一种高效光子晶体1.31/1.55μm波分复用器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光子晶体波分复用器，尤其涉及一种用于通信波长1.31和 1. 55μm光波的光子晶体波分复用器。
【背景技术】
[0002] 在光纤通信、集成光路中，光子晶体因具有控制光波传输的能力和微纳量级的尺 度得到广泛应用，如以光子晶体实现的分束器、干涉仪、波分复用器等。光子晶体波分复用 器可以提高系统传输容量，增强信息处理能力，成为集成光路中最重要的器件之一。
[0003] 为满足集成光路的尺寸要求，大多数光子晶体波分复用器都设计在微米尺度，普 遍存在的问题是现有的光子晶体1.31/1. 55μπι波分复用器的输出效率并不是太高。为 了增加效率，以往波分复用器的设计引入了维度杂化结构或环形波导结构使其制作难度加 大。
[0004] 在波分复用器实际应用中，除要求其具有微米量级尺寸，便于制备，尽量低的串扰 及尽量高的传输效率外，还要求其具有尽量大的传输容量，具有能同时处理多个通信波的 能力。然而，以往大多数光子晶体双通道波分复用器所能操作的波长都普遍较为单一。
【发明内容】
[0005] 为了保持器件尺寸在微米量级且串扰小，输出比和传输效率高，传输容量大，制造 难度低，本发明提出了一种具有结构简单、性能良好、尺寸利于集成等优势的基于方向耦合 的双通道光子晶体波分复用器。该器件适用于1. 31μm、1. 55μm等多个通信波长，在通信 集成光路方面有较好的应用前景。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种高效光子晶体1. 31/1. 55μm波分复用器，其长度方向含29或30个介质柱， 宽度方向含14个介质柱，其中：去掉倒数第6排介质柱引入一条波导，为波导I;去掉正数 第6排中间部分介质柱，两边至少各保留4个，形成一条与波导I平行的波导，在右端引出， 为波导II;波导I与波导II之间间隔两排介质柱形成相互作用区，两波导构成方向耦合波 导结构。
[0008] 本发明中，波分复用器的折射率分布为介质柱型，整个结构的介质柱以三角晶格 结构排列，晶格常数a= 0· 6μm，介质柱半径r= 0· 12μm，材料折射率为2. 95,对应III-V 族参杂半导体材料氮化铟。
[0009] 本发明提出的光子晶体1.31/1.55μπι波分复用器具有以下优点：
[0010] (1)对于两个重要的通信波长1. 31和L55μm，具有很高的输出比及传输效率，其 输出比0PR分别为24. 16dB和24. 56dB，传输效率分别为99. 62%和99. 65%，故在输出端相 互串扰小，能满足高质量解复用及复用的要求；
[0011] (2)该器件不仅能用于波长1. 31μL?和1. 55μL?光波，还能用于波长1. 38μπι、 1. 47μm、1. 48μm、1. 49μm、1. 59μm和1. 61μm光波，即具有较大应用范围，具备同时处理 多个通信波的能力；
[0012] (3)其结构简单，制造难度低。
【附图说明】
[0013] 图1为二维三角晶格高效光子晶体波分复用器平面图，解复用（复用）时Port1 为信号光的共同输入端（输出端），P〇rt2和Port3分别为第一信号光输出端（输入端） 和第二信号光输出端（输入端）。1为波导I，2为波导II;
[0014] 图2为光子晶体双波导耦合器的初始模型；
[0015] 图3为光子晶体双通道耦合波导的能带结构；
[0016] 图4为波长1. 55μm波在两平行波导中来回耦合传输的能量分布平面图；
[0017] 图5为波长1. 55μm波在两平行波导中来回耦合传输的能量分布立体图；
[0018] 图6为波长1. 31和1. 55μm光波的耦合长度与材料折射率η的变化关系；
[0019] 图7为波长1. 31和1. 55μm光波的耦合长度与介质柱半径r的变化关系；
[0020] 图8为波长1. 31μm的光波的稳定传输场图；
[0021] 图9为波长1. 55μm的光波的稳定传输场图；
[0022] 图10为波长1. 37μm的光波的稳定传输场图；
[0023] 图11为输出比0PR与入射波长的关系；
[0024] 图12为1. 38μm波长光波对应的稳定传输场图；
[0025] 图13为1. 47μm波长光波对应的稳定传输场图；
[0026] 图14为1. 48μm波长光波对应的稳定传输场图；
[0027] 图15为1. 49μm波长光波对应的稳定传输场图；
[0028] 图16为1. 59μm波长光波对应的稳定传输场图；
[0029] 图17为1. 61μm波长光波对应的稳定传输场图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0031] 通常二维平板光子晶体波导按材料折射率分布可分为介质柱型（介质柱分布于 空气中）和空气孔型（空气孔分布于介质层中），按晶格结构可分为正方晶格型和三角晶格 型。本发明高效光子晶体波分复用器的俯视图如图1所示。其折射率分布为介质柱型，整个 结构的介质柱（即图中深黑色点阵）以三角晶格结构排列，晶格常数a= 0. 6μm，介质柱半 径r= 0. 12μm，材料折射率为2. 95,对应III-V族参杂半导体材料氮化铟。图1面积约为 18μmX8. 4μm(长度方向含29或30个介质柱，宽度方向含14个介质柱）。去掉倒数第6 排介质柱引入一条波导，为波导II，定义一端为信号光的共同输入端（输出端）Port1，另 一端为第二信号光输出端（输入端）Port3。去掉正数第6排部分介质柱（两边至少各保 留4个，中间去掉22个），形成一条与波导11平行且长为13. 56μm的波导，为波导112,并 在靠近Port3的一侧以60度角引出，定义为第一信号光输出端（输入端）Port2。波导 II与波导112之间间隔两排介质柱形成相互作用区，两波导构成方向耦合波导结构。
[0032] 基本算法和理论：
[0033] 平面波展开法（PWE)是目前计算光子晶体能带结构最广泛采用的方法之一。其 运用布洛赫定理，将电磁波在倒易空间以平面波形式展开，麦克斯韦方程组将化成一个本 征方程，求解该方程的本征值便得到传播光子的本征频率和光在光子晶体中传播的色散关 系，即可得到能带分布情况。
[0034] 时域有限差分法（FDTD)是分析光子晶体中光波传输特性的常用方法，1966年首 先由华裔科学家Yee提出的。这种方法是将空间离散化，以在三维空间和时间上对电场分 量E和磁场分量Η进行交替抽样，使得每一个电场周围都有四个磁场环绕，每一个磁场周围 都有四个电场环绕。利用这种离散方法，使得含有时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一 组差分方程，按照时间步长逐步求解电磁场的值。时域有限差分法计算出的任一时间的电 磁波的值只与上一步的值和周围环绕的电场或磁场分量有关。因此可用这种方法模拟各种 复杂的电磁场问题，其计算时所占空间小，计算速度较快，并适合并行运算，是处理电磁波 传输特性的主要方法。
[0035] 耦合模式理论（CMT)是分析光子晶体波导中光波耦合特性的重要理论，耦合模式 理论指出当两列平行光波导之间的间隔足够小时，其中的缺陷模式就会分裂为奇模和偶 模。光波在波导中的传输情况能由它所对应的奇模和偶模的相互叠加导出。由于不同结 构参数下不同频率对应的奇偶模之间的相位差不一样，叠加的效果也会不一样。这使得光 束耦合到另一波导的距离会不一样即耦合长度不一样。设奇偶模的传播常数分别为β。和 βe，相位分别为伽和卿。如果满足条件：
[0036]
[0037] 耦合长度可写为：
[0038]
1234567
[0039] 通过应用以下两式：
2
[0041 ] 3 耦合长度可重写为： 4
[0043]
5 a是晶格常数，&是偶模的归一化波矢，是奇模的归一化波矢。设|Ke-K」为 AK。显然耦合长度L。取决于ΔΚ。从能带关系可知ΔΚ又取决于频率对应的奇偶模式，当 器件的材料参数或结构参数发生变化时，能带结构会发生变化，特定频率对应的奇偶模式 也会发生变化，这将导致AK发生变化，从而引起耦合长度L。发生变化。这便是材料或结 构参数改变后光波的耦合长度随即发生改变的原因。 6 仿真计算模型： 7 所研究的光子晶体波导耦合器的初始模型，如图2,在完整的二维光子晶体中通过 沿X轴方向去除两排介质柱以引入两列波导，中间保留两排介质柱形成相互作用区。这里 的二维光子晶体由晶格常数a= 0. 6μπι的三角晶格介质柱点阵构成。首先我们考虑介质 柱半径和折射率分别为r= 0. 2a，n= 2. 8。在图2所示的结构中，光波从信号光的共同输 入端Port1输入，从第一信号光输出端Port2或第二信号光输出端Port3输出，剩下的 端口闲置。
[0047] 能带结构：
[0048] 平面波展开法可以计算出当光波通过光子晶体中的一个超原胞（图2中以虚线 框标出）时其所经历的布洛赫相移。相应的含有光子晶体能带间隙的色散曲线图可以被 算出。图2中模型所对应的具体的能带结构，如图3。X轴的"K"对应的是归一化波矢 (ka/2π)，Y轴对应的"F