专利名称：基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，适用于光纤通信系
统和网络。
背景技术：
目前的光纤通信系统广泛使用波分复用技术(W匿)，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。这就要求多波长波分复用/解复用器的尺寸不仅要更小，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，无法适应未来密集波分复用(DW匿)系统中光网络节点的需要。因此，怎样研制出尺寸 更加微小且易于集成的多波长波分复用/解复用器是未来DW匿光通信系统中的重要研究 方向。另一方面，目前光子晶体的研究已经成为集成光学研究的热点之一。这是因为光子 晶体有很多优越的特性，例如光子带隙效应。利用这个特性，许多光通信器件被研究设计， 它们具有传统多波长波分复用/解复用器件所不具备的优越特性。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四端口和三端口结构已经被广泛研究。在 这种结构中，用点缺陷的单模光子晶体共振微腔作为波长选择性元件使用。但这种点缺陷 微腔的共振波长对微腔的结构与其中介质折射率分布极其敏感，导致这种光子晶体微腔结 构在现有光刻工艺条件下极难制作。为了克服这个缺点，基于二维光子晶体的共振微环结 构被研究，这种结构也能够克服在微环半径小于3微米时微带波导微环遇到的辐射损失显 著增大的缺点。但是在这样的器件中，微环波导由光子晶体的线缺陷波导构成，由于在微环 转弯处后向反射产生的反向传播模式的存在，导致了传输谱中发生共振的频率呈现非周期 性的出现，这将给这种器件的使用带来十分不利的影响。
发明内容
为了克服已有基于二维光子晶体表面模的共振环的传输谱中发生共振的频率呈 非周期性、制作困难的不足，本发明提供一种实现共振微环等共振频率、减少作为W匿器件 使用时的制作难度的基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 —种基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，包括二根光子晶体表面模波导 和一个准周期性的圆形光子晶体构成的表面模微环，所述二根光子晶体表面模波导通过在 平面二维光子晶体表面改变一行光子晶体介质柱半径获得；所述表面模微环由一种准周期 性的圆形光子晶体通过改变最外层圆周上的光子晶体介质柱半径获得；二根光子晶体表面 模波导对称地位于表面模微环的两边，二根光子晶体表面模波导与所述表面模微环的间距 相等。 作为优选的一种方案二维光子晶体沿x和y方向六角形晶格排列的高折射率介质圆柱构成，圆柱沿与纸面垂直的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a。介质圆柱的半径为r ;所述光子晶体表面模波导通过改变
:重对称，介质柱分布在-
光子晶体结构近邻空气的一行沿x方向介质柱的半径获得。
进一步，准周期性的圆形光子晶体的介质圆柱排列呈； 系列同心圆周上，径向距离d等于六角形光子晶体的晶格常数；在xy平面上，介质柱的位置 ^2w;r)…卩2附；r
坐标;c = cWsin:
67V
，y = c/jVcos
67V
，其中，N表示同心圆周的数目，m表示圆周上介质
柱的个数，满足0《m《6N ;介质柱半径与二维六角形晶格光子晶体的介质柱半径相等。
更进一步，在所述表面模微环中，半径被减小的最外层同心圆上介质圆柱的距离 被减少。 本发明的技术构思为基于二维光子晶体的表面模微环共振滤波器由二根光子晶 体表面模波导和一个准周期性的圆形光子晶体构成的表面模微环组成。二根光子晶体表面 模波导通过在平面二维光子晶体表面改变一行光子晶体介质柱半径获得；这个表面模微环 由一种准周期性的圆形光子晶体通过改变最外层圆周上的光子晶体介质柱半径获得。二根 光子晶体表面模波导对称的位于表面模微环的两边，与这个表面模微环的间距相等。
本发明的有益效果主要表现在能够实现微环共振的等共振频率间隔，结构简单， 较以前的光子晶体点缺陷微腔结构更易于制作，能够实现未来光网络中光子集成回路器件 的滤波、路由、开关、调制以及波分复用/解复用等功能。通过设置光子晶体晶格常数的大 小，可以自由选定某个共振波长(频率)在通信窗口 1550nm。
图1为一种高折射率介质圆柱在空气中的二维六角形晶格光子晶体。
图2为一种高折射率介质圆柱在空气中的准周期性圆形光子晶体。
图3为图1表面模波导和图2表面模微环构成的微环共振滤波器结构。
图4为该微环共振滤波器的传输强度谱。 图5为在某个波长(频率)位置时，该微环共振滤波器稳态光波传播模式图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。 参照图1 图5，一种基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，包括二根光子 晶体表面模波导和一个准周期性的圆形光子晶体构成的表面模微环，所述二根光子晶体表 面模波导通过在平面二维光子晶体表面改变一行光子晶体介质柱半径获得；所述表面模微 环由一种准周期性的圆形光子晶体通过改变最外层圆周上的光子晶体介质柱半径获得；二 根光子晶体表面模波导对称地位于表面模微环的两边，二根光子晶体表面模波导与所述表 面模微环的间距相等。 图1为本发明的二维六角形晶格光子晶体结构示意图。这种二维光子晶体由沿x 和y方向六角形晶格排列的高折射率介质圆柱构成，圆柱沿与纸面垂直的z方向放置，周围 为空气介质。如图l所示，相邻两介质圆柱中心之间的距离称为晶格常数，长度为a。介质 圆柱的半径为r。这里，光子晶体表面模波导通过改变光子晶体结构近邻空气的一行沿x方向介质柱的半径获得。 图2为本发明的二维准周期性圆形光子晶体结构示意图。非周期性的圆形光子晶 体的介质圆柱排列是有规律的，它们是六重对称的。介质柱分布在一系列同心圆周上，径向
距离d
a，即恰好等于图l
:角形光子晶体的晶格常数。在xy平面上，介质柱的位置坐标<formula>formula see original document page 5</formula>，这里N表示同心圆周的数目，m表示圆周上介质柱的
水
数，满足0《m《6N。介质柱半径与图1中二维六角形晶格光子晶体的介质柱半径相等。
本发明实施例是基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器结构，如图3所示， 由二根光子晶体表面模波导和一个准周期性的圆形光子晶体构成的表面模微环组成。如图 所示，二根光子晶体表面模波导通过减小上下两个六角形排列光子晶体与空气紧邻的一行 介质圆柱的半径获得。为了增加这种光子晶体表面模波导的传输效率，这行半径被减小的 介质圆柱的相邻间距被减小。基于图2所示的这个圆形光子晶体，微环通过减小最外层同 心圆周上介质圆柱的半径获得。为了极大的减少这个微环共振的辐射损失，这些相邻介质 圆柱的距离被极大的减小。如图3所示，两根波导对称分布在光子晶体表面模微环的两边， 该微环距上下两根表面模波导的距离gu = gb。 如图3所示，当某频段输入信号光从上面光子晶体表面模波导左端输入时，在上 面光子晶体表面模波导与光子晶体表面模微环距离最近的地方耦合进微环，如果在这个频 段表面模微环发生共振，则几乎所有入射能量光将在微环和下面光子晶体表面模波导最近 的地方耦合出微环，进入下面的光子晶体表面模波导内传播。 实例光通信窗口的光子晶体表面模微环共振滤波器结构。二维光子晶体由六角 形晶格的高折射率介质硅圆柱构成，折射率是3.4。介质圆柱半径是O. 196a。这里a是晶 格常数，等于585nm。这种光子晶体仅仅有电场方向平行于介质柱的TM模光子带隙存在，归 一化频率范围是O. 28481 <a/A < 0.4557，这里A是光在自由空间的波长。构成二维圆 形光子晶体的介质柱半径也是O. 196a。有六个同心圆，相邻同心圆之间的径向距离等于a。 如图3所示，二根光子晶体表面模波导通过减小上下两个六角形排列光子晶体与空气紧邻 的一行介质柱的半径获得，这里表面波波导的介质柱半径为O. 08a。为了增加这种光子晶体 表面模波导的传输效率，这行半径减小的介质柱相邻间距被减小为0. 2a。光子晶体表面模 微环通过减小第六层同心圆周上介质圆柱的半径获得。为了极大的减少这个微环共振的辐 射损失，相领介质柱之间的距离被极大的减小为O. 196a。如图3所示，两根波导对称分布在 光子晶体表面模微环的两边，该微环距上下两根表面模波导的距离gu = gb = 1. 134a。
图4显示了基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器传输频谱。在五个不同的 归一化频率位置，波分解复用的下路效率都在60%以上，归一化共振频率间隔完全相等，是 0.011385。 图5为在归一化频率0. 377434时，此时波长为1550nm，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超过90%的光波能量通过光子晶体表面模的微环共
振从上面光子晶体表面波导的A端转移到下面光子晶体表面波导的C端。 本发明基于二维光子晶体表面模设计了一种新型微环共振滤波器，能够实现微环
共振的等共振频率间隔，结构简单，较以前的点缺陷微腔结构更易于制作，能够实现未来光
网络中光子集成回路器件的滤波、路由、开关、调制以及波分复用解复用等功能，这为未来W匿光通信系统的发展提供了一种重要的保证。通过设置光子晶体晶格常数的大小，可以自 由选定某个共振波长(频率)在通信窗口 1550nm。
权利要求
一种基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，其特征在于所述微环共振滤波器包括二根光子晶体表面模波导和一个准周期性的圆形光子晶体构成的表面模微环，所述二根光子晶体表面模波导通过在平面二维光子晶体表面改变一行光子晶体介质柱半径获得；所述表面模微环由一种准周期性的圆形光子晶体通过改变最外层圆周上的光子晶体介质柱半径获得；二根光子晶体表面模波导对称地位于表面模微环的两边，二根光子晶体表面模波导与所述表面模微环的间距相等。
2. 如权利要求1所述的基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，其特征在于二 维光子晶体沿x和y方向六角形晶格排列的高折射率介质圆柱构成，圆柱沿与纸面垂直的 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a，介 质圆柱的半径为r ;所述光子晶体表面模波导通过改变光子晶体结构近邻空气的一行沿x 方向介质柱的半径获得。
3. 如权利要求2所述的基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，其特征在于准周期性的圆形光子晶体的介质圆柱排列呈; 周上，径向距离d等于6iV，_y = c&Vcos:重对称，介质柱分布在一系列同心圆 角形光子晶体的晶格常数；在xy平面上，介质柱的位置坐标6iV，其中，N表示同心圆周的数目，m表示圆周上介质柱的数，满足0《m《6N ;介质柱半径与二维六角形晶格光子晶体的介质柱半径相等。
4.如权利要求l-3之一所述的基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，其特征在 于在所述表面模微环中，半径被减小的最外层同心圆上介质圆柱的距离被减少。
全文摘要
一种基于二维光子晶体表面模的微环共振滤波器，包括二根光子晶体表面模波导和一个准周期性的圆形光子晶体构成的表面模微环，所述二根光子晶体表面模波导通过在平面二维光子晶体表面改变一行光子晶体介质柱半径获得；所述表面模微环由一种准周期性的圆形光子晶体通过改变最外层圆周上的光子晶体介质柱半径获得；二根光子晶体表面模波导对称地位于表面模微环的两边，二根光子晶体表面模波导与所述表面模微环的间距相等。本发明实现共振微环等共振频率、减少作为WDM器件使用时的制作难度。
文档编号G02B6/122GK101697023SQ200910154419
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者任宏亮, 刘恺, 吴哲夫, 覃亚丽 申请人:浙江工业大学;