專利名稱：基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的無源集成光器件，具體地說是一種基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件。
背景技術(shù)：
光子晶體已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。由于具有在波長量級上控制光路的特性，使得實現(xiàn)緊湊型平面光波光路器件(PLC)成為可能。盡管光波的完全約束只能通過三維光子晶體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，但到目前為止，三維光子晶體制作工藝尚未突破。而二維光子晶體制作相對容易，可在平面內(nèi)約束光波；同時由于折射率差較高，其中導(dǎo)波模的損耗極低。因此，從中、短期實現(xiàn)應(yīng)用的角度出發(fā)，2D-PC波導(dǎo)是目前構(gòu)成PLCs的可行方案。但如果不能高效地將光耦合到2D-PC波導(dǎo)中，其實際應(yīng)用將受到很大的限制。因此，利用光子晶體實現(xiàn)光集成器件并使之實用化的關(guān)鍵技術(shù)之一是實現(xiàn)光子晶體平面波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的有效耦合。至今已有多種提高光子晶體波導(dǎo)到脊波導(dǎo)耦合效率的方案。主要有干涉共振耦合、J型耦合、錐形耦合等。干涉共振耦合模型的共振模帶寬很窄，無法充分利用光子晶體波導(dǎo)的帶寬；J型結(jié)構(gòu)要求入射和出射的脊形波導(dǎo)方向必須改變90°才能與光子晶體波導(dǎo)耦合；錐形耦合是目前最經(jīng)常用到的耦合方式，但沒有考慮到模式轉(zhuǎn)換問題。采用距離緩變的耦合諧振腔可以有效地在脊波導(dǎo)與光子晶體波導(dǎo)之間進行模式轉(zhuǎn)換。但直接應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)雖然解決了模式轉(zhuǎn)換問題卻不能提高光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的是光子晶體與脊波導(dǎo)耦合以及將光子晶體與脊波導(dǎo)組合應(yīng)用于PLC的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，該平面光波光路器件可提高耦合效率，使光子晶體在PLC器件中具有更廣泛的用途。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，包括輸入通道、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊、脊波導(dǎo)通道、功能模塊和輸出通道，輸入通道與光波輸入端連接，輸出通道與光信號輸出端連接，其特征在于所述光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊的接口處設(shè)有能提高光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率的開口和周期緩變的一維光子晶體，輸入光波沿周期緩變的一維光子晶體進入開口，轉(zhuǎn)向后與設(shè)置在脊波導(dǎo)通道上的功能模塊連接；所述功能模塊由二維光子晶體功能光路、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊和脊波導(dǎo)通道構(gòu)成，在二維光子晶體功能光路的側(cè)面設(shè)有控制部件。所述控制部件是可以實現(xiàn)對光傳輸通道切斷、換向等功能的控制信號引入部件。
本發(fā)明中，所述開口邊界形狀呈線性或非線性分布，開口的形狀由函數(shù)f(z)＝(W1+W2)/4+[(W1-W2)/4]*cos(πz/l)，確定；式中，W1為光子晶體波導(dǎo)耦合入口處開口的大小，W2為光子晶體波導(dǎo)耦合與光子晶體波導(dǎo)接口處的開口大小，f(z)為光子晶體波導(dǎo)耦合接口形狀函數(shù)，對于一般情況，如果a為周期，則可取W1＝4a，W2＝2a。
本發(fā)明可以設(shè)計組成高效光子晶體直角轉(zhuǎn)彎器件，此時，所述光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊設(shè)有互相垂直的兩個開口。本發(fā)明還可以設(shè)計成用戶需要的其它類型器件，此時，功能模塊是根據(jù)用戶的要求來選定的器件。
為了提高經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換以后的光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率，可以考慮采用邊界緩變的光子晶體波導(dǎo)，更好的實現(xiàn)從高折射率傳播到低折射率傳播的轉(zhuǎn)變。本發(fā)明采用線性和非線性(余弦型)邊界實現(xiàn)高效耦合。采用線性邊界條件和距離緩變耦合腔波導(dǎo)實現(xiàn)耦合的光子晶體波導(dǎo)與脊形波導(dǎo)耦合的直角轉(zhuǎn)彎器件，這是構(gòu)成光子晶體與脊波導(dǎo)組合的最基本單元。在此基礎(chǔ)上，可以利用光子晶體耦合邊界和直角拐彎器件與脊波導(dǎo)一起構(gòu)成部分光子晶體，部分脊波導(dǎo)的高性能緊湊型平面光波光路器件。
本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明實現(xiàn)了光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的高效耦合，利用距離緩變的耦合諧振腔波導(dǎo)和緩變光子晶體邊界可以獲得較高的耦合效率。采用余弦設(shè)計，使用距離緩變的耦合諧振腔波導(dǎo)后在較寬的頻譜內(nèi)其耦合效率超過95％。同時有效地解決了光波的90度轉(zhuǎn)彎問題。有效的構(gòu)成了部分光子晶體，部分脊波導(dǎo)的高性能緊湊型平面光波光路器件。
本發(fā)明可以將耦合單元、拐彎單元和可控式光子晶體單元任意組合，可有效發(fā)揮各自特點，形成各類緊湊型平面光波光路功能器件；且便于添加外接電、聲、熱等物理量。同時使用平面制作工藝，便于集成，可方便地與光纖耦合。
四

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中耦合邊界示意圖。
圖3是幾種緩變方式傳輸譜對比。
圖4(a)是光子晶體波導(dǎo)直角轉(zhuǎn)彎功能模塊圖。
圖4(b)是實現(xiàn)直角轉(zhuǎn)彎后再次耦合到脊波導(dǎo)的傳輸效率圖。
圖5是光子晶體定向耦合器設(shè)計圖。
圖6是光子晶體定向耦合器傳輸譜圖，其中，(a)為直通態(tài)、(b)為交叉態(tài)、(c)為功分態(tài)傳輸譜圖。
圖7是基于耦合邊界的緊湊型M-Z干涉儀的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是利用可控式光子晶體單元及光子晶體直角拐彎單元，構(gòu)成光緩存結(jié)構(gòu)圖。
五具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，由輸入通道1，光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊2，脊波導(dǎo)通道3，功能模塊4，輸出通道5組成。光場從輸入通道1輸入，進入光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊2，經(jīng)過光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊2耦合如光子晶體中實現(xiàn)直角拐彎功能，有效的減少了脊波導(dǎo)直角拐彎的長度。光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊2的接口處設(shè)有能提高光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率的開口6和周期緩變的一維光子晶體7，輸入光波沿周期緩變的一維光子晶體7進入開口6，轉(zhuǎn)向后與設(shè)置在脊波導(dǎo)通道3上的功能模塊4連接；開口6和周期緩變的一維光子晶體7能提高光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率。所述功能模塊4由二維光子晶體功能光路、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊2和脊波導(dǎo)通道3構(gòu)成，在二維光子晶體功能光路的側(cè)面設(shè)有控制部件8。所述控制部件8是可以實現(xiàn)對光傳輸通道切斷、換向等功能的控制信號引入部件。
圖2給出了光子晶體與脊波導(dǎo)耦合的具體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中f(z)＝(W1+W2)/4+[(W1-W2)/4]*cos(πz/l)，W1為光子晶體波導(dǎo)耦合接口開口的大小，W2為光子晶體波導(dǎo)耦合接口與光子晶體波導(dǎo)處的開口大小，f(z)為光子晶體波導(dǎo)耦合接口形狀函數(shù)。對于一般情況，如果a為周期，則可取W1＝4a，W2＝2a。耦合諧振腔波導(dǎo)的距離依次緩變0.1個周期。從最初的相距(圓柱中心處距離)0.4個周期變化到1個周期，此時距離不再變化；出口處距離變化相反。每處共采用7個介質(zhì)柱子進行緩變，在耦合諧振腔波導(dǎo)的兩邊加上光子晶體就可以構(gòu)成介質(zhì)脊波導(dǎo)與光子晶體波導(dǎo)的耦合。為了提高經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換以后的光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率，可以考慮采用邊界緩變的光子晶體波導(dǎo)，更好的實現(xiàn)從高折射率傳播到低折射率傳播的轉(zhuǎn)變。本發(fā)明考慮采用非線性(余弦型)邊界實現(xiàn)高效耦合。
圖3給出了幾種緩變方式傳輸譜對比，證明了采用本發(fā)明的耦合邊界可以取得高效耦合輸入輸出。圖4(a)為光子晶體波導(dǎo)直角轉(zhuǎn)彎功能模塊。圖4(b)給出了從脊波導(dǎo)中輸入進光子晶體直角轉(zhuǎn)彎器件實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎后再次耦合到脊波導(dǎo)的傳輸效率圖。芯片的掃描電鏡俯視圖。
圖5是本發(fā)明的第一個實例。采用圖一框圖設(shè)計，完成了從脊波導(dǎo)、光子晶體混合高性能緊湊型定向耦合器的設(shè)計。利用線性緩變可以將較寬的脊波導(dǎo)寬度逐漸縮小到0.4a后可以利用轉(zhuǎn)彎單元將入射光耦合至PCW-DC中。經(jīng)PCW-DC進行耦合后，再次通過轉(zhuǎn)彎單元與脊波導(dǎo)輸出到光纖中。從而可以實現(xiàn)光纖之間的直通態(tài)、交叉態(tài)以及功分態(tài)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。在1.55μm處，該PCW-DC中核心的P-PCW拍長為48a，大約為20μm。由此可見，定向耦合器的長度大為降低，十分有利于緊湊型光子器件的制作。該器件PCW-DC不同長度決定了不同的耦合狀態(tài)，圖6給出了三種狀態(tài)(直通態(tài)、交叉態(tài)、3dB功分態(tài))下的傳輸譜。
圖7是本發(fā)明的第二個實例。利用光子晶體耦合邊界可以實現(xiàn)緊湊型M-Z干涉儀。利用光子晶體可以有效實現(xiàn)光波的直角轉(zhuǎn)彎，使得M-Z兩臂間隔5-10微米，有效的減少了M-Z干涉儀從輸入、輸出脊波導(dǎo)變化至兩臂處所需的長度。
圖8是利用可控式光子晶體單元及光子晶體直角拐彎單元，構(gòu)成光緩存結(jié)構(gòu)。光信號從光子晶體定向耦合器P1入射，進入到光子晶體定向耦合器P1端口，根據(jù)波長選擇合適的電壓，使定向耦合器處于交叉態(tài)，這樣光信號從P3出射，當直角拐彎器件1不加電時，1為直角拐彎，信號從1a入射至1b出射，此時信號進入到2后從P2入射，由于定向耦合器為交叉態(tài)且P1路只有半個拍長，信號只能從P3出射，如此光將沿該圈(P3→1→2→P2→P3)前進；當在1上加電時，1c將形成通路，1b不通，信號從1a入射，至1c出射，繼續(xù)沿脊波導(dǎo)前進。這就構(gòu)成了光延時裝置。
權(quán)利要求
1.一種基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，包括輸入通道(1)、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊(2)、脊波導(dǎo)通道(3)、功能模塊(4)和輸出通道(5)，輸入通道(1)與光波輸入端連接，輸出通道(5)與光信號輸出端連接，其特征在于所述光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊(2)的接口處設(shè)有能提高光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率的開口(6)和周期緩變的一維光子晶體(7)，輸入光波沿周期緩變的一維光子晶體(7)進入開口(6)，轉(zhuǎn)向后與設(shè)置在脊波導(dǎo)通道(3)上的功能模塊(4)連接；所述功能模塊(4)由二維光子晶體功能光路、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊(2)和脊波導(dǎo)通道(3)構(gòu)成，在二維光子晶體功能光路的側(cè)面設(shè)有控制部件(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，其特征在于所述控制部件(8)是可以實現(xiàn)對光傳輸通道切斷、換向等功能的控制信號引入部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，其特征在于所述開口(6)邊界形狀呈線性或非線性分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，其特征在于所述光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊(2)設(shè)有互相垂直的兩個開口(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，其特征在于所述功能模塊(4)是根據(jù)用戶的要求來選定的器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光子晶體的高性能緊湊型平面光波光路器件，包括輸入通道、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊、脊波導(dǎo)通道、功能模塊和輸出通道，所述光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊的接口處設(shè)有能提高光子晶體波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的耦合效率的開口和周期緩變的一維光子晶體，輸入光波沿周期緩變的一維光子晶體進入開口，轉(zhuǎn)向后與設(shè)置在脊波導(dǎo)通道上的功能模塊連接；所述功能模塊由二維光子晶體功能光路、光子晶體與脊波導(dǎo)耦合模塊和脊波導(dǎo)通道構(gòu)成，在二維光子晶體功能光路的側(cè)面設(shè)有控制部件。本發(fā)明利用緩變周期耦合諧振腔加非線性緩變作為光子晶體與脊波導(dǎo)的耦合接口，提高了脊波導(dǎo)至光子晶體波導(dǎo)的耦合效率。
文檔編號G02F1/01GK1885074SQ200610088238
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者孫小菡, 柏寧豐, 肖金標, 劉旭, 樊鶴紅 申請人:東南大學(xué)