基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器的制造方法
【专利说明】基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器 技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，适用于光纤通信 系统和网络。 【背景技术】
[0002] 目前的光纤通信系统广泛使用波分复用技术（WDM)，它能有效地利用光纤的带宽 实现大容量、长距离光纤通信，能在用户分配系统中增加业务数量。在这些波分复用技术的 应用中，为了充分利用十分宝贵的带宽资源，波长通道间隔变的越来越窄，信道数变得越来 越多，形成密集波分复用（DWDM)系统，乃至超密集波分复用（UDWDM)系统。这就要求多 波长波分复用/解复用器不仅要有更小的尺寸，而且也要易于集成。然而利用传统的硅平 板回路或者光纤得到的多波长波分复用/解复用器的尺寸都在厘米量级左右，无法适用于 未来密集波分复用（DWDM)和超密集波分复用（UDWDM)系统中光网络节点的需要。另一方 面，光子晶体具有光子带隙效应，能够控制光波的传播。基于这个特性，许多光通信器件，例 如波分复用/解复用器，光开关以及调制器等被研究设计，它们具有传统器件所不具备的 尺寸微小和易于集成的优点。在基于二维光子晶体的波分解复用器中，以光子晶体点缺陷 共振构成的三端口和四端口结构因其具有更加微小的尺寸，已经引起广泛关注。四端口系 统，即在两平行光子晶体波导结构中间放置两个光子晶体微腔，是目前研究的比较成熟的 一种。但是这种系统具有较为苛刻和复杂的共振设计，即两波导间的两个微腔模式要完全 简并，这可能给器件制作带来很大的困难。另外四端口系统与三端口系统相比，不易设计多 波长波分解复用器。在三端口系统中使用单个光子晶体点缺陷微腔，波长下路效率理论上 不超过50%。因此，必须设计相应的反射反馈部分，才能提高波长下路效率。有的采用异 质结构光子晶体（晶格常数不同），在晶格常数不同的光子晶体界面形成特定波长的反射 反馈，在垂直于二维平面的方向从单个光子晶体点缺陷收集下路光能量，显然这样的结构 比平面结构尺寸要大很多，且不易集成。有的在主波导末端直接设置反射界面结构来提供 下路波长光信号的反射反馈，但这样的结构不可避免使得其他波长的光信号也完全反射到 入射端，严重增大整个波分解复用器的反射干扰。在专利[CN 101252407A]中，采用两个微 腔来提高波分复用器的下路效率，一个微腔采用下路微腔使用，另外一个微腔作为波长选 择性反射微腔使用。但这种结构要求两个微腔具有完全相同的共振频率，由于两个微腔Q 值最小也在几千以上，这在当前的器件制作工艺条件下制作难度较大。
【发明内容】
【发明内容】
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[0004] 为了克服已有光纤通信系统波分复用方式的下路效率较低、器件制作难度较大的 不足，本发明提供了一种下路效率较高、器件制作难度较小的基于光子晶体非对易单向波 导的波分解复用器。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，包括一根光子晶体非对易单 向波导、N个单模光子晶体下路微腔和N根波长下路波导，其中N为波长数，N根波长下路 波导、N个单模光子晶体下路微腔位于光子晶体非对易单向波导的同一侧，所述单模光子晶 体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔，下路微腔衰减 进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q 1与下路微腔衰减进波长下路波导的Q因子Q 2之比 Q1/Q2 等于 1。
[0007] 进一步，在外界施加的静磁场作用下，所述光子晶体非对易单向波导在普通介质 光子晶体和磁光光子晶体的界面产生。
[0008] 每个单模光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得。
[0009] 每根波长下路波导通过在普通介质光子晶体中去除一列光子晶体介质柱获得。 [0010] 再进一步，所述的普通介质光子晶体和磁光光子晶体的晶格类型均为正方形或者 三角形。
[0011] 在本发明中，下路微腔支持单模共振。经适时耦合模理论推导，证明在频率ω等 于下路微腔的共振频率ω。时，如果下路微腔本征损失的Q因子Q。远远大于下路微腔衰减 进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q 1，此时下路微腔的本征损失可忽略不计。
[0012] 由于光子晶体非对易单向波导中只有单向传输的波导模式存在，反方向的波导模 式不存在。所以光子晶体下路微腔中光信号能量只能衰减进光子晶体非对易波导的单向传 输的波导模式方向，而不能衰减进其波导模式方向的反向方向。在此情况下，经适时耦合模 理论推导，发现只有当光子晶体下路微腔的Q因子满足Q 1ZiQ2= 1时，具有共振频率ω ^的 光信号能量能从光子晶体非对易单向波导完全解复用到下路波导。这里Q1是下路微腔衰 减进光子晶体非对易单向波导的Q因子，9 2是下路微腔衰减进下路波导的Q因子。
[0013] 在本发明的波分复用器中，普通介质光子晶体由III-V组普通介质材料（如氧化 铝）构成，磁光光子晶体由具有磁光效应的介质材料（如钇铁石榴石）构成。该波分复用 器实现了以一个单模光子晶体微腔进行高效率下路滤波，可以实现在任意波长位置的波分 解复用，波长通道间串扰低。通过设置光子晶体晶格常数的大小，可以自由选定某个下路波 长在通信窗口 1550nm处。下路的线宽和通道间隔可以通过设计微腔的共振频率和Q因子 获得，所以在密集波分复用（DWDM)和超密集波分复用（UDWDM)系统中也可以使用这个波分 解复用器。
[0014] 本发明的有益效果主要表现在：下路效率较高、器件制作难度较小。 【附图说明】
[0015] 图1为一种在普通介质光子晶体和磁光光子晶体界面形成的光子晶体非对易单 向波导。
[0016] 图2为基于图1这种光子晶体非对易单向波导的三波长波分解复用器的结构示意 图。
[0017] 图3为三波长波分解复用器的传输强度谱。
[0018] 图4为在某个下路波长位置时，三波长波分解复用器稳态光波传播模式图。 【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0020] 参照图1~图4,一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，包括一根光 子晶体非对易单向波导、N个单模光子晶体下路微腔和N根波长下路波导，其中N为波长数， N根波长下路波导、N个单模光子晶体下路微腔位于光子晶体非对易单向波导的同一侧，所 述单模光子晶体下路微腔为连接光子晶体非对易单向波导和波长下路波导的点缺陷微腔， 下路微腔衰减进光子晶体非对易单向波导的Q因子Q 1与下路微腔衰减进波长下路波导的Q 因子Q2之比Q1/Q2等于1。
[0021] 进一步，在外界施加的静磁场作用下，所述光子晶体非对易单向波导在普通介质 光子晶体和磁光光子晶体的界面产生。
[0022] 每个单模光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得。
[0023] 每根波长下路波导通过在普通介质光子晶体中去除一列光子晶体介质柱获得。
[0024] 再进一步，所述的普通介质光子晶体和磁光光子晶体的晶格类型均为正方形或者 三角形。
[0025] 图1为本发明的光子晶体非对易单向波导结构示意图。在外界静磁场（磁场方向 为垂直纸面方向）作用下，光子晶体非对易单向波导1在普通介质光子晶体11和磁光光子 晶体12界面产生，仅支持从左向右的单向传播波导模式存在，反方向无波导模式存在。下 层的二维磁光光子晶体由沿X和y方向方形晶格排列的具有磁光特性的介质圆柱构成，介 质圆柱沿与纸面垂直的方向（z方向）放置，周围为空气介质。相邻两介质圆柱中心之间的 距离称为晶格常数，长度为％，介质圆柱的半径为 Γι，介电常数为￡l。在z方向施加直流 磁场将会产生强烈的各向异性旋磁特性，磁导率张量为如下形式，，
，其中 μ。是真空中的磁导率，μ值与在ζ方向施加的外部直流磁场大小有关。上层的普通介质 二维光子晶体为方形晶格排列，介质圆柱由IIi-V组半导体材料组成，其晶格排列方向较 下层的磁光光子晶体的晶格方向旋转了 45度。普通介质光子晶体晶格常数为a2，介质圆 柱的半径为r2，介电常数为ε 2。这里，波长下路波导为光子晶体线缺陷波导，通过在普通 介质光子晶体中去除一排（列）介质柱获得。光子晶体下路微腔通过改变某个介质柱的半 径或折射率而获得，如可以通过减小某个介质柱的半径而获得单模光子晶体微腔。在这个 光子晶体微腔中，通过轻微改变位于这个较小半径的介质柱附近的其他介质柱的半径或折 射率，可以微调该微腔的共振频率。通过改变较