基于光子晶体的模阶转换功率分配器

本发明涉及功率分配器，尤其是涉及一种基于光子晶体的模阶转换功率分配器。

背景技术：

1、随着数据通信业务和互连网技术的飞速发展，带动多媒体、社交网络的日益普及，人们对于信息的需求量越来越大。为了满足人们及时接收信息的需求，要求电信设备在规模较小的基础上具有尽可能大的数据传输带宽和尽可能小的传输损耗。硅基光学互连由于cmos兼容、高速和宽带宽的特性被认为是一种很有前途的解决方案，可以满足对高容量传输通信日益增长的需求。各种硅基光学互连技术：例如，波分复用，以及模分复用(mdm)和偏振分复用，都被用来实现容量扩展。特别是，mdm，其中每个引导模式都被视为一个独立的数据通道，为进一步扩大传输容量提供了一个新的维度，备受关注。

2、到目前为止，已经引入了各种不同类型的元件，如多模弯曲波导、多模光学滤波器、多模波导交叉、多模光学开关和模(去)复用器，以实现片上mdm传输。其中，用于分离或组合导模的光功率分配器在mdm传输中也起着重要作用。现有的光功率分配器大部分采用对称y分支结构，然而对称y分支结构的光功率分配器的输出弯曲波导处半径变化较大，由此存在着较大的损耗，导致传输效率不高，而且大部分对称y分支结构的光功率分配器只能支持一种模式的功率分配和传输，携带的模式信息较少，所以，为了增强携带高阶模式信息的能力，这些对称y分支结构的光功率分配器通常额外级联模式转换器进行实用，通过模式转换器先将输入模式进行转换后再传输进入光功率分配器中进行分配和传输。但是，额外增加的模式转换器将这导致mdm器件面积增大，这可能会阻碍在密集和大规模片上光子集成中的进一步潜在应用。另外，现有的模式阶数转换器大部分采用硅亚波长结构，但这种结构由于深亚波长特征尺寸，制造起来比常规波导更困难，而且由于难制造，存在着较大的制造误差，导致制造的实物损耗较大，传输效率不高，由此导致对光功率分配器携带高阶模式信息的能力增强有限。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光子晶体的模阶转换功率分配器。该模阶转换功率分配器兼具模式转换器功能和光功率分配器功能，结构紧凑，尺寸较小不会导致mdm器件面积增大，同时其模式转换传输效率较高，具有较高的携带高阶模式信息的能力。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于光子晶体的模阶转换功率分配器，包括包层和模阶转换功率分配器主体结构，所述的模阶转换功率分配器主体结构位于所述的包层内部，且被所述的包层完全包裹住，所述的模阶转换功率分配器主体结构包括第一直波导、耦合区波导、第二直波导和第三直波导，所述的第一直波导用于将外部te0光源或者tm0光源传输至所述的耦合区波导，所述的耦合区波导用于将te0光源转换成两路te1光源或者将tm0光源转换成两路tm1光源一一对应传输至所述的第二直波导和所述的第三直波导，所述的第二直波导用于传输至其处的一路te1光源或者一路tm1光源进行输出，所述的第三直波导用于将传输至其处的一路te1光源或者一路tm1光源进行输出，所述的耦合区波导包括平板波导，所述的平板波导为矩形波导，将所述的平板波导的长度记为l，宽度记为w，高度记为h，所述的平板波导的长度所在方向作为左右方向，宽度所在方向作为前后方向，高度所在方向作为上下方向，所述的平板波导上开设有上下贯穿的m*n个圆柱形孔，m为大于等于2的偶数，n为大于等于2的整数，m*n个圆柱形孔按照m行n列均匀间隔分布，其中，行方向沿前后方向，列方向沿左右方向，每个圆柱形孔的直径均为0.1um，任意相邻两个圆柱形孔的中心间距均为b，b大于等于0.2um且小于等于0.3um，位于第1行的n个圆柱形孔的中心轴线与所述的平板波导的前端面之间的间距均为c，c大于等于0.2um且小于等于0.3um，位于第m行的n个圆柱形孔的中心轴线与所述的平板波导的后端面之间的间距均为c，位于第1列的m个圆柱形孔的中心轴线与所述的平板波导的左端面之间的间距均为c，位于第n列的m个圆柱形孔的中心轴线与所述的平板波导的右端面之间间距均为c，m*n个圆柱形孔中的一部分被材料为二氧化硅的第一种光子晶体完全填充，剩余一部分被材料为硅的第二种光子晶体完全填充，所述的第一种光子晶体和所述的第二种光子晶体均为圆柱体状，且直径均等于所述的圆柱形孔的直径，高度均等于所述的圆柱形孔的高度，被所述的第一种光子晶体和所述的第二种光子晶体填充的圆柱形孔所处位置通过以下方法确定：

3、步骤1、在fdtd仿真软件中绘制代表所述的平板波导以及其上m*n个圆柱形孔的一个矩形结构，该矩形结构由一个矩形块以及在所述的矩形块上的m*n个圆柱形孔构成，所述的矩形块代表平板波导，所述的矩形块上的m*n个圆柱形孔代表所述的平板波导上的m*n个圆柱形孔，将该矩形块的材料属性被设定为硅，采用fdtd仿真软件对该矩形结构进行一次仿真，得到该矩形结构的总透射率；

4、步骤2、从该矩形结构的第1行圆柱形孔开始，按照从左到右顺序依次去选中该行圆柱形孔中的每个圆柱形孔，其中，每次选中一个圆柱形孔后，就先在fdtd软件上绘制一个直径为0.1um，高度为h的圆柱体，将该圆柱体的材料属性设定为二氧化硅，再将该圆柱体完全填充到选中的圆柱形孔中更新矩形结构，然后采用fdtd仿真软件对当前矩形结构进行一次仿真，得到其总透射率，如果当前得到的总透射率大于前一次仿真得到的总透射率，则保留填充到该圆柱形孔的圆柱体，否则不保留，将该圆柱体从该圆柱形孔中删除，以此类推，直至第1行所有圆柱形孔操作完成后，开始对下一行圆柱形孔按照与前一行圆柱形孔相同的方式进行操作，直至第m/2行圆柱形孔操作完成；

5、步骤3、找到矩形结构的m*n个圆柱形孔中，与第1行圆柱形孔至第m/2行圆柱形孔中被圆柱体填充的圆柱形孔相对于所述的矩形块沿左右方向的对称面呈前后对称关系的圆柱形孔，将此时找到的圆柱形孔以及第1行圆柱形孔至第m/2行圆柱形孔中被圆柱体填充的圆柱形孔均称为第一类圆柱形孔，矩形结构的m*n个圆柱形孔中除第一类圆柱形孔以外的其它圆柱形孔称为第一类圆柱形孔；

6、步骤4、所述的平板波导上的m*n个圆柱形孔中，与第一类圆柱形孔处于对应位置的圆柱形孔为填充第一种光子晶体的圆柱形孔，与第二类圆柱形孔处于对应位置的圆柱形孔为填充第二种光子晶体的圆柱形孔。

7、所述的平板波导的长度为4um，宽度为3.8um，高度为0.22um，m＝18，n＝19，b＝0.2um，c＝0.2um，m*n个圆柱形孔中，位于第1行第1列、第1行第3列、第1行第4列、第1行第5列、第1行第6列、第1行第7列、第1行第8列、第1行第10列、第1行第11列、第1行第12列、第1行第13列、第1行第14列、第1行第15列、第1行第16列、第1行第19列、第2行第3列、第2行第4列、第2行第5列、第2行第7列、第2行第18列、第3行第3列、第3行第5列、第4行第10列、第4行第11列、第4行第12列、第4行第13列、第5行第6列、第5行第8列、第5行第13列、第5行第14列、第6行第6列、第6行第7列、第7行第15列、第7行第17列、第7行第18列、第7行第19列、第8行第3列、第8行第9列、第8行第10列、第8行第13列、第8行第14列、第8行第19列、第11行第3列、第11行第9列、第11行第10列、第11行第13列、第11行第14列、第11行第19列、第12行第15列、第12行第17列、第12行第18列、第12行第19列、第13行第6列、第13行第7列、第14行第6列、第14行第8列、第14行第13列、第14行第14列、第15行第10列、第15行第11列、第15行第12列、第15行第13列、第16行第3列、第16行第5列、第17行第3列、第17行第4列、第17行第5列、第17行第7列、第17行第18列、第18行第3列、第18行第4列、第18行第5列、第18行第6列、第18行第7列、第18行第8列、第18行第10列、第18行第11列、第18行第12列、第18行第13列、第18行第14列、第18行第15列、第18行第16列以及第18行第19列的圆柱形孔均被所述的第一种光子晶体完全填充，剩余一部分圆柱形孔均被所述的第二种光子晶体完全填充；所述的第一直波导、所述的第二直波导和所述的第三直波导的高度方向均沿上下方向，所述的第一直波导、所述的第二直波导和所述的第三直波导的宽度方向均沿前后方向，所述的第一直波导、所述的第二直波导和所述的第三直波导的长度方向均沿左右方向，所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导的上端面和所述的平板波导的上端面位于同一平面，所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导的下端面和所述的平板波导的下端面位于同一平面，所述的第一直波导位于所述的平板波导的左侧，所述的第一直波导的宽度为1.3um，长度为6um，所述的第一直波导的右端面与所述的平板波导的左端面连接且呈两者呈贴合状态，所述的第一直波导沿左右方向的对称面与所述的平板波导沿左右方向的对称面位于同一平面，所述的第二直波导位于所述的平板波导的右侧，所述的第二直波导的宽度为1.3um，长度为6um，所述的第二直波导的左端面与所述的平板波导的右端面连接且两者呈贴合状态，所述的第二直波导的前端面与所述的平板区波导的前端面位于同一平面，所述的第三直波导位于所述的平板波导的右侧以及所述的第二直波导的后侧，所述的第三直波导的宽度为1.3um，长度为6um，所述的第三直波导的左端面与所述的平板波导的右端面连接且两者呈贴合状态，所述的第三直波导位的后端面与所述的平板波导的后端面位于同一平面。

8、与现有技术相比，本发明的优点在于通过第一直波导、耦合区波导、第二直波导和第三直波导构成模阶转换功率分配器，当第一直波导将外部te0光源或者tm0光源传输至耦合区波导时，te0光源或者tm0光源在耦合区波导传播时，由于耦合区波导的平板波导中按照总透射率增加的规则在相应位置处填充了第一种光子晶体，第一种光子晶体材料为二氧化硅，取代了其所处圆柱形孔处原有的材料硅，，从而使得平板波导内的有效折射率增大至与te1光源和tm1光源的有效折射率近似，由此会造成了外部te0光源或者tm0光源在平板波导内传输时的折射率与平板波导的有效折射率不匹配，从而使外部te0光源或者tm0光源在平板波导内沿传播方向逐步转化为te1光源或者tm1光源，并且因为被第一种光子晶体填充的圆柱形孔相对于平板波导沿左右方向的对称面呈前后对称关系，此时将转化后的te1光源或者tm1光源在平板波导内传输时也被均分成两路，一一对应传输至第二直波导和第三直波导，第二直波导将传输至其处的一路te1光源或者一路tm1光源进行输出，第三直波导于将传输至其处的一路te1光源或者一路tm1光源进行输出，由此，本发明的模阶转换功率分配器在输入低阶模式的光源后，能够将该光源转换为高阶模式的光源后均分为两路传输出去，兼具模式转换器功能和光功率分配器功能，携带高阶模式信息的能力得以增强，且第一直波导、耦合区波导、第二直波导和第三直波导直接连接，结构简单紧凑，一方面不会导致mdm器件面积增大，另一方面能够实现短距离传输，损耗较小，模式转换传输效率较高，具有较高的携带高阶模式信息的能力。