光子晶体波导耦合的波分复用研究

两平行光子晶体单模波导的相互耦合组成一个耦合结构。两本征模的色散曲线相交并出现简并,简并模之间的耦合作用使模式的分布发生了改变。由于耦合的作用,各个波长的光波会在不同的波导中传输。在简并点处两本征模发生解耦合,光波会沿着原来的方向传输。将两个不同耦合长度的光子晶体波导耦合结构集成在一起,就可以组成一个三波长的光子晶体波分复用器。     

光子晶体耦合缺陷波导两通道解波分复用器

提出了一种新型两通道光子晶体解波分复用器.首先使用平面波展开法分析了耦合缺陷波导的特性.接着对双耦合缺陷波导之间的耦合效应进行分析.然后,利用耦合效应设计了一种高效的解波分复用器,使用有限时域差分法研究了不同波长的光在解波分复用器中的传输特性,并计算出了电场分布图.仿真结果表明,该种结构可以实现波长分别为1 266nm和1 311nm两种光波的解波分复用.由于耦合缺陷波导具有更小的群速度,此种结构较基于线缺陷波导耦合的解波分复用器具有更小的耦合长度,从而减小了系统的体积.     

基于混合导光型光子晶体光纤的波分解复用器研究

设计了一种基于混合导光型光子晶体光纤的波分解复用器,该波分解复用器同时具有折射率导光型光子晶体光纤和带隙导光型光子晶体光纤的特点,可用于稀疏型波分复用系统中.设计的稀疏型波分解复用器由一段三芯光子晶体光纤组成,通过填充不同折射率的材料.形成了混合导光型光子晶体光纤.根据耦合模原理,在临近的波导中,当传播常数相等时,模式之间发生强烈耦合.能量在波导之间交替.由于填充的材料折射率不同,使得光功率在两个小同的波长上发生耦合,构成了两个不同响应波长的光滤波器.通过选择合适的光纤长度,使得在光纤的输出端,不同波长的光从不同的波导输出,实现波分解复用的功能.采用全矢量有限元法分析了光纤传输特性,计算了不同波长光的耦合长度.采用光束传播法仿真发现,长度为4.3 mm的光纤能实现波长为1.31μm和1.55μm光的解复用.     

高效异质结构四波长波分复用器的设计与优化

将两光子晶体单模波导平行、邻近放置构成一个光子晶体波导耦合结构.根据耦合和解耦合理论,设计了一种新型的高效异质结构四波长波分复用器.应用时域有限差分法模拟了该器件的效率,并通过改变一排介质柱的折射率,实现了较高的透射率.进一步发现在入射口处添加三对介质柱,可以有效地降低系统的反射,实现了四个波长的高效传输,四个波长的透射率均超过了90%.该器件不仅具有较高的透射率,而且其尺寸仅为36 μm×17 μm,在未来的光子集成回路中具有潜在的应用价值. 关键词： 光子晶体波导 耦合 异质结构 波分复用     

阵列波导光栅波分复用/解复用器光谱响应效率的理论模型

基于单模光波导的本征模场分布，瑞利－索末菲衍射积分公式和天线原理的互易定理，给出耦合器中两个非接触平面光波导耦合特性的描述.基此，根据等光程差不等振幅多光束干涉的光场叠加原理，推导出新颖的阵列波导光栅波分复用/解复用器的光谱响应效率的解析函数表达式，这些表达式可为快速精确分析阵列波导光栅波分复用/解复用器的特性提供理论基础.同时,介绍了一个计算阵列波导光栅波分复用/解复用器特性的例子，给出其光谱响应度和信号通道串扰.     

用于密集波分复用系统的光子晶体光分插复用器

提出一种用于密集波分复用系统的光子晶体光分插复用器，该器件为由一个光子晶体Aubry-André-Harper(AAH)谐振腔、一个光子晶体AAH反射腔以及两个光子晶体波导组成的三端口反射腔型光分插复用器。基于耦合模理论建立该结构模型，推导理论谱线并分析决定其传输性能的关键参数，根据理论结果指导基于三维时域有限差分法的仿真设计，得出器件的性能参数。仿真结果表明，该器件可以在1556.2 nm和1555.4 nm的工作波长下实现光波的上/下载功能。光子晶体AAH反射腔和锥形结构减小了光波在主波导上的泄漏和端口处的模式失配损耗，使得插入损耗与各端口串扰分别小于0.51 dB和-29.54 dB。所使用的AAH腔具有高Q值的特性，输出谱线的线宽仅为0.2 nm，尺寸仅为19.35μm×13.33μm。该器件结构紧凑且简单，支持双信道分插复用，易扩展信道，可应用于密集波分复用/解复用器件，在大规模集成的高容量光通信系统领域中具有重要的应用价值。     

光子晶体定向耦合三波长功分器

以二维三角晶格光子晶体为研究对象,在该光子晶体中引入两行以一行耦合介质柱为间距的平行单模线缺陷波导.通过分析和研究光子晶体波导耦合结构的耦合和解耦合特性,发现在不同频率下耦合波导的耦合长度不同.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下,缺陷波导间耦合波导的耦合长度,设计了一种新型超微光子晶体波导耦合型三波长功分器,实现了归一化频率分别为0.369、0.394、0.435的光波的分束效果.采用时域有限差分法验证了该功分器具有很好的功率分配效果.本文结果有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器、偏振光分束器以及光开关等光子器件的研究.     

耦合角度对平面波导叠加型光栅解波分复用性能的影响

利用玻璃材料的光敏性可在平面波导中制作出具有解波分复用功能的叠加型光栅，根据耦合模理论对这种平面波导叠加型光栅的解波分复用特性进行研究，发现了入射角度通过改变耦合系数会对光栅的反射率和带宽产生影响：当入射角度较大时，单个光栅的反射率虽稍有增大，但带宽变宽；而在入射角度较小时尽管其反射率稍有下降，但带宽却显著变窄.因此在光栅设计时必须综合考虑反射率和带宽的要求以获得更好的解波分复用性能.     

基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器

设计了一种基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器,该器件由波分解复用(WDM)和模分解复用(MDM)两部分组成。其中,波分解复用部分由两个一维光子晶体纳米梁腔构成,模分解复用部分采用硅基纳米线波导结构。利用三维时域有限差分法,计算分析了该混合解复用器的性能参数。结果表明,该器件可以在波长1570.0 nm和1573.2 nm处实现基模(TE_0)和一阶模(TE_1)四个信道的解复用功能,插入损耗小于0.37 dB,信道串扰小于-18.4 dB,自由光谱范围可以达到400 nm。该混合解复用器可以应用于模分-粗波分复用系统中。     

光子晶体方形谐振器波分解复用的特性

光通信系统设计中波分解复用器是分离光信号的一种关键部件,用于分离光信号的微型谐振器特性直接关系到波分复用(WDM,wavelength division multiplexing)解复用系统的工作性能。在二维光子晶体中逐步优化设计了基于光子晶体方形谐振器(PCSR,photonic crystal square resonator)的单信道WDM解复用结构,借助于耦合模理论(CMT,coupled-mode theory)定性分析了波导与谐振腔结构的电磁波耦合相互作用,并用时域有限差分法(FDTD,finite-difference time-domain)数值模拟了其结构工作特性。结果表明:基于PCSR设计的单输出端口WDM解复用结构在设计的参数范围中具有单谐振峰、中心波长宽调谐范围(1 501.4 nm~1 591.0 nm)、通带带宽窄(3.3 nm~9.1 nm)的特性。该结构可应用于WDM解复用光通信系统设计和光路集成设计等方面。     

基于全内反射光子晶体多模波导偏振无关型光分束器

研究了全内反射在光子晶体多模波导中的作用,利用常规的耦合模理论对对称入射时的多模干涉行为和自映射现象进行了讨论和分析.研究表明,输入光场依然能沿着多模导光区高效的传输,这种结构中的光场传输是由全内反射和布喇格反射的联合作用而决定的.设计了一种全内反射偏振无关型光分束器,这种分束器在集成光学中具有重大的潜在应用价值.     

Numerical characterization of nanopillar photonic crystal waveguides and directional couplers

We numerically characterize a novel type of a photonic crystal waveguide, which consists of several rows of periodically arranged dielectric cylinders. In such a nanopillar photonic crystal waveguide, light confinement is due to the total internal reflection. A nanopillar waveguide is a multimode waveguide, where the number of modes is equal to the number of rows building the waveguide. The strong coupling between individual waveguides leads to the proposal of an ultrashort directional coupler based on nanopillar waveguides. We present a systematic analysis of the dispersion and transmission efficiency of nanopillar photonic crystal waveguides and directional couplers. Plane wave expansion and finite difference time domain methods were used to characterize numerically nanopillar photonic crystal structures both in two- and three-dimensional spaces.     

A three-channels WDM based on MMI in photonic crystal

A photonic crystal waveguide coupling structure can be constructed by putting three adjacent photonic crystal waveguides in parallel. Guided mode propagation method is employed to analyze the interference behavior of the approximate solution in such a coupling and the self-image phenomenon in multi-mode waveguides. A three-channel multimode interference wavelength division multiplexing can be obtained. The presented device has a high transmission rate as well as the advantage of multi-wavelength selection, thus it may have a potentially practical application in future photonic integrated circuit.     

基于波导间能量耦合效应的光子晶体频段选择与能量分束器

基于波导间能量耦合效应的光子晶体功率分束器具有结构紧凑、带宽较宽、弯曲损耗低、分光角度大和不受外界电磁场干扰等优点.本文利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体耦合波导的功率分束特性,设计得出了一种能够在宽频谱范围内针对不同频率区间实现不同分光比的功能器件.在此基础上通过改变耦合区介质柱形状以及输出分支波导与能量耦合波导的连接位置,最终针对三个相邻频率范围内的入射光信号,较好地实现了三均分、二均分、单一输出通道这3种能量分配输出模式.该功能器件具有透过率对比度高、结构紧凑等特性,对于发展全光功能器件在大规模全光复杂集成领域内的实际应用具有一定的促进作用.     

Analysis of multiple reflections in hybrid photonic crystal multimode interference coupler

In this paper the analysis of multiple reflections in photonic crystal (PhC) multimode interference (MMI) couplers using eigen-mode expansion method is presented. The analysis is conducted on a hybrid PhC structure which consisted of 1-D PhC multimode waveguide sandwiched between 2-D PhC input/output waveguides. In PhC multimode waveguide, where the mechanism of wave confinement is not due to total internal reflection but due to photonic bandgap properties, the reflectivity at 2-D PhC facet wall would be very large for all the guided modes in the waveguide when ever the image formed due to MMI effect does not coincides with the output access waveguide.     

Design of photonic crystal power couplers via gratinglike surfaces

This work deals with the inverse design in the field of photonic crystal based devices. We use the finite-difference time-domain method in conjunction with a genetic algorithm to design a power coupler between two photonic crystal waveguides. By optimizing the structure of gratinglike surfaces added near the photonic crystal waveguides, we have obtained several simple power couplers considering different coupling lengths. These couplers have high coupling efficiency as well as high power intensity in the propagation direction.     

基于自映像的光子晶体波导分束器的设计

通过研究2维正方晶格光子晶体波导多模干涉的自映像效应,优化设计了一种新型1×2光子晶体波导分束器,采用时域有限差分法对其传输特性进行模拟分析。设计过程中,根据多模干涉耦合区中周期出现的双重像的位置确定两个单模输出波导的位置,通过在分束器输入和输出耦合区的连结处设置介质柱,改变输入和输出耦合区中的模场分布,实现模式匹配,从而明显减小分束器的反射损耗。计算结果表明:设置的介质柱归一化半径分别为0.08和0.177时,对于波长为1.55μm的入射光,该分束器的透射率可高达93%。     

Waveguide mode converter based on two-dimensional photonic crystals

We propose and numerically analyze a novel mode converter based on two-dimensional photonic crystal waveguides with square arrays of cylindrical dielectric rods in air. The mode converter uses small perturbation defects to decouple various modes in the multimode waveguide, thereby permitting propagation of only one mode at any given frequency, which permits one-to-one mode conversion without exciting unwanted modes. The mode converter can efficiently convert a TM0 mode supported in a single-mode photonic crystal waveguide into a TM2 mode supported in the multimode waveguide that is laterally coupled to the single-mode waveguide section for a wide wavelength range. Influences of different sizes and positions of perturbation rods on the band structure of the multimode waveguide are studied.