光子晶体信道分路滤波器特性的研究

为使不同频带的电磁波沿着各自的信道传输,在二维介质柱正方格光子晶体中设计了3种典型的信道分路滤波器(CDF)结构。利用时域有限差分法研究了其特性,得到了各个输出端口对应的传输特性曲线。各信道分路输出信号在其通带中心频率处强度最大,随远离中心频率向高频或低频移动各信道输出信号强度将迅速衰减。该类CDF结构各信道分路具有选频性能强,频带中心频率串扰弱,工作波长范围宽等特性,可用作设计窄带带通滤波器、或带阻滤波器等微型器件。因此,在光子晶体片上的光路设计、波分复用光通信系统设计等方面存在潜在的应用价值。

多信道二维光子晶体滤波器

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理,在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构;基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性,分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明:通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率,而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示:优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能,各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比,该器件体积较小,结构简单,易于大规模集成,很有应用前景。

多信道异质结构光子晶体滤波器

利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC),设计了一款由4个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成的多信道下路滤波器。利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)分析了该异质结构滤波器的工作机制,并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离对下路效率的影响。研究表明,滤波器中的异质结反射器可以实现接近100%的反射,从而大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率。设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能,其信道间隔为10nm,滤波效率均在90%以上,透射谱半高宽均在0.54nm以下,实现了较高的品质因子特性。该滤波器尺寸只有15.15μm×13.91μm,且滤波效率很高,适于在波分复用系统中进行复用与解复用,在未来光路集成应用中具有良好的应用前景。

带反射回馈的高效光子晶体多路滤波器件

光子晶体制备的滤波器件在光通信中有巨大应用潜力，但普通的基于2D光子晶体的多分路滤波器因为抽取效率不够高，无法达到实用化的要求。本文通过给上述滤波器加入新结构，提出了性能更好的分路滤波器模型。具体的改进结构有两种：一种是在主波导末端放置一个反射微腔，另一种是在主波导两侧放置多个反射微腔。通过时域有限差分（FDTD）法对光波在这两种结构中的传播进行了模拟分析，并绘出了光波能量传播示意图。结果表明，该结构可以明显地减少光波损耗，提高抽取效率。这两种结构器件的理论抽取效率达到了60％～90％，大大高于普通结构的30％～40％的水平。这也说明了反射微腔的新颖结构对改进光子晶体滤波器的重要作用。

八通道光子晶体滤波器的设计与仿真

设计了一种具有高隔离度的八通道光子晶体滤波器,并应用时域有限差分法分析计算了在晶格常数相同的条件下,点缺陷微腔局域频率与光子晶体介质柱半径之间的变化规律。在此基础上,对该八通道滤波器的传输特性进行了仿真。结果表明,晶格常数取540nm时,该滤波器各信道的中心频率在1 510～1 580nm,信道间隔小于9.5nm,信道间隔离度均大于35dB。

一种新型高效光子晶体多信道下载滤波器的设计

采用二维正方排列的光子晶体,根据微腔缺陷模和波导模共振耦合原理,设计了一种新型的多信道下载滤波器,该滤波器通过主波导、90°弯波导和共振微腔的组合,提高了各个信道下载波导的下载效率。利用二维时域有限差分法模拟了滤波器的传输特性,并理论分析了影响下载效率的因素,进一步对滤波器进行了优化,使得各信道下载波导的下载效率均在91%以上。模拟结果表明该滤波器能有效地实现光波的分波下载,传输谱信道波长间隔约为20nm,中心波长误差为±2nm,传输谱的最大半宽度为3.2nm,有良好的波长选择性,证实了增大下载波导和共振微腔的耦合区域可以有效地提高滤波器的下载效率。

基于分形结构的光子晶体滤波器优化设计

针对基于分形结构的一维光子晶体滤波器,优化设计其多信道滤波性能和调控特性:优化缺陷层的核心参数,使其对应的透射信道在带隙中灵活移入移出,实现对信道数量的控制;并在各透射信道波长由缺陷层调控的基础上,优化基础结构周期以保证对多信道的调控严格独立。进而,利用传输矩阵法对其滤波性能进行研究,分析了不同级别结构下信道数量的控制及信道特性;并以S=3结构为例,分析了影响信道中心波长的因素,以及对多个信道的独立调控性能进行了验证。最后对滤波器的3dB带宽、透射率等关键参数进行定量分析,譬如3dB宽度小于11nm,透射率大于0.9等。由此,通过对具有分形性质一维光子晶体滤波器的结构参数优化,实现了具有较好滤波性能的多信道可独立调谐滤波器,可实现在光纤通信中对特定信道滤波,提升系统信噪比。