面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器

1.本发明涉及光片上网络技术领域，具体涉及一种面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器。


背景技术：

2.在光片上网络(optical network on chip,onoc)中，高效率的光学滤波器是实现多通道的解波分复用、密集型波分复用等功能的重要器件，它可以实现对光信号的传输、处理、获取以及交换。以光子晶体为材料制备的光器件可以通过改变光子晶体结构来控制器件中光子的流动，其中基于光子晶体微环谐振腔的光子晶体滤波器具有效率高、损耗低、品质因数大以及易于集成的优势，它可以实现光通信网络中特定频率光信号的选择与剔除，对于实现可重构的光片上网络具有重要的意义。因此开展光子晶体滤波器的研究对推动光片上网络技术的发展具有一定的指导意义。


技术实现要素：

3.本发明提供一种面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器，其具有结构简单、制作和使用方便、尺寸小、以及下路的波长信号多样且透射率高的特点。
4.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器，由二维三角晶格光子晶体构成，该二维三角晶格光子晶体上设有1个输入波导、1个反射结构、4个谐振腔、4个点缺陷和4个输出波导。在二维三角晶格光子晶体的中部通过从左向右连续移除二维三角晶格光子晶体中间一行的多个介质柱形成水平延伸的1个输入波导；输入波导的左端位于二维三角晶格光子晶体的左侧边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的输入端口；输入波导的右端二维三角晶格光子晶体同一行所留下的介质柱形成1个反射结构。每个谐振腔均由二维三角晶格光子晶体的7个介质柱构成，其中6个外环介质柱围成六边形，1个中心介质柱在六边形中心处；左上谐振腔与右上谐振腔的中心介质柱位于输入波导上方，且左上谐振腔和右上谐振腔的中心介质柱处于二维三角晶格光子晶体的同一行；左下谐振腔和右下谐振腔的中心介质柱位于输入波导下方，且左下谐振腔和右下谐振腔的中心介质柱处于二维三角晶格光子晶体的同一行。每个点缺陷由1个介质柱构成；左上点缺陷的介质柱位于左上谐振腔的左斜上方，且与左上谐振腔的左上外环介质柱、右下外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上；右上点缺陷的介质柱位于右上谐振腔的右斜上方，且与右上谐振腔的右上外环介质柱、左下外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上；左下点缺陷的介质柱位于左下谐振腔的左斜下方，且与左下谐振腔的左下外环介质柱、右上外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上；右下点缺陷的介质柱位于右下谐振腔的右斜下方，且与右下谐振腔的右下外环介质柱、左上外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上。在二维三角晶格光子晶体的四角分别通过从边缘向中部斜向连续移除多个介质柱形成斜向延伸的4个输出波导；左上输出波导位于左上点缺陷的左斜上方，且与左上点缺陷的介质柱和左上
谐振腔的中心介质柱处于同一条斜线上；左上输出波导的上端位于二维三角晶格光子晶体的左上边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的左上下路输出端口；右上输出波导位于右上点缺陷的右斜上方，且与右上点缺陷的介质柱和右上谐振腔的中心介质柱处于同一条斜线上；右上输出波导的上端位于二维三角晶格光子晶体的右上边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的右上下路输出端口；左下输出波导位于左下点缺陷的左斜下方，且与左下点缺陷的介质柱和左下谐振腔的中心介质柱处于同一条斜线上；左下输出波导的下端位于二维三角晶格光子晶体的左下边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的左下下路输出端口。右下输出波导位于右下点缺陷的右斜下方，且与右下点缺陷的介质柱和右下谐振腔的中心介质柱处于同一条斜线上；右下输出波导的下端位于二维三角晶格光子晶体的右下边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的右下下路输出端口。
6.上述方案中，二维三角晶格光子晶体的4个谐振腔的中心介质柱和外环介质柱由相变材料ge2sb2te5构成；二维三角晶格光子晶体除4个谐振腔的之外的其他介质柱为半导体材料si构成。
7.上述方案中，每个谐振腔的7个介质柱的折射率相同，4个谐振腔之间的介质柱的折射率并不相同。
8.上述方案中，每个谐振腔的6个外环介质柱的半径相等；每个输出波导左右两边相邻介质柱的半径相等。
9.上述方案中，二维三角晶格光子晶体除谐振腔的中心介质柱和外环介质柱、点缺陷介质柱、输出波导左右两边相邻介质柱、以及反射结构中靠近输入波导的介质柱以外的非特殊介质柱的半径为r；每个谐振腔的中心介质柱的半径都小于r；每个谐振腔的外环介质柱的半径都大于等于r；每个点缺陷介质柱的半径都小于等于r；每个输出波导两边介质柱的半径相等都大于等于r；反射结构中靠近输入波导的介质柱的半径小于r。
10.上述方案中，对于4个谐振腔的中心介质柱，左下谐振腔的中心介质柱半径等于右下谐振腔的中心介质柱半径；左下谐振腔和右下谐振腔的中心介质柱半径小于左上谐振腔的中心介质柱半径，左上谐振腔的中心介质柱半径小于右上谐振腔的中心介质柱半径；对于4个谐振腔的外环介质柱，左上谐振腔的外环介质柱半径等于左下谐振腔的外环介质柱半径，右上谐振腔的外环介质柱半径等于右下谐振腔的外环介质柱半径，左上谐振腔和左下谐振腔的外环介质柱半径大于右上谐振腔和右下谐振腔的外环介质柱半径；对于4个点缺陷的介质柱，左上点缺陷的介质柱半径小于左下点缺陷的介质柱半径，左下点缺陷的介质柱半径小于右上点缺陷的介质柱半径，右上点缺陷的介质柱半径小于右下点缺陷的介质柱半径；对于4个输出波导左右两边相邻介质柱，左下输出波导左右两边相邻介质柱半径等于右下输出波导左右两边相邻介质柱半径，左下输出波导和右下输出波导左右两边相邻介质柱半径小于左上输出波导左右两边相邻介质柱半径，左上输出波导左右两边相邻介质柱半径小于右上输出波导左右两边相邻介质柱半径。
11.上述方案中，二维三角晶格光子晶体由多个圆形的介质柱呈交错矩阵排列而成，其中奇数行介质柱与偶数行介质柱的位置相互错开，奇数列介质柱与偶数列介质柱的位置相互错开。
12.与现有技术相比，具有如下特点：
13.1、本发明仅在三角晶格圆形介质柱上进行删减和尺寸的设计，并未进行介质柱的
增加，且大部分介质柱的结构参数都相同，在实际制作时比较方便；
14.2、本发明的4个六边形结构的谐振腔的介质柱为相变材料，基于介质柱材料的相变特性，通过外界诱导4个谐振腔的相关介质柱到不同的相变态，来实现所需的介质柱折射率，每个谐振腔的中心介质柱和外环介质柱不需要分开进行控制。
15.3、本发明仅基于四个滤波通道的结构便可以下路八个不同的波长信号，相较于现有八个滤波通道的结构才可以下路八个不同的波长信号的下路滤波器而言，结构简单、尺寸更小，仅有74μm2，更有利于集成电路中光片上网络的应用；
16.4、本发明的滤波信号包含了光通信系统的“o+e+s”波段，且每个波长的滤波效率均可以达到94％以上，下路效率高，下路滤波特性理想，性能更加优异。
附图说明
17.图1为本发明面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器的结构示意图。
18.图2为实例一的4个下路输出端口的透射谱；其中(a)为左上下路输出端口，(b)为右上下路输出端口，(c)为左下下路输出端口，(d)为右下下路输出端口。
19.图3为实例一在不同下路波长的光场分布图；其中(a)为1509.49nm，(b)为1445.51nm，(c)为1322nm，(d)为1311.93nm。
20.图4为实例二的4个下路输出端口的透射谱；其中(a)为左上下路输出端口，(b)为右上下路输出端口，(c)为左下下路输出端口，(d)为右下下路输出端口。
21.图5为实例二在不同下路波长的光场分布图；其中(a)为1359.56nm，(b)为1430.43nm，(c)为1480.21nm，(d)为1438.24nm。
22.图中标识：1、输入波导；2、左上输出波导；3、右上输出波导；4、左下输出波导；5、右下输出波导；6、左上谐振腔；7、右上谐振腔；8、左下谐振腔；9、右下谐振腔；10、左上点缺陷；11、右上点缺陷；12、左下点缺陷；13、右下点缺陷；14、反射结构。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
24.参见图1，一种面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器为三角晶格圆形介质柱结构的二维三角晶格光子晶体，即该二维三角晶格光子晶体由多个圆形的介质柱呈交错矩阵排列而成，其中奇数行介质柱与偶数行介质柱的位置相互错开，奇数列介质柱与偶数列介质柱的位置相互错开。在本发明优选实施例中，二维三角晶格光子晶体整体结构为17
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17个介质柱。二维三角晶格光子晶体的背景材料为空气。图中a端口为输入端口，b、c、d、e端口为下路输出端口。
25.输入波导1位于二维三角晶格光子晶体的中部即第9行，并由输入端口a开始沿水平方向移除13个介质柱构成。反射结构14与输入波导1位于同一行，并由位于输入波导1末端的4个介质柱构成。
26.每个谐振腔均由7个介质柱构成，其中6个外环介质柱围成六边形，1个中心介质柱即内环介质柱在六边形中心处。每个谐振腔的7个介质柱即6个外环介质柱和1个中心介质柱的折射率相同，4个谐振腔之间的介质柱的折射率并不相同。制备时选择六边形双环结构
谐振腔的介质柱材料为相变材料，基于介质柱材料的相变特性，通过外界诱导4个谐振腔的相关介质柱到不同的相变态，来实现所需的介质柱折射率。左上谐振腔6与右上谐振腔7的中心介质柱位于输入波导1上方，且左上谐振腔6和右上谐振腔7位于同一水平方向，即中心介质柱处于二维三角晶格光子晶体的同一行。左下谐振腔8和右下谐振腔9的中心介质柱位于输入波导1下方，且左下谐振腔8和右下谐振腔9位于同一水平方向，即中心介质柱处于二维三角晶格光子晶体的同一行。左上谐振腔6的中心介质柱位置位于第6行第5列。右上谐振腔7的中心介质柱位于第6行第13列。左下谐振腔8的中心介质柱位于第12行第6列。右下谐振腔9的中心介质柱位于第12行第12列。
27.每个点缺陷由1个介质柱构成。左上点缺陷10的介质柱位于左上谐振腔6的左斜上方，且与左上谐振腔6的左上外环介质柱、右下外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上，左上点缺陷10的介质柱位于左上输出波导2与左上谐振腔6相接处，为第4行第4列的介质柱。右上点缺陷11的介质柱位于右上谐振腔7的右斜上方，且与右上谐振腔7的右上外环介质柱、左下外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上，右上点缺陷11的介质柱位于右上输出波导3与右上谐振腔7相接处，为第4行第14列的介质柱。左下点缺陷12的介质柱位于左下谐振腔8的左斜下方，且与左下谐振腔8的左下外环介质柱、右上外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上，左下点缺陷12的介质柱位于左下输出波导4与左下谐振腔8相接处，为第14行第5列的介质柱。右下点缺陷13的介质柱位于右下谐振腔9的右斜下方，且与右下谐振腔9的右下外环介质柱、左上外环介质柱以及中心介质柱处于同一条斜线上，右下点缺陷13的介质柱位于右下输出波导5与右下谐振腔9相接处，为第13行第14列的介质柱。
28.每个输出波导位于二维三角晶格光子晶体的四角处，并由下路输出端口开始向对应点缺陷与对应谐振腔的中心介质柱的连线方向移除3个介质柱构成。左上输出波导2位于左上点缺陷10的左斜上方，且与左上点缺陷10的介质柱和左上谐振腔6的中心介质柱处于同一条斜线上；左上输出波导2的上端位于二维三角晶格光子晶体的左上边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的左上下路输出端口，左上输出波导2由左上下路输出端口b沿着斜下方连续移除3个介质柱构成，即移除第1行第3列、第2行第3列和第3行第4列的介质柱构成。右上输出波导3位于右上点缺陷11的右斜上方，且与右上点缺陷11的介质柱和右上谐振腔7的中心介质柱处于同一条斜线上；右上输出波导3的上端位于二维三角晶格光子晶体的右上边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的右上下路输出端口，右上输出波导3由下路输出端口c沿着斜下方连续移除3个介质柱构成，即移除第1行第16列、第2行第16列和第3行第15列的介质柱构成。左下输出波导4位于左下点缺陷12的左斜下方，且与左下点缺陷12的介质柱和左下谐振腔8的中心介质柱处于同一条斜线上；左下输出波导4的下端位于二维三角晶格光子晶体的左下边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的左下下路输出端口，左下输出波导4由下路输出端口d沿着斜上方连续移除3个介质柱构成，即移除第17行第4列、第16行第4列和第15行第5列的介质柱构成。右下输出波导5位于右下点缺陷13的右斜下方，且与右下点缺陷13的介质柱和右下谐振腔9的中心介质柱处于同一条斜线上；右下输出波导5的下端位于二维三角晶格光子晶体的右下边缘处，并形成光子晶体可调谐多通道滤波器的右下下路输出端口，右下输出波导5由下路输出端口e沿着斜上方连续移除3个介质柱构成，即移除第17行第15列、第16行第15列和第15行第14列的介质柱构成。
29.上述构成面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器的264个介质柱由相变
材料ge2sb2te5(gst)和半导体材料si两种折射率不同的材料构成。其中除4个谐振腔的共28个介质柱由相变材料gst构成，其余236个介质柱由半导体材料si构成。相变层材料在非晶态时其介电常数为εa＝11.3+0.01i，在晶态时其介电常数为εc＝24.5+1.8i，i表示虚数单位。相变材料的特性为在常温状态下保持非晶态。可以由外部场(热或激光/电脉冲)驱动，由非晶态转换为晶态(反之亦然)。在设计条件下也可以实现多级相变，通过改变材料的晶体分数，gst的折射率可以在3.36-4.94之间变化。半导体材料si的折射率为n＝3.4。材料特性为不随着热/电刺激而改变自身状态。通过外部场(热或激光/电脉冲)驱动4个六边形结构的谐振腔的外环介质柱和中心介质柱到不同的相变态，同时选择合适的晶格常数、背景介质柱折射率和半径以及其他特殊位置介质柱的半径等，可以实现在四通道滤波器的结构中滤除八路信号的滤波功能，形成可用于可重构波分复用光通信系统的可调谐多通道滤波器。
30.构成面向光片上网络的光子晶体可调谐多通道滤波器中所有介质柱的尺寸全部相同即半径全部为r，但是为了提高滤波器在各个波长信号的透射率，需要对谐振腔的介质柱、点缺陷的介质柱、输出波导左右两边相邻介质柱、反射结构14中靠近输入波导1的介质柱的尺寸进行调整。当非特殊介质柱的半径为r时，每个谐振腔的中心介质柱的半径都小于r；每个谐振腔的6个外环介质柱的半径相等，且都大于等于r；每个点缺陷介质柱的半径都小于等于r；每个输出波导两边介质柱的半径相等，且都大于等于r；反射结构14中靠近输入波导1的介质柱的半径小于r。
31.对于4个谐振腔的中心介质柱，左下谐振腔8的中心介质柱半径等于右下谐振腔9的中心介质柱半径；左下谐振腔8和右下谐振腔9的中心介质柱半径小于左上谐振腔6的中心介质柱半径，左上谐振腔6的中心介质柱半径小于右上谐振腔7的中心介质柱半径。
32.对于4个谐振腔的外环介质柱，左上谐振腔6的外环介质柱半径等于左下谐振腔8的外环介质柱半径，右上谐振腔7的外环介质柱半径等于右下谐振腔9的外环介质柱半径，左上谐振腔6和左下谐振腔8的外环介质柱半径大于右上谐振腔7和右下谐振腔9的外环介质柱半径。
33.对于4个点缺陷的介质柱，左上点缺陷10的介质柱半径小于左下点缺陷12的介质柱半径，左下点缺陷12的介质柱半径小于右上点缺陷11的介质柱半径，右上点缺陷11的介质柱半径小于右下点缺陷13的介质柱半径。
34.对于4个输出波导左右两边相邻介质柱，左下输出波导4左右两边相邻介质柱半径等于右下输出波导5左右两边相邻介质柱半径，左下输出波导4和右下输出波导5左右两边相邻介质柱半径小于左上输出波导2左右两边相邻介质柱半径，左上输出波导2左右两边相邻介质柱半径小于右上输出波导3左右两边相邻介质柱半径。
35.在本发明优选实施例中，非特殊介质柱的半径r＝0.18a＝94.68nm，a是晶格常数即两个相邻介质柱圆心之间的距离，a＝526nm。特殊介质柱中，反射结构14中靠近输入波导1的介质柱的尺寸为0.405r，其余特殊介质柱尺寸如表1所示：
36.表1
37.[0038][0039]
实例一：
[0040]
基于表1的参数，通过外部条件激发谐振腔，使左上谐振腔6、右上谐振腔7、左下谐振腔8、右下谐振腔9的折射率分别为n1＝3.8，n2＝2.98，n3＝2.6，n4＝2.5。通过在输入端口处，输入te偏振的高斯脉冲信号，在左上下路输出端口、右上下路输出端口、左下下路输出端口、右下下路输出端口处进行观测，得到的透射谱如图2所示。在输入端口处，分别输入单波长1509.49nm、1445.51nm、1322nm、1311.93nm的高斯连续波长信号，得到的光场分布如图3所示。
[0041]
从图2和3可知，该滤波器同时实现了1509.49m波长、1445.51nm波长、1322nm波长和1311.93nm波长光分别从左上下路输出端口、右上下路输出端口、左下下路输出端口、右下下路输出端口的下路输出，且下路波长1509.49nm、1445.51nm、1322nm、1311.93nm在左上下路输出端口、右上下路输出端口、左下下路输出端口、右下下路输出端口处的透射率分别为99.67％、96.79％、98.44％、98.49％，透射率均超过95％。
[0042]
实例二：
[0043]
基于表1的参数，通过外部条件激发谐振腔，使左上谐振腔6、右上谐振腔7、左下谐振腔8、右下谐振腔9的折射率分别为n1＝2.69，n2＝2.88，n3＝3.92，n4＝3.6。通过在输入端口处，输入te偏振的高斯脉冲信号，在左上下路输出端口、右上下路输出端口、左下下路输出端口、右下下路输出端口处进行观测，得到的透射谱如图4所示。在输入端口处，分别输入单波长1359.56nm、1430.43nm、1480.21nm、1438.24nm的连续波长信号，得到的光场分布如图5所示。
[0044]
从图4和5可知，该滤波器同时实现了1359.56nm、1430.43nm、1480.21nm、1438.24nm光分别从左上下路输出端口、右上下路输出端口、左下下路输出端口、右下下路输出端口的下路输出，且下路波长1359.56nm、1430.43nm、1480.21nm、1438.24nm在左上下路输出端口、右上下路输出端口、左下下路输出端口、右下下路输出端口处的透射率分别为99.97％、94.98％、96.21％、99.03％，透射率均超过94％。
[0045]
本发明滤波器相比其他的八通道光子晶体滤波器的谐振腔个数减少了一半，而且六边形谐振腔由相变材料gst构成，可以通过外界条件激发实现可调谐功能，具有结构简单、尺寸小，易于实现和集成的突出特点，且灵活性高、下路输出波长多样，在未来的光集成系统中具有重要应用。
[0046]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。