[发明专利]高消光比短耦合长度光子晶体耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体耦合器，尤其涉及一种具有高消光比和短耦合长度的光子晶体耦合器，适用于光通信系统和集成光路。

背景技术

作为最有潜力的集成光路实现材料之一，光子晶体得到了广泛的研究。它由周期性排列的电介质材料组成，可以禁止某些频率范围的光通过，这种现象被称为光子带隙。利用这种特性，通过在材料中造成一定的缺陷，就可以实现光信号的传输。光子晶体耦合器是集成光路最重要的元件之一，它可以应用于波分复用，光开关，光滤波器，光数据存储等等。目前对于光子晶体耦合器已有大量的研究，主要集中在实现较短的耦合长度上。主要的方法是改变耦合区的结构，例如改变构成光子晶体的空气孔或介质柱的半径大小、数量以及位置等等。除了耦合长度之外，耦合器的消光比也是一个很重要的性能参数。消光比指从不期望输出端口输出的信号光能量与从期望输出端口输出的信号光能量之间的比值。然而，减小耦合长度和提高消光比之间存在着相互矛盾的关系。这主要与光在通过光子晶体耦合器时所产生的偶模和奇模能量大小之间的差异有关。一方面，当偶模和奇模之间的能量差异较大时，才能使耦合器的耦合长度较短，另一方面，要想获得较高的消光比，又必须使偶模和奇模的能量大小尽可能地接近。解决这一矛盾，研究出能够同时具有高消光比与短耦合长度的耦合器，有助于实现集成度高并且性能良好的光器件，对于未来光通信系统来说具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对光子晶体耦合器两种性能之间的矛盾和现有技术的不足，设计一种可解决这种矛盾的新型光子晶体耦合器，在实现短耦合长度的同时获得很高的消光比。

为实现这样的目的，在本发明的技术方案中，耦合器光子晶体材料的构成是在一种介电背景材料中加入另一中介电常数的介质棒，介质棒按照矩形或六边形晶格排列，晶格常数为a。

通过移除两排介质棒或空气孔来实现两条线缺陷波导，线缺陷波导之间由若干排介质棒或空气孔隔开；耦合器采用三段式级联结构，第一段和第三段为完全相同的长度为晶格常数a的高消光比波导，第二段为一个低消光比短耦合长度光子晶体耦合器；各段之间分别通过结构渐变的接口相连，以保证整个级联耦合器的光特性呈连续变化，整个耦合器长度为晶格常数的十倍数量级。

其中所述低消光比短耦合长度光子晶体耦合器，是在高消光比波导的基础上，改变与两条线缺陷波导邻近的四排光子晶体介质棒的半径大小来改变其传输特性。

由5个上述的高消光比短耦合长度光子晶体耦合器可以连接构成4乘4耦合器，两个位于输入端形成两个耦合区，两个位于输出端也形成两个耦合区，一个位于中心作为中心耦合区，共有4个输入端口以及4个输出端口。输入端的两个耦合区及输出端的两个耦合区与中心耦合区的连接段的两端采用圆弧状弯角来提高传输效率。

本发明的光子晶体材料电介率在1到25之间，介质棒半径在0.01a到0.5a之间。本发明耦合器的结构设计可以在耦合长度很短的情况下成功实现超过-30dB的消光比。其耦合长度小到晶格常数的十倍数量级。如果晶格常数a为几百纳米级的话，则耦合开关的长度仅为微米数量级。这将有助于提高集成光路的集成度，从而实现体积更小、更为便捷的光子器件和子系统，推动未来光通信系统和网络的发展。

附图说明

图1为本发明的高消光比短耦合长度光子晶体耦合器结构示意图。

图2为本发明的4乘4光子晶体耦合器结构示意图。

图3为本发明实施例中的光子晶体耦合器结构图。

图4为本发明实施例中2乘2光子晶体耦合器结构在输入归一化频率为0.2811的信号光时能量传输示意图。其中，a为能量传输示意图，b为消光比频谱图。

图5为本发明实施例中4乘4光子晶体耦合器结构图。其中，a为该4乘4光子晶体耦合器结构整体图，b为该结构中弯角设计示意图。

图6为本发明实施例中归一化频率为0.2811的信号光在4乘4光子晶体耦合器结构中从端口1输入、从端口8输出时的能量传输示意图。其中，a为能量传输示意图，b为能量频谱图。

图7为本发明实施例中归一化频率为0.2811的信号光在4乘4光子晶体耦合器结构中从端口1输入、从端口7输出时的能量传输示意图。其中，a为能量传输示意图，b为能量频谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

在本发明的技术方案中，耦合器光子晶体材料的构成是在背景材料中加入与背景材料介电常数不同的介质棒，介质棒按照矩形晶格或六边形晶格排列，晶格常数为a。通过移除两排介质棒或空气孔来实现两条线缺陷波导。线缺陷波导之间由若干排介质棒隔开。