一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构的制作方法

本发明涉及一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构。

背景技术：

近年来，光子晶体作为一种具有周期性介电结构的人工材料，由于其尺寸小、易集成，能在光波长尺寸控制光传播等特性，在集成光学里扮演着愈加重要的角色。而光子晶体分束器是实现光集成电路中不可或缺的元件。基于光子晶体平板的T型分束器(文献1：S.Foghani,H.Kaatuzian,and M.Danaie,“Simulation and design of a wideband T-shaped photonic crystal splitter,”Optica Applicata,vol.XL,pp.865-872,2010)、Y型分束器(文献2:N.Nozhat and N.Granpayeh,“Analysis and simulation of a photonic crystal power divider,”J.Appl.Sci.,vol.7,pp.3576–3579,2007.)等已经被大量的提出和应用，1×3光子晶体分束器结构近年来成为了研究的热点。文献3(文献3:X.Zhou,and J.Shu,“Novel 1×3splitter based on photonic crystal self-collimation effect,”Acta Optica Sinica,Vol.33,No.4,2013)设计了一种基于正方形晶格二维光子晶体自准直效应的1×3分束器，该分束器仅能实现对1551nm单个波长光波的分束，且其分光角度很小，尺寸较大，限制了其在大规模集成电路中的应用。

由于光子晶体波导具有体积小、损耗低、可实现大角度弯折、带宽宽等特点，基于光子晶体波导的光分束器未来在超大规模集成光路中将会有广泛的应用。文献4(文献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)在集成复用传感器结构中集成了1×3分束器，其设计的1×3分束器能在多个频点实现功率三等分，但是其每路输出的透射率仅有13％左右，分光效率较低。

为了能在多频点实现高效率的1×3分束效果，提出了一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明是要提供一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构，其结构简单，尺寸小，且能在多个频点实现高效率的1×3功率均分的分束效果。

(二)技术方案

实现本发明目的的技术方案是提供一种1×3光子晶体分束器。它由圆形空气柱在硅板上周期性排列构成光子晶体。空气柱的排列呈长方形。中间一行空气孔被移除形成W1波导。在W1波导的两侧对称的沿60°方向移除两排空气孔，形成120°的Y分支波导。为使各分支的光均沿水平方向输出，在Y分支的两端分别水平的移除一行空气孔形成W1波导。中间W1波导的左端作为输入通道。上下两个W1波导和中间W1波导的右端作为三个输出通道。在中间W1波导与120°Y分支波导构成的1×3分支连接处的中心线两侧对称放置两个直角三角形柱，其距中心线的垂直距离可调。在Y分支末端与W1波导连接的120°弯曲拐角处，分别放置有一个等腰三角形空气柱。由此构成1×3光子晶体分束器结构。

本发明技术方案的进一步优化方案为：

所述的构成光子晶体的硅板厚度为240nm,折射率为3.48。

所述光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为27×30，结构尺寸为11.5μm×15μm。

所述的光子晶体为三角晶格，晶格常数为a＝500nm。半径r＝0.32a。每个分支的W1波导宽度为其中a为所述光子晶体的晶格常数。

所述光子晶体分束器的1×3分支连接处上下两直角三角形柱与水平中心线的垂直距离为d。两直角三角形斜边与水平方向夹角为30°，水平边长度L为2(a-r)。

所述光子晶体分束器的上下两120°弯曲拐角处的等腰三角形底边与水平方向夹角为30°。

所述光子晶体分束器上、中、下三个分支输出通道测量的透射功率分别为P1，P2，P3。三路输出功率总和为P_total＝P1+P2+P3。

在本发明技术方案中，改变1×3分支连接处两直角三角形柱的折射率n，可调整分束器各输出通道的透射率和总输出功率。初始设置n＝1，即为空气柱。

采用本发明提供的光子晶体分束器进行分束时，调节1×3分支连接处两直角三角形空气柱距结构水平中心线的距离d，可实现三个输出通道在指定频率点的功率均匀分配。本发明将常用通信波长1550nm作为指定频率点。

采用本发明提供的光子晶体分束器进行分束时，能实现从1472nm到1622nm宽150nm波长范围的较平坦分束。

本发明的原理是，通过在各分支连接处引入合适角度和大小的三角形柱，可以有效的引导光进入各分支波导，一则能方便的控制三路输出通道的功率分配，二则能有效的提高分束效率。

本发明提供的光子晶体分束器，仅通过引入线缺陷和柱缺陷的简单方法构成，在保证分束效果的同时，大大降低了结构制备的复杂度和结构尺寸。另一方面，各输出通道的输出功率多少由1×3分支连接处两直角三角形柱折射率及其与水平中心线垂直距离决定，灵活可控，可实现三个输出通道在指定频率点的功率均匀分配。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明结构简单，尺寸小，且能同时在多个谐振波长(1468nm、1494nm、1538nm、1550nm、1570nm和1620nm)处实现高效率的1×3功率均匀分配。在六个功率均分频率点处，三通道总输出功率均在99％以上。

附图说明

图1是本发明实施提供的1×3光子晶体分束器结构示意图，其中插图是R1、R2、R3区域的放大图。

图2是利用FDTD方法计算得到的当d＝0，n＝1时图1中光子晶体分束器的分束效果图。

图3是利用FDTD方法计算得到的图2中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。

图4是利用FDTD方法计算当d＝0，λ＝1550nm时图1中光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率P_total随1×3分支连接处两直角三角形柱折射率n的变化规律图。

图5是利用FDTD方法计算得到的当d＝0，n＝1.12时图1中光子晶体分束器的分束效果图。

图6是利用FDTD方法计算得到的图5中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。

图7是利用FDTD方法计算得到当n＝1.12，λ＝1550nm时，图1中光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率P_total随R2区域内1×3分支连接处两直角三角形柱与中心线垂直距离d的变化规律图。

图8是本发明实施提供的三路输出功率均分即比例为1:1:1的光子晶体分束器(d＝0.0375μm，n＝1.12)的分束效果图。

图9是利用FDTD方法计算得到的图8中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对发明进一步详细说明。

本实施例提供的1×3光子晶体分束器结构示意图参见附图1。其中，光子晶体的硅板厚度为240nm,折射率为3.48。光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为27×30，排列成三角晶格，晶格常数为a＝500nm。半径r＝0.32a。W1波导宽度为在R2区域，即中间W1波导与120°Y分支波导构成的1×3分支连接处，放置有两个直角三角形柱，折射率为n，其具中心线的垂直距离为d。在R1和R3区域，即Y分支末端与W1波导连接的120°弯曲拐角处，分别放置一个等腰三角形状的空气柱。分束器结构共包含一个输入通道，三个输出通道。在输入通道入口处放置光源，三个输出通道出口处各放置一个探测器，上、中、下三个输出通道的透射功率分别为P1，P2，P3，三路输出功率总和为P_total＝P1+P2+P3。

首先利用FDTD方法计算得到当d＝0，n＝1时图1中光子晶体分束器的分束效果图。如图2所示，分束器能在1472nm到1622nm波长范围内实现150nm宽的较平坦的分束。在该150nm宽的分束范围内三路总输出功率P_total始终大于94％，且在1534nm到1545nm范围内P_total大于99％。因两个直角三角形柱移动相同的距离d，故上下两个输出通道透射功率相等。在谐振波长λ＝1550nm处，光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率P_total分别为39.46％，18.69％，39.46％和97.61％。利用FDTD方法计算得到谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图如图3所示。光在1×3分支连接处被有效的分成三束进入对应分支波导，在120°弯曲拐角处，光被有效的控制进入输出波导。

为了提高光子晶体分束器在1550nm处的总输出功率P_total，对在R2区域内两个直角三角形柱的折射率n进行调节。图4是利用FDTD方法计算得到当d＝0，λ＝1550nm时图1中光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率P_total随1×3分支连接处两直角三角形柱折射率n的变化规律图。当n从1到1.35变化时，P1，P3和P_total先增加后逐渐减小，P2先减小后逐渐增加。当n在1.07到1.22范围内变化时，P_total大于99％，n＝1.12时P_total＝99.66％。利用FDTD方法计算得到的当d＝0，n＝1.12时图1中光子晶体分束器的分束效果图如图5所示。分束器的能在1472nm到1622nm(150nm宽)的波长范围内实现较平坦的分束，除了1477nm到1492nm(15nm宽)范围内P_total大于95％小于97％之外，其余135nm波长范围内三路总输出功率P_total均大于97％，且从1541nm到1565nm长达24nm的波长范围内P_total大于99％。图6是利用FDTD方法计算得到的图5中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。在谐振波长λ＝1550nm处，光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率P_total分别为40.54％，18.58％，40.54％和99.66％。可以看到，在1550nm处三路输出的总透射功率得到了增强。

改变1×3分支连接处两直角三角形柱的位置参数d，可改变三个输出通道中电磁波功率的分配比例。图7是利用FDTD方法计算得到当n＝1.12，λ＝1550nm时，图1中图1中光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率P_total随R2区域内1×3分支连接处两直角三角形柱与中心线垂直距离d的变化规律图。当d从0变化到0.1μm时，P1，P3逐渐减小，P2逐渐增加，三路总输出功率P_total均大于98％。当d＝0.0375μm时，三路输出的输出功率相等，P_total＝99.18％。

本发明实施提供的三路输出功率均分即比例为1:1:1的光子晶体分束器的分束效果图如图8所示，此时光子晶体分束器的结构参数为d＝0.0375μm，n＝1.12。在谐振波长1468nm、1494nm、1538nm、1550nm、1570nm和1620nm处能实现功率均分。在谐振波长λ＝1550nm处，光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3分别为33.05％，33.08％，33.05％，三路总输出功率P_total达到99.18％。在谐振波长λ＝1468nm处，P1，P2，P3均为33.05％，P_total达到99.15％。在谐振波长λ＝1494nm处，P1，P2，P3分别为33.05％，33.06％，33.05％，P_total达到99.16％。在谐振波长λ＝1538nm处，P1，P2，P3均为33.2％，P_total高达99.6％。在谐振波长λ＝1570nm处，P1，P2，P3均为33％，P_total达到99％。在谐振波长λ＝1620nm处，P1，P2，P3分别为33.21％，33.17％，33.21％，P_total高达99.59％。图9是利用FDTD方法计算得到的图8中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图，三路输出通道内的光场强度近似相等，总输出功率达到99.18％，实现了高效的1×3均分。