王偉駿,季珂,陳鶴鳴

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210023)

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基于光子晶體環(huán)形腔的光分插復(fù)用器

王偉駿,季珂,陳鶴鳴

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210023)

摘要:提出了一種基于光子晶體環(huán)形腔的OADM(光分插復(fù)用器),采用正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu),通過(guò)線(xiàn)缺陷與環(huán)形腔的耦合實(shí)現(xiàn)光分插復(fù)用,利用環(huán)形腔的頻率選擇功能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率光波的上/下載。仿真結(jié)果表明,當(dāng)入射端口有多個(gè)波長(zhǎng)的光波入射時(shí),該OADM可以上/下載波長(zhǎng)為1 554.9 nm的光波,上/下載率為98.23%,插入損耗為0.077 55 dB,信道隔離度分別為33.37和32.98 dB。該器件性能優(yōu)良,對(duì)光通信集成器件的發(fā)展具有參考意義。

關(guān)鍵詞:正方晶格;光子晶體;諧振頻率;濾波器;環(huán)形腔

0　引 言

OADM(光分插復(fù)用器)是光波分復(fù)用通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。在基于傳統(tǒng)平板波導(dǎo)微環(huán)的OADM中,微環(huán)尺寸越小,彎曲損耗越大,因此無(wú)法通過(guò)減小器件尺寸來(lái)提高器件的集成度。如果微環(huán)尺寸較大,而微環(huán)內(nèi)部的諧振態(tài)是多模的,將導(dǎo)致濾波的自由光譜范圍較小。環(huán)形腔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)濾波、分束和波分復(fù)用等功能。光子晶體具有光子帶隙和光子局域的特性,利用光子晶體制作的環(huán)形腔諧振器具有品質(zhì)因數(shù)高、自由光譜范圍大等優(yōu)點(diǎn)。因此,基于光子晶體的分插濾波器研究也逐步興起。

OADM可實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu),主要分為基于光濾波器型和基于光開(kāi)關(guān)型兩種。文獻(xiàn)[1-15]所設(shè)計(jì)的OADM屬于基于光濾波器型,其存在上/下載率較低、插入損耗較高和信道隔離度較低等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[16-18]設(shè)計(jì)的OADM屬于基于光開(kāi)關(guān)型,其插入損耗與信道隔離度均不理想。

本文在文獻(xiàn)[1-2]的基礎(chǔ)上,提出了一種基于3×3內(nèi)部正方形介質(zhì)柱、帶有4個(gè)散射介質(zhì)柱的光子晶體環(huán)形腔OADM。通過(guò)改變環(huán)形腔周?chē)?0個(gè)耦合介質(zhì)柱的半徑和環(huán)形腔內(nèi)正方形介質(zhì)柱的邊長(zhǎng),使得光波在環(huán)形諧振腔中耦合區(qū)的耦合強(qiáng)度發(fā)生改變,從而在1 550 nm波長(zhǎng)周?chē)玫揭粋€(gè)透射率最高的波進(jìn)行下載。采用Rsoft軟件進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的OADM上/下載率為98.23%,插入損耗為0.077 55 dB,信道隔離度分別為33.37和32.98 dB,其性能指標(biāo)均優(yōu)于文獻(xiàn)[1-2]給出的指標(biāo)。

1　結(jié)構(gòu)模型和上/下載機(jī)理

1.1OADM結(jié)構(gòu)

本文研究第三通信波段范圍的OADM,將無(wú)限長(zhǎng)的介質(zhì)柱按正方晶格結(jié)構(gòu)周期性地排列在空氣背景中構(gòu)成完整的光子晶體。由于正方晶格具有較高的對(duì)稱(chēng)性,因此形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的傳輸性能更好。圖1所示為所設(shè)計(jì)OADM的結(jié)構(gòu)示意圖,去掉一圈介質(zhì)柱形成一個(gè)由3×3正方形介質(zhì)柱構(gòu)成的光子晶體環(huán)形腔結(jié)構(gòu),為了減小光波在環(huán)形腔拐角處的反射對(duì)光波傳輸?shù)挠绊?在4個(gè)拐角處各設(shè)置一個(gè)散射介質(zhì)柱,使拐角變得平滑。同時(shí),在環(huán)形腔的上下兩側(cè)各對(duì)稱(chēng)地去掉一行介質(zhì)柱,形成兩條平行的光子晶體波導(dǎo)。圖中,環(huán)形腔周?chē)纳舷?0個(gè)介質(zhì)柱和左右10個(gè)介質(zhì)柱分別為接下來(lái)將要研究的兩排耦合介質(zhì)柱;環(huán)形腔4個(gè)角的4個(gè)黑色介質(zhì)柱為散射介質(zhì)柱;環(huán)形腔中間的9個(gè)正方形介質(zhì)柱為內(nèi)部介質(zhì)柱。將4個(gè)端口分別命名為A、B、C、D端口。AB為主波導(dǎo),OC為下載波導(dǎo),OD為上載波導(dǎo)。C、D分別為下/上載端口,A、B分別為主波導(dǎo)的入/出射端口。

圖1　光子晶體環(huán)形腔OADM結(jié)構(gòu)示意圖

該OADM結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下:背景材料為空氣,折射率n=1;介質(zhì)柱材料為Si,折射率n=3.4;晶格常數(shù)a=540 nm;圓柱形介質(zhì)柱半徑r=0.185a= 0.099 9μm;內(nèi)部9個(gè)正方形介質(zhì)柱的邊長(zhǎng)為R= 2r=0.199 8μm。通過(guò)平面波展開(kāi)法計(jì)算得到光子晶體禁帶的歸一化頻率a/λ范圍為0.295 70～ 0.433 24,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為1 246.4 ～ 1 826.2 nm。

1.2上/下載機(jī)理

(1)下載機(jī)理:多波長(zhǎng)復(fù)用信號(hào)在主波導(dǎo)AB中傳播,當(dāng)波長(zhǎng)為1 554.9 nm的光波傳輸?shù)江h(huán)形腔位置時(shí),由于光波頻率等于該環(huán)形腔的諧振頻率,它將被環(huán)形腔耦合到下載波導(dǎo)OC。這樣就通過(guò)環(huán)形諧振腔的頻率選擇功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定頻率光波的下載。

(2)上載機(jī)理:在不影響其他波長(zhǎng)信號(hào)傳播的前提下,當(dāng)需要將本地用戶(hù)發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)信號(hào)耦合送入復(fù)用信道中時(shí),將1 554.9 nm的光波從波導(dǎo)DO輸入,當(dāng)該光波傳輸?shù)江h(huán)形腔位置時(shí),由于光波頻率等于該環(huán)形腔的諧振頻率,它將被環(huán)形腔耦合到主波導(dǎo)AB中,從而實(shí)現(xiàn)上載功能。

2　結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)OADM的影響

以端口A作為輸入端口輸入光波,在C端口設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)器,記錄該端口的輸出能量值。

2.1正方形介質(zhì)柱邊長(zhǎng)R變化對(duì)OADM的影響

當(dāng)圓柱形介質(zhì)柱半徑r為0.099 9μm時(shí),研究R從0.169 8μm變化到0.199 8μm對(duì)透射譜的影響,如圖2所示。

圖2　正方形內(nèi)介質(zhì)柱邊長(zhǎng)R變化對(duì)透射譜的影響

由圖可以看出,通過(guò)改變R,可以改變共振波長(zhǎng),從而輸出不同波長(zhǎng)的光波。當(dāng)R增大時(shí),透射譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。當(dāng)R為0.189 8μm時(shí),可對(duì)波長(zhǎng)為1 554.9 nm的光波進(jìn)行下載。

2.2上下兩排耦合介質(zhì)柱半徑變化對(duì)OADM的影響

固定R=0.189 8μm,研究上下兩排耦合介質(zhì)柱半徑變化對(duì)透射譜的影響。如圖3所示,耦合介質(zhì)柱半徑變化范圍為0.095 9～0.098 9μm,波形自上而下依次對(duì)應(yīng)耦合介質(zhì)柱半徑為0.095 9、0.096 9、0.097 9和0.098 9μm。

圖3　耦合介質(zhì)柱半徑變化對(duì)透射譜的影響

由圖可以看出,通過(guò)改變環(huán)形諧振腔中的上下10個(gè)耦合介質(zhì)柱的半徑,可以改變特定波長(zhǎng)的透射強(qiáng)度。當(dāng)上下兩排耦合介質(zhì)柱半徑為0.095 9μm 時(shí),波長(zhǎng)為1 554.9 nm的光波的透射強(qiáng)度最高。

2.3左右兩排耦合介質(zhì)柱半徑變化對(duì)OADM的影響

固定R=0.189 8μm,上下兩排耦合介質(zhì)柱半徑為0.095 9μm,研究左右兩排10個(gè)耦合介質(zhì)柱半徑變化對(duì)透射譜的影響。如圖4所示,耦合介質(zhì)柱半徑的變化范圍為0.089 9～0.093 9μm,圖中波形自上而下依次對(duì)應(yīng)耦合介質(zhì)柱半徑為0.093 9、0.092 9、0.091 9、0.090 9和0.089 9μm。

圖4　耦合介質(zhì)柱半徑變化對(duì)透射譜的影響

由圖可以看出,通過(guò)改變環(huán)形諧振腔中的左右10個(gè)耦合介質(zhì)柱的半徑,可以改變特定波長(zhǎng)的透射強(qiáng)度。當(dāng)耦合介質(zhì)柱半徑為0.093 9μm時(shí),波長(zhǎng)為1 554.9 nm的光波的透射強(qiáng)度最高。

2.4優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的環(huán)形腔參數(shù)

圖5所示為優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的環(huán)形腔參數(shù)。9個(gè)正方形內(nèi)介質(zhì)柱的邊長(zhǎng)為0.189 8μm;上下兩排10個(gè)耦合介質(zhì)柱的半徑為0.095 9μm,左右兩排10個(gè)耦合介質(zhì)柱的半徑為0.093 9μm;位于4個(gè)角的黑色散射介質(zhì)柱的半徑與整體介質(zhì)柱的半徑r一樣,都為0.099 9μm。器件背景材料為空氣,折射率n=1;介質(zhì)柱材料為Si,折射率n=3.4;晶格常數(shù)a=540 nm。

圖5　優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的環(huán)形腔參數(shù)示意圖

3　仿真結(jié)果及性能分析

(1)上/下載率

用Rsoft軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)OADM上/下載光波的波長(zhǎng)為1 554.9 nm,上/下載率高達(dá)98.23%,時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)圖和對(duì)應(yīng)的上/下載穩(wěn)態(tài)場(chǎng)強(qiáng)分布圖分別如圖6、圖7所示。

(2)插入損耗

插入損耗是指光波在傳輸過(guò)程中造成的傳輸損耗,是評(píng)價(jià)OADM性能的重要指標(biāo),可表示為

圖6　入射波長(zhǎng)為1 554.9 nm時(shí)的時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)圖

圖7　對(duì)波長(zhǎng)為1 554.9 nm的波進(jìn)行上/下載時(shí)的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)強(qiáng)分布圖

式中,Iin為上/下載前的傳輸光強(qiáng),Ioutmax為上/下載后的最大傳輸光強(qiáng)。這個(gè)定義實(shí)質(zhì)上是將OADM作為傳輸波導(dǎo),從而計(jì)算光波在OADM中的傳輸損耗。

由圖6可知,當(dāng)OADM處于光下載且下載狀態(tài)穩(wěn)定時(shí),輸出的光波強(qiáng)度(透過(guò)率)與輸入的光波強(qiáng)度之比為0.982 3;由式(1)可知,該OADM的插入損耗約為0.077 55 dB。

(3)信道隔離度

信道隔離度是波分復(fù)用系統(tǒng)中OADM的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。其定義為一個(gè)通道對(duì)于相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_,可表示為

式中,Pout為輸出端口的光功率,Pi為除輸入輸出端口以外的其他端口的光功率。

由圖6可知,當(dāng)OADM處于光下載且下載狀態(tài)穩(wěn)定時(shí),C與D端口的輸出光功率之比為2 173.45,由式(2)可知,信道隔離度約為33.37 d B。C與B端口的輸出光功率之比為1 985.13,信道隔離度約為32.98 d B。

4　結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于3×3內(nèi)部正方形介質(zhì)柱、帶有4個(gè)散射介質(zhì)柱的光子晶體環(huán)形腔OADM。通過(guò)改變內(nèi)部9個(gè)正方形介質(zhì)柱的邊長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的濾波,且20個(gè)耦合介質(zhì)柱的半徑變化對(duì)波長(zhǎng)的透過(guò)率有一定的影響。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的OADM對(duì)特定波長(zhǎng)1 554.9 nm的波的下/上載率較高,達(dá)到98.23%。插入損耗較低,達(dá)0.077 55 dB,下載端口對(duì)于另外兩個(gè)輸出端口的通道隔離度較高,分別為33.37和32.98 dB。所提出的基于光子晶體環(huán)形腔的OADM性能優(yōu)良,在波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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光電器件研究與應(yīng)用

Photonic Crystals Cavity-Based Optical Add/Drop Multiplexers

WANG Wei-jun,JI Ke,CHEN He-ming (School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Communications,Nanjing 210023,China)

Abstract:This paper presents a photonic crystal ring cavity-based Optical Add/Drop Multiplexers(OADM).In a square lattice photonic crystal structure,this device implements optical add/drop multiplexing by the coupling of line defects with ring cavity and the upload/download of the light waves at the specific frequency using the frequency selection function of the ring cavity. The simulation results show that when the incident port has incident light waves at multiple wavelengths,this OADM can upload/download light waves at a wavelength of 1 554.9 nm,the upload/download rate is 98.23%,the insertion loss is 0.077 55 dB and the channel isolation is 33.37 dB and 32.98 dB respectively.With excellent performances,this device has reference significance to the development of integrated devices for optical communication.

Key words:tetragonal lattice;photonic crystal;resonance frequency;filter;annular cavity

中圖分類(lèi)號(hào):TN256

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0038-04

收稿日期:2015-06-23

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61077084)

作者簡(jiǎn)介:王偉駿(1991-),男,江西贛州人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ排c光波技術(shù)。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.012