小半径介质柱周围的介质柱的数目，可以改 变该微腔的Q因子。
[0026] 本发明实施例的三波长波分解复用器结构如图2所示，这个结构是基于上述光子 晶体非对易单向波导而获得。这个结构由一根光子晶体非对易单向波导1，三根波长下路波 导2以及三个光子晶体微腔3构成，三根波长下路波导2分别为波长λ 路波导21、波长 入2下路波导22和波长λ 3下路波导23,三个光子晶体微腔3分别为波长λ 路微腔31、 波长λ 2下路微腔32和波长λ 3下路微腔33 ;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在普通介质光子晶体和磁光光子晶体界面产生。三根波 长下路波导分别位于光子晶体非对易单向波导的一侧，每根波长下路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。每个光子晶体微腔通过改变一个介质柱的半径而获得。 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。通过改变较小半径介质柱周围的介质柱的数目， 可以改变该微腔的Q因子。
[0027] 如图2所示，当某个频率（波长）的输入光信号光从光子晶体非对易单向波导左 端输入时，假如这个非对易单向波导仅有向右的波导模式存在，信号光将沿波导向右传输， 因为该波导没有向左传输的波导模式存在，因此将没有任何光信号能量被反射。如果该输 入信号光频率等于下路微腔的共振频率，该下路微腔将被共振激发，从而向下路波导和光 子晶体非对易单向波导的前向方向辐射光信号。当下路微腔的Q因子比满足Q 1Ai2= 1，光 子晶体非对易单向波导中的光信号能量将几乎全部转移到下路波导中。
[0028] 实例：光通信窗口的三波长波分复用器。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向里的+z方向）作用下，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 晶格排列的介质圆柱构成，介质圆柱沿与纸面垂直的方向（z方向）放置，这些介质圆柱为 具有磁光特性的钇铁石榴石（Y 3Fe5O12)材料，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Sa 1=SSlSnm,介质圆柱的半径为T1= (Xlla1，介电常数为 ε i= 15 ε。，ε。为空气的介电常数。在+z方向（垂直纸面向里），施加1600高斯直流磁 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，
^其中张 量元素 k= 12. 4 μ。，μ = 14 μ。，μ。是真空中的磁导率。上层的普通介质二维光子晶体为 方形晶格排列，介质圆柱由氧化铝材料组成，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iW.介质圆柱的半径为r2 = 0.106&1，介电常数为ε2= 10 ε。。这种光子晶体非对易单向波导仅仅有电场方向平行于 介质柱的ΤΜ(横磁波，电场方向沿ζ方向）波导模式存在，归一化频率范围是0. 525 < a/ λ < 0.575,这里λ是光在自由空间的波长。这在频率范围内，波仅仅有从左到右传输的 波导模式存在，因此光信号仅仅能从左向右传输；相反方向传输的波导模式不存在，所以无 任何后反射光存在。如图2所示，基于普通介质光子晶体，波长下路波导为光子晶体线缺陷 波导，通过沿着其晶格方向去除一行（排）氧化铝介质柱而形成。如图2所示，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，通过在连接光子 晶体非对易单向波导和波长下路波导的几个氧化铝介质圆柱中改变一个氧化铝介质柱的 半径而形成。如图2所示，从左到右，三个光子晶体微腔中较小的氧化铝介质柱半径分别为 0. 085a2, 0. 084&2和0. 083a 2。在这些光子晶体微腔中，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。
[0029] 在本发明中，当下路微腔的Q因子比满足(VQ2= 1，才能实现高效率的波分复用 器。因此如何设计光子晶体微腔的结构，使其Q因子比满足这个关系是关键所在。这里提 供一种设计微腔Q因子的具体方法。因为这些光子晶体微腔可以通过改变较小半径介质柱 周围的介质柱的数目，来改变该微腔的Q因子，而其Q因子的大小可以通过数值仿真的办法 具体计算。这样，总是可以改变光子晶体微腔的结构参数而得到合适的微腔结构。对于图2 所示的三波长波分解复用器结构中，仅将下层的磁光光子晶体去掉。当入射光在波长下路 波导的输出端口反方向入射时，根据适时耦合模理论，在这个入射端得到的反射系数R = (1/2Q' 2-l/2(V ) A1/2Q' 2+l/2(V )，依照这种方法，不断改变微腔的结构参数直至R~0,此 时显然Q//Q'1，这里Q /和Q'2分别表示下路微腔衰减进晶体外的空间和下路波导的 Q因子。因为下层磁光光子晶体存在与否对该光子晶体微腔的Q因子不大，因此，Q1^ Q /， Q2~Q' 2，这样Q1ZiQ2= 1的条件可以得到满足。如图2所示，在这些光子晶体微腔中，沿着 波长下路波导方向，较小半径的介质柱与波长下路波导之间有3根介质柱，较小半径的介 质柱与光子晶体非对易单向波导之间有4根介质柱。
[0030] 图3为三波长波分解复用器的传输强度谱。在三个波长位置，波分解复用的下路 效率都在95%以上，而相互间的串扰很小。图4为在归一化频率为0. 536时，对应波长为 1548nm，发射连续波得到的这个结构的稳态场分布，它表明在这个系统中实现了在这个波 长的完全波分解复用。这些下路波长从λ jlj λ 3依次是1544,1548和1550nm，在光通信 波长是窗口位置。
[0031] 本发明所述普通介质光子晶体的晶格类型可以为多种，包括方形，三角形。本发明 基于光子晶体非对易单向波导设计了一种新型波分解复用器，这个波分解复用器使用一个 单模光子晶体微腔，该光子晶体微腔的Q因子满足一定关系后，可以实现高的下路效率，减 小入射端后向反射及下路波导间的串扰。这为未来WDM光通信系统的发展提供了一种重要 的保证。
【主权项】
1. 一种基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于：所述波分解复用 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Q /Q2等于1。2. 如权利要求1所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于： 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。3.如权利要求1所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于： 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。4.如权利要求1所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在于： 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。5.如权利要求2或4所述的基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器，其特征在 于：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。
【专利摘要】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Q1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。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。
【IPC分类】G02F1/095
【公开号】CN105137623
【申请号】CN201510596099
【发明人】任宏亮, 卢瑾, 薛林林, 覃亚丽, 郭淑琴
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月17日