基于二维光子晶体的四通道滤波器设计.pdf

2023 年第 4 期收稿日期院2023-02-17遥基金项目院吉首大学研究生科研项目渊Jdy22045冤资助遥作者简介院钟亮渊1998要冤袁男袁湖南益阳人袁吉首大学物理与机电工程学院硕士研究生袁 主要研究方向为非线性光学袁主持了吉首大学校级课题 1 项遥*通信作者院孙晶渊1982要冤袁女袁博士袁副教授袁主要研究方向为信息光学尧光与物质相互作用尧光电功能材料等遥0 引言光子晶体1-2是一种介电常数周期性排列的人造材料袁由于某些特定频率的光不能在光子晶体内部传播袁即能带之间存在带隙3-4袁因此可利用光子晶体的带隙特征设计特定的光学器件遥 通过在周期性排列的光子晶体介质中引入缺陷袁可以控制特定的电磁波传输袁此原理常被运用在光开关5尧逻辑门6尧滤波器7-10尧光纤通信11尧光子晶体分束器12等方面遥 ZHZANG T 等人13在正方晶格中引入了点缺陷袁通过波导与 4 个不同参数微腔的耦合袁 实现了四波长的波分解复用功能袁透射率最高可达 100%袁但最低仅为 85.6%遥ZHZANG J 等人14设计了一种由双环形谐振腔腔和主波导组成的六通道光子晶体滤波器袁透射率最高为 93.99%袁最低只有 84.24%遥 FOROUGHIFAR A 等人15设计了一种以环形腔与点缺陷为主体的四通道滤波器袁其最高透射率达到了 98%袁最低仅有 56%遥 现有的滤波器在实现高透射率的同时也普遍存在透射率较低的问题遥 基于此袁本文设计一种基于二维光子晶体的四通道波分复用器袁将微腔与主波导耦合并引入反射异质结袁调整反射异质结与微腔之间的距离袁提高各通道的透射率遥Abstract:In order to achieve high integration and efficient output of optoelectronic information devices,and improve the opto-electronic information processing ability,a four-channel filter based on two-dimensional photonic crystals is designed.Accordingto the coupling principle of four point defect microcavities and line defect waveguides,the reflection heterojunction is introducedand the distance between the micro-cavity and the reflection junction is adjusted to improve the output efficiency.The wavelengthdivision multiplexing function of four-wavelength of 1 403,1 426,1 449 and 1 508 nm is simulated.The simulation results showthat the device can achieve efficient transmission,the transmission of all four wavelengths is more than 95%,the insertion loss isless than 0.23 dB,and the cross-talk between channels is less than-8.7 dB.Key words:two-dimensional photonic crystal,wave division multiplexer,reflection junction,two-dimensional time domain fi-nite difference method钟 亮，苏慕阳，闫中胜，吴 聪，孙 晶*渊吉首大学 物理与机电工程学院袁湖南 吉首 416000冤摘要院为实现光电信息器件的高集成度和高效输出，提高光电信息处理能力，设计了一种基于二维光子晶体的四通道滤波器，根据 4 个点缺陷微腔与线缺陷波导耦合原理，引入反射异质结并调整微腔与反射结的距离，提高输出效率，对滤波器1 403、1 426、1 449、1 508 nm 四波长的波分复用功能进行仿真。仿真结果表明：该器件可实现高效传输，四波长透射率均超过 95%，插入损耗均小于 0.23 dB，通道间串扰均小于-8.7 dB。关键词院二维光子晶体；波分复用器；反射异质结；二维时域有限差分法中图分类号院TN256文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0026-06DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.005开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院钟亮袁苏慕阳袁闫中胜袁等.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院26-31.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计Design of four-channel filter based ontwo-dimensional photonic crystalZHONG Liang,SU Muyang,YAN Zhongsheng,WU Cong,SUN Jing*渊College of Physics and Electromechanical Engineering,Jishou University,Jishou Hunan 416000,China冤专 题：光 器 件輦輴訛2023 年第 4 期钟亮袁苏慕阳袁闫中胜袁等.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计1 结构设计与理论分析光子晶体滤波器的主要原理是利用光子晶体存在带隙的特性袁按照缺陷尧微腔的耦合特性挑选特定的频率遥 首先袁通过调整介质柱参数获得特定的禁带范围曰其次袁引入缺陷波导控制光的传输曰最后袁通过谐振腔滤出特定波长的光遥 为实现特定波长输出和提高输出效率袁本文对主波导输出端口尧微腔尧微腔位置进行设计优化遥在空气介质下将光子晶体按三角晶格排列袁晶格常数=560 nm袁 介质柱折射率为 3.6袁 背景折射率为1遥 波导输出端口不加反射结构袁如图 1 所示遥 优化后的波导结构如图 2 所示袁由输入端尧主波导渊PC1冤尧微腔尧输出端和反射异质结渊PC2冤构成遥本文利用平面波展开渊PWM冤法16计算在 TE渊横电模冤模式下晶格带隙结构袁如图3图6 所示遥其中袁横坐标祝尧赚尧转 分别表示第一布里渊区的 3 个坐标袁纵坐标表示归一化频率遥 在主波导PC1中袁圆介质柱半径=80 nm袁能带图如图3 所示袁阴影部分为禁带袁归一化频率为 0.3220.528遥 引入线缺陷波导袁其能带图如图 4 所示袁缺陷态导模归一化频率为 0.3610.446袁对应的波长为1 2551 551 nm遥 在反射异质结PC2中袁圆介质柱半径渊反射异质结的介质柱部分冤f=200 nm袁反射异质结的能带图如图5所示遥 选取中间最宽的禁带进行分析袁其归一化频率为 0.3570.435袁引入线缺陷后能带图如图 6 所示袁缺陷态导模归一化频率为0.4050.430袁其对应图 1 无反射结构的滤波器图图 4 PC1波导的能带图图 2 优化后的滤波器图图 3 PC1在 TE 模式下的能带图图 5 PC2在 TE 模式下的能带图专 题：光 器 件輦輵訛2023 年第 4 期的波长为1 3021 382 nm遥由于 0.3610.405内的光只能在 PC1波导中传播袁禁止在 PC2中传播袁当光传输到 PC2前端时袁光会反向传播袁从而与微腔再次耦合袁既能降低能量损耗又能提高耦合效率遥 因此袁本文选择 0.3610.405为研究区间袁其对应波长为 1 3821 551 nm遥本文利用时域有限差分渊FDTD冤法研究微腔内介质柱的半径与谐振峰之间的关系发现袁在一定范围内袁随着半径的减小袁谐振峰会往短波移动遥 根据该原理袁调节微腔内介质柱的半径大小即可对不同波长的光实现谐振遥图 7 为耦合结构图袁 其微腔内的归一化频率对时间的微分表达式为dd=j0-2b+1d蓸蔀+ej12b姨+1+ej22b姨+2+ej32d姨+3渊1冤其中袁表示微腔归一化信号幅度袁2表示腔内的能量曰 表示时间袁0表示谐振频率袁 2b表示微腔耦合到主线波导的衰减率袁1b表示微腔耦合到主线波导的衰减率袁1d表示微腔耦合到输出波导的衰减率曰 渊=1袁2袁3冤表示参考面到三端口的相位差袁参考面在波导的中间位置袁保证1=2遥 在波导中袁输入波与输出波的关系表示为-1=+2-e-j12b姨渊2冤-2=+1-e-j12b姨渊3冤-3=-+3-e-j32d姨渊4冤其中袁+渊=1袁2袁3冤分别表示 3 个端口的输入波振幅袁S-渊=1袁2袁3冤分别表示 3 个端口的输出波振幅遥 右侧端口为反射异质结袁可以实现全反射袁所以有+2=e-j-2袁表示参考面到反射异质结的相位差遥 若 S+3=0袁应用傅里叶变换可以计算反射系数和传输系数分别为渊 冤=-3+12=e-j1-2蓸蔀2b姨2d姨1+e-j蓸蔀j渊-0冤+2b1+e-j蓸蔀+1d2渊5冤渊 冤=-1+12=渊-0冤+2b1+e-j蓸蔀+1dj渊-0冤+2b1+e-j蓸蔀+1d渊6冤其中袁依是依i的傅里叶变换袁依2表示信号功率遥 由式渊5冤尧式渊6冤可知袁若bd=4 和=2 仔渊为整数冤袁有渊 冤=1 和渊 冤=0遥 由此袁本文可以通过调节谐振腔与反射异质结之间的距离实现高透射率遥优化前袁无反射异质结时的透射率如图 8 所示遥可以看出袁透射率较差且低遥优化后袁有反射异质结袁调整谐振腔与反射异质结之间的距离为 9 时的透射率如钟亮袁苏慕阳袁闫中胜袁等.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计图 6 PC2波导的能带图图 7 波导与微腔耦合结构图图 8 优化前的透射率专 题：光 器 件輦輶訛2023 年第 4 期钟亮袁苏慕阳袁闫中胜袁等.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计专 题：光 器 件图 9 所示遥 可以看出袁透射率已大幅提高遥 对比图 8 和图 9 可知袁优化后袁波长为 1 449 nm 时入射光的透射率显著增强袁达到 99%遥 稳定输入波长为1 449 nm 时入射光的光场图如图 10 所示遥 可以看出袁由点缺陷和异质结所组合的结构对目标光的局域效果较好遥 因此袁基于上述结构设计滤波器具有一定的可行性遥2 设计与仿真2.1 模型设计本文通过调节微腔内部介质柱半径袁增加反射异质结以及调节反射异质结与谐振腔之间的距离袁获得了不同的谐振频率袁并提高了透射率遥 基于此原理袁本文设计一种四通道波滤波器件袁结构图尧参数分别如图 11尧表 1 所示遥四通道的透射率情况如图 12 所示遥 可以看出袁该四通道波分复用器在 1 449尧1 403尧1 426尧1 508 nm 这4 个波长的透射率分别为 99%尧95%尧99%尧97%袁 均在95%以上袁可实现高透射率输出遥将 4 个波长的光分别持续输入主波导中袁 得到稳定的光场分布图如图 13所示遥 可以看出袁对应波长的光能较好地局域在对应的波导中遥 综上所述袁本文提出的四通道滤波器可以实现高效的滤波效果遥2.2 性能与分析滤波器的性能通常用插入损耗和信道串扰来评价遥其中袁插入损耗表示信号经过滤波器之后传输损耗袁单位为 dB袁计算公式如下院=-10lg0渊7冤其中袁0表示输出端口的光功率袁表示输入端口的光功率遥 信道串扰表示其它通道对目标通道的串扰袁单位为 dB袁计算公式如下院=10lg渊8冤其中袁 表示相邻信道间干扰的归一化传输功率袁表示传输信道的最大归一化传输功率遥将仿真结果代入式渊7冤尧式渊8冤袁计算得出的具体结果如表 2尧表 3 所示遥 可以看出袁 各通道的插入损耗较小袁最大值仅为0.23 dB曰各个信道之间的串扰较低袁 最大值仅为-8.7 dB遥 以上数据表明袁 本文所设计的四通道滤波器具有较好的性能遥图 9 优化后的透射率图 10 稳定输入波长为 1 449 nm 时的入射光的光场图图 11 四通道波分复用器结构图表 1 四通道波分复用器参数表输出端口微腔半径/nm与反射异质结的距离谐振波长/nm透射率10.4391 44999%20.3361 40395%30.3961 42699%40.52791 50897%输出波长/nm插入损耗/dB1 4030.111 4260.231 4490.121 5080.04表 2 各波长之间的插入损耗輦輷訛2023 年第 4 期渊b冤 输出 2袁=1 403 nm图 13 四通道波分复用器的光场分布图渊d冤 输出 4袁=1 508 nm渊a冤 输出 1袁=1 449 nm渊c冤 输出 3袁=1 426 nm图 12 四通道波分复用器各通道透射谱渊d冤 输出 4袁=1508 nm渊a冤 输出 1袁=1449 nm渊c冤 输出 3袁=1426 nm渊b冤 输出 2袁=1403 nm钟亮袁苏慕阳袁闫中胜袁等.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计专 题：光 器 件輧輮訛2023 年第 4 期钟亮袁苏慕阳袁闫中胜袁等.基于二维光子晶体的四通道滤波器设计专 题：光 器 件3 结束语本文基于光微腔与波导的耦合效应袁通过引入反射异质结以及调整微腔与反射异质结之间的距离袁设计了一种基于二维光子晶体的四通道滤波器遥仿真结果表明院本文提出的滤波器可以实现四波长的波分复用袁 各通道的输出波长分别为 1 403尧1 426尧1 449尧1 508 nm袁透射率均在 95%以上袁最大插入损耗仅为 0.23 dB袁最大信道串扰为-8.7 dB遥 这种四通道滤波器在光通信应用中具有较好的适用性和可推广性遥参考文献院1 YABLONOVITCH E.Inhibited spontaneous emission in solid-statephysics and electronicsJ.Physical Review 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