[发明专利]基于多模干涉的二维光子晶体四波长波分复用器

说明书

技术领域

本发明提供了一种基于多模干涉的二维光子晶体四波长波分复用器及其设计方法，涉及光子晶体与光通信技术领域。

背景技术

目前由于网络数据快速增长和通讯器件向微型化发展和集成化发展趋势，使得利用新型的微型化光子晶体器件扩大网络容量成了当务之急。扩大光纤容量的主要技术有电时分复用，光时分复用，波分复用及光孤子等。波分复用技术由于不需要铺设新的光纤线路就可以扩大光纤通信容量，网络升级便捷，可以利用现有电网络叠加到光网络等优点，成为当前扩大光纤通信容量的广泛应用技术。目前制作波分复用器件技术按照不同的制作方法有棱镜法，熔融拉锥法，干涉膜滤光法，衍射光栅法。这些利用常规波导制造的波分复用器一般体积较大，插入损耗和光隔离度都不够理想。

光子晶体是一种折射率周期性变化的光物理功能新材料。当电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带叫光子能带。光子能带之间存在带隙，即光子带隙，频率在光子晶体带隙内的光不能通过光子晶体。在完整二维光子晶体中引入缺陷，光子晶体会出现缺陷模。若缺陷是一条直线分布，就会形成线性缺陷也就是光子晶体波导(PCW)，处于光子晶体禁带中的光可以沿光波导传播，能带图上反映为在光子晶体带隙中出现一个波导模式。

多模干涉是指当光子晶体中存在两个或两个以上的波导时，在光子晶体带隙中就会出现多个波导模式，根据多模干涉自成像效应，输入光场进入多模波导时，将激发波导中的多个模式。各导模在传输过程中，由于传播常数不同而产生不同的相移，相互干涉，因而具有不同的空间输出。基于多模干涉耦合模式理论设计的光子晶体器件具有体积小，易于集成，系统不受外界电磁干扰，插入损耗小及光隔离度高等优点，适用于集成光路，为光子晶体器件向高集成化发展提供很有前景的途径。

目前光子晶体波分复用器主要有一维光栅光纤型，一维层状介质结构光偏移型， 光子晶体缺陷型，基于超棱镜现象的波分复用器还有基于光子晶体波导耦合型。在所有波分复用器件中，基于光子晶体波导耦合型波分复用器具有体积小，损耗小，设计原理简单等特点，目前对这类器件研究应用很少。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供了一种基于多模干涉的二维光子晶体四波长波分复用器，该波分复用器采用耦合区多级级联结构，可工作在四个预设频率处，具有高隔离度和低插入损耗，且器件体积小。

技术方案：为了适应网络数据快速增长和通讯器件向微型化发展和集成化发展趋势，克服利用传统光纤波导制作波分复用器件体积大，插入损耗及光隔离度性能参数不够理想的缺点，本发明提出了一种基于多模干涉的二维光子晶体四波长波分复用器，利用光子晶体具有光子禁带实现对光的滤波，而且体具有积小、易于集成的特点，基于多模干涉自成像特点实现解波分复用功能，具有小的插入损耗和高的光隔离度，适合未来微型化的光通信器件发展。

本发明的基于多模干涉的二维光子晶体四波长波分复用器包括二维周期排列的介质柱光子晶体以及位于介质柱光子晶体之间的单模输入波导、第一多模干涉耦合区、第二多模干涉耦合区、第三多模干涉耦合区、第一单模输出波导、第二单模输出波导、第三单模输出波导、第四单模输出波导；波长不同的四个光波分别经过单模输入波导，再通过第一多模干涉耦合区、第二多模干涉耦合区、第三多模干涉耦合区时，不同波长的光波具有各自的耦合拍长在对应位置处成像，形成不同的模场分布，再由第一单模输出波导、第二单模输出波导、第三单模输出波导(8)、第四单模输出波导分别输出四个不同波长光波。

二维周期排列的介质柱光子晶体是沿X-Z平面呈正方周期性分布的介质柱型GaAs光子晶体，单模输入波导、第一单模输出波导、第二单模输出波导、第三单模输出波导、第四单模输出波导是在二维光子晶体中去除一排介质柱所获得的；第一多模干涉耦合区、第二多模干涉耦合区、第三多模干涉耦合区是在完整光子晶体中去除两排介质柱形成两波导且两波导间隔一排介质柱所形成的，第一多模干涉耦合区、第二多模干涉耦合区、第三多模干涉耦合区长度由不同的解复用波长所决定。

利用多模干涉原理，不同波长光波同时入射到相同长度的多模干涉区因各自有不同的耦合拍长导致在出射时不同光波能量分布在不同的位置，当满足拍长偶数倍 时呈正像输出，当满足拍长奇数倍时呈镜像输出；所述的基于多模干涉理论的二维光子晶体四波长波分复用器利用多模干涉区耦合区多级级联的结构使得四种不同频率的波长经过多模干涉耦合区后成像位置不同，分别由单模输出波导输出，实现四波长解波分复用的作用。