尺寸。另一方面，各輸出通道的輸出功率多少由1×3分支連接處兩直角三角形柱折射率及其與水平中心線垂直距離決定，靈活可控，可實現(xiàn)三個輸出通道在指定頻率點的功率均勻分配。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，且能同時在多個諧振波長(1468nm、1494nm、1538nm、1550nm、1570nm和1620nm)處實現(xiàn)高效率的1×3功率均勻分配。在六個功率均分頻率點處，三通道總輸出功率均在99％以上。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施提供的1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)示意圖，其中插圖是R1、R2、R3區(qū)域的放大圖。

圖2是利用FDTD方法計算得到的當(dāng)d＝0，n＝1時圖1中光子晶體分束器的分束效果圖。

圖3是利用FDTD方法計算得到的圖2中諧振波長λ＝1550nm時光子晶體分束器的電場分布圖。

圖4是利用FDTD方法計算當(dāng)d＝0，λ＝1550nm時圖1中光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3和三路總輸出功率P_total隨1×3分支連接處兩直角三角形柱折射率n的變化規(guī)律圖。

圖5是利用FDTD方法計算得到的當(dāng)d＝0，n＝1.12時圖1中光子晶體分束器的分束效果圖。

圖6是利用FDTD方法計算得到的圖5中諧振波長λ＝1550nm時光子晶體分束器的電場分布圖。

圖7是利用FDTD方法計算得到當(dāng)n＝1.12，λ＝1550nm時，圖1中光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3和三路總輸出功率P_total隨R2區(qū)域內(nèi)1×3分支連接處兩直角三角形柱與中心線垂直距離d的變化規(guī)律圖。

圖8是本發(fā)明實施提供的三路輸出功率均分即比例為1:1:1的光子晶體分束器(d＝0.0375μm，n＝1.12)的分束效果圖。

圖9是利用FDTD方法計算得到的圖8中諧振波長λ＝1550nm時光子晶體分束器的電場分布圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰，以下結(jié)合附圖，對發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本實施例提供的1×3光子晶體分束器結(jié)構(gòu)示意圖參見附圖1。其中，光子晶體的硅板厚度為240nm,折射率為3.48。光子晶體結(jié)構(gòu)包含的空氣柱陣列大小為27×30，排列成三角晶格，晶格常數(shù)為a＝500nm。半徑r＝0.32a。W1波導(dǎo)寬度為在R2區(qū)域，即中間W1波導(dǎo)與120°Y分支波導(dǎo)構(gòu)成的1×3分支連接處，放置有兩個直角三角形柱，折射率為n，其具中心線的垂直距離為d。在R1和R3區(qū)域，即Y分支末端與W1波導(dǎo)連接的120°彎曲拐角處，分別放置一個等腰三角形狀的空氣柱。分束器結(jié)構(gòu)共包含一個輸入通道，三個輸出通道。在輸入通道入口處放置光源，三個輸出通道出口處各放置一個探測器，上、中、下三個輸出通道的透射功率分別為P1，P2，P3，三路輸出功率總和為P_total＝P1+P2+P3。

首先利用FDTD方法計算得到當(dāng)d＝0，n＝1時圖1中光子晶體分束器的分束效果圖。如圖2所示，分束器能在1472nm到1622nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)150nm寬的較平坦的分束。在該150nm寬的分束范圍內(nèi)三路總輸出功率P_total始終大于94％，且在1534nm到1545nm范圍內(nèi)P_total大于99％。因兩個直角三角形柱移動相同的距離d，故上下兩個輸出通道透射功率相等。在諧振波長λ＝1550nm處，光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3和三路總輸出功率P_total分別為39.46％，18.69％，39.46％和97.61％。利用FDTD方法計算得到諧振波長λ＝1550nm時光子晶體分束器的電場分布圖如圖3所示。光在1×3分支連接處被有效的分成三束進(jìn)入對應(yīng)分支波導(dǎo)，在120°彎曲拐角處，光被有效的控制進(jìn)入輸出波導(dǎo)。

為了提高光子晶體分束器在1550nm處的總輸出功率P_total，對在R2區(qū)域內(nèi)兩個直角三角形柱的折射率n進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4是利用FDTD方法計算得到當(dāng)d＝0，λ＝1550nm時圖1中光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3和三路總輸出功率P_total隨1×3分支連接處兩直角三角形柱折射率n的變化規(guī)律圖。當(dāng)n從1到1.35變化時，P1，P3和P_total先增加后逐漸減小，P2先減小后逐漸增加。當(dāng)n在1.07到1.22范圍內(nèi)變化時，P_total大于99％，n＝1.12時P_total＝99.66％。利用FDTD方法計算得到的當(dāng)d＝0，n＝1.12時圖1中光子晶體分束器的分束效果圖如圖5所示。分束器的能在1472nm到1622nm(150nm寬)的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)較平坦的分束，除了1477nm到1492nm(15nm寬)范圍內(nèi)P_total大于95％小于97％之外，其余135nm波長范圍內(nèi)三路總輸出功率P_total均大于97％，且從1541nm到1565nm長達(dá)24nm的波長范圍內(nèi)P_total大于99％。圖6是利用FDTD方法計算得到的圖5中諧振波長λ＝1550nm時光子晶體分束器的電場分布圖。在諧振波長λ＝1550nm處，光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3和三路總輸出功率P_total分別為40.54％，18.58％，40.54％和99.66％?？梢钥吹?，在1550nm處三路輸出的總透射功率得到了增強(qiáng)。

改變1×3分支連接處兩直角三角形柱的位置參數(shù)d，可改變?nèi)齻€輸出通道中電磁波功率的分配比例。圖7是利用FDTD方法計算得到當(dāng)n＝1.12，λ＝1550nm時，圖1中圖1中光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3和三路總輸出功率P_total隨R2區(qū)域內(nèi)1×3分支連接處兩直角三角形柱與中心線垂直距離d的變化規(guī)律圖。當(dāng)d從0變化到0.1μm時，P1，P3逐漸減小，P2逐漸增加，三路總輸出功率P_total均大于98％。當(dāng)d＝0.0375μm時，三路輸出的輸出功率相等，P_total＝99.18％。

本發(fā)明實施提供的三路輸出功率均分即比例為1:1:1的光子晶體分束器的分束效果圖如圖8所示，此時光子晶體分束器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為d＝0.0375μm，n＝1.12。在諧振波長1468nm、1494nm、1538nm、1550nm、1570nm和1620nm處能實現(xiàn)功率均分。在諧振波長λ＝1550nm處，光子晶體分束器上、中、下三個輸出通道透射功率P1，P2，P3分別為33.05％，33.08％，33.05％，三路總輸出功率P_total達(dá)到99.18％。在諧振波長λ＝1468nm處，P1，P2，P3均為33.05％，P_total達(dá)到99.15％。在諧振波長λ＝1494nm處，P1，P2，P3分別為33.05％，33.06％，33.05％，P_total達(dá)到99.16％。在諧振波長λ＝1538nm處，P1，P2，P3均為33.2％，P_total高達(dá)99.6％。在諧振波長λ＝1570nm處，P1，P2，P3均為33％，P_total達(dá)到99％。在諧振波長λ＝1620nm處，P1，P2，P3分別為33.21％，33.17％，33.21％，P_total高達(dá)99.59％。圖9是利用FDTD方法計算得到的圖8中諧振波長λ＝1550nm時光子晶體分束器的電場分布圖，三路輸出通道內(nèi)的光場強(qiáng)度近似相等，總輸出功率達(dá)到99.18％，實現(xiàn)了高效的1×3均分。