二维异质结光子晶体可调谐滤波器转让专利
申请号 : CN200810176024.7
文献号 : CN101414029B
文献日 : 2010-12-29
发明人 : 刘璟 , 陈朝阳 , 杨光松 , 马中华 , 郑志强
申请人 : 集美大学
摘要 :
本发明公开了一种使用于光子集成芯片的二维异质结光子晶体可调谐滤波器，该滤波器包括一二维异质结光子晶体弯曲波导和两个异质结光子晶体微腔。在异质结光子晶体弯曲波导中引入不同晶格常数的微腔，实现不同波长的滤波。通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径，获得一定波长调谐范围的滤波波长。本发明的不同波长滤波和滤波波长可调谐两个功能，满足了密集波分复用(DWDM)技术迅速发展的需求。
权利要求 :
1.一种二维异质结光子晶体可调谐滤波器，其特征在于：包括一个二维异质结光子晶体弯曲波导和两个异质结光子晶体微腔；所述波导和所述微腔之间产生电磁相互作用；所述二维异质结光子晶体由三个不同晶格常数的光子晶体构成，第三结构光子晶体的晶格常数比第二结构光子晶体大2.3％，第二结构光子晶体的晶格常数比第一结构光子晶体大2.3％；所述的三个光子晶体有相同介质电常数的介质柱和基质组成；所述两个异质结光子晶体微腔分别含有3个介质阵点。
2.根据权利要求1所述二维异质结光子晶体可调谐滤波器，其特征在于：所述二维异质结光子晶体弯曲波导是周期与第一结构光子晶体和第二结构光子晶体的周期相同的L型线缺陷异质结光子晶体波导，该L型线缺陷是在完整的二维异质结光子晶体去掉一排L型介质柱形成的。
3.根据权利要求1所述二维异质结光子晶体可调谐滤波器，其特征在于：所述两个异质结光子晶体微腔是正方晶格空位型点缺陷。
4.根据权利要求1所述二维异质结光子晶体可调谐滤波器，包含两个异质结光子晶体微腔，其特征在于：所述两个异质结光子晶体微腔在振荡频率上彼此不同。
5.根据权利要求1所述二维异质结光子晶体可调谐滤波器，其特征在于：在所述两个异质结光子晶体微腔中振荡的光波长可以通过改变点缺陷周围介质材料的折射率或相关介质柱半径进行调谐。
6.根据权利要求1所述二维异质结光子晶体可调谐滤波器，其特征在于：它具有由TE模局域脉冲源入射到光子晶体波导的入射端口。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种光子晶体可调谐滤波器，特别是涉及一种使用于光子集成芯片的二维异质结光子晶体可调谐滤波器。应该理解，在本说明书中，“光”一词的意义还包括相对于可见光有较长或较短波长的电磁波。
背景技术
WDM光通信系统的高速发展促进了市场对各种光器件的需求，把不同功能的光子器件通过内部光波导互联，制成一个光子集成芯片(PICs Photonic integrated circuits)。PICs包括激光器与光子接收器、放大器、调制器和光开关等。PICs具有密集、稳定和适合大规模生产等优点，可以极大地满足了市场需求。
光子晶体从1998年到现在取得了巨大的发展，越来越多的科学家和企业家开始关注光子晶体的发展。光子晶体是由不同介质按周期或准晶体结构排列形成的材料。二维光子晶体由于相对容易制造，而且其二维结构能够充分表现光子晶体的特性，在研究中受到关注。光子晶体的一个重要特性是存在光子禁带。在光子晶体中引入缺陷后，由于缺陷模的出现，就可以对光子晶体进行控制，如引入点缺陷，可以实现谐振微腔，而引入线缺陷，就可以实现光子晶体波导。光子晶体可以控制光路的特性，使得它正在成为制作PICs的首选。光子晶 体实现了在波长量级上控制光路的要求，使得人们可以制造出高度集成、小型化的设备和元件。
波分复用里面的关键器件滤波器的作用是非常重要的，然而经典滤波器(比如A/D滤波器、通道选择滤波器、复用滤波器、解复用滤波器等)的尺寸变化范围从几个毫米到几个厘米，要实现密集的、集成的波分复用系统就有点勉为其难了。光子晶体的出现，为这种极密集、高Q的光子器件的实现提供了一种新的解决途径。发展至今，已经实现种类繁多，门类齐全的各种光子晶体滤波器。
目前设计的光子晶体滤波器多为固定式，其滤波的频段和带宽都是恒定的，并且多为同质结光子晶体的构架。向列相液晶具有较大的介电各向异性和折射率，且对外界参量(如温度、电场、压力)的变化很敏感，它是制作可调谐滤波器的理想材料，为实现可调变滤波波长和多波长滤波功能提供了可能性。如文献1：Bong-ShikSong，TakashiAsano，etal.Role of interfaces in heterophotoniccrystals for manipulation of photons.Phys.Rev.B，2005，71：195101.中公开了二维异质结光子晶体中微腔的特性；文献2：DavidM，Pustai，Dennis W.Techniques for tuning two-dimensionalphotonic crystal devices.Proc.SPIE，2003，5213：49-62.中公开了在二维同质结光子晶体的空气柱中填入液晶，实现了液晶光子晶体滤波器，但他们的结果都未能实现透射峰的调制；文献3：R.Ozaki，T.Matsui，et al.Electeically Color-Tunable Defect Mode Lasingin One-Dimensional Photonic-Band-Gap System Containing LiquidCrystal.Applied Physics Letters，2003，82(21)：3593-3595.中公开了在一维光子晶体中应用向列相液晶作为缺陷层，通过外加电场改变液晶分子的取向，导致其折射率的改变，实现对一维光子晶体 滤波的调谐作用。
发明的内容
本发明的目的在于提供一种二维异质结光子晶体可调谐滤波器，该滤波器在异质结光子晶体弯曲波导中引入不同晶格常数的微腔，实现波长滤波的可调谐，通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径，获得一定波长调谐范围的滤波波长。
为了达到上述目的。本发明采取的技术方案如下：
一种二维异质结光子晶体可调谐滤波器，包括：
一二维异质结光子晶体弯曲波导，
两个异质结光子晶体微腔，二维异质结光子晶体中包含线缺陷(波导)和两个近邻点缺陷(微腔)，就形成了二维异质结光子晶体滤波器，改变异质结光子晶体微腔的结构参数，满足滤波波长可调谐的需求。
在上述技术方案中，二维异质结光子晶体由三个不同晶格常数的光子晶体构成，其晶格常数为a(a1、a2、a3)，介质柱半径为r(r1、r2、r3)，介质柱的相对介电常数为第一介电常数，基质的为第二介电常数，所述的第一介电常数大于所述第二介电常数，所述第二介电常数的材料如空气等。
所述二维异质结光子晶体由三个不同晶格常数的光子晶体构成，第三结构光子晶体的晶格常数比第二结构光子晶体大2.3％，第二结构光子晶体的晶格常数比第一结构光子晶体大2.3％；所述的三个光子晶体有相同介质电常数的介质柱和基质组成。
所述两个异质结光子晶体微腔是正方晶格空位型点缺陷。
所述两个异质结光子晶体微腔分别含有3个介质阵点。
所述两个异质结光子晶体微腔在振荡频率上彼此不同。
在所述两个异质结光子晶体微腔中振荡的光波长可以通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径进行调谐。
在上述技术方案中，完整的二维异质结光子晶体去掉一排L型介质柱，即引入线缺陷，形成了二维L型线缺陷异质结光子晶体波导，波导的周期与第一结构光子晶体和第二结构光子晶体的周期相同。
在上述技术方案中，两个异质结光子晶体微腔(近邻点缺陷)是在异质结光子晶体的直角两边，分别拿掉三个介质柱形成的，这两个近邻点缺陷是晶格常数不同的微腔。
在上述技术方案中，两个异质结光子晶体微腔(近邻点缺陷)是正方晶格空位型点缺陷。
在上述技术方案中，所述的半导体材料为GaN/ALGaN材料、CaAs/ALCaAs材料或InP/InCaAsP材料。
在上述技术方案中，它具有由TE模局域脉冲源入射到光子晶体波导的入射端口。
本发明的可调谐滤波特性是通过时域有限差分法(FDTD)进行分析，在共振频率处，微腔和附近的波导耦合最强，波导中频率在微腔共振频率附近的光波的能量能被“下载”到各自的微腔里面；“下载”的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参数，从而能够实现调变“下载”频率，通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径的方式，分别获得一定调谐范围的滤波波长。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)不同波长滤波：本发明的异质结光子晶体中弯曲波导近邻的不同结构的微腔，能够“下载”不同频率成份的波，“下载” 的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参数，实现不同波长滤波。
2)滤波可调谐：本发明的异质结光子晶体滤波器通过改变点缺陷周围介质材料的折射率或相关介质柱半径的方式获得可调变滤波波长，满足密集波分复用(DWDM)技术迅速发展的需求。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
光子晶体从1998年到现在取得了巨大的发展，越来越多的科学家和企业家开始关注光子晶体的发展。光子晶体是由不同介质按周期或准晶体结构排列形成的材料。二维光子晶体由于相对容易制造，而且其二维结构能够充分表现光子晶体的特性，在研究中受到关注。光子晶体的一个重要特性是存在光子禁带。在光子晶体中引入缺陷后，由于缺陷模的出现，就可以对光子晶体进行控制，如引入点缺陷，可以实现谐振微腔，而引入线缺陷，就可以实现光子晶体波导。光子晶体可以控制光路的特性，使得它正在成为制作PICs的首选。光子晶 体实现了在波长量级上控制光路的要求，使得人们可以制造出高度集成、小型化的设备和元件。
波分复用里面的关键器件滤波器的作用是非常重要的，然而经典滤波器(比如A/D滤波器、通道选择滤波器、复用滤波器、解复用滤波器等)的尺寸变化范围从几个毫米到几个厘米，要实现密集的、集成的波分复用系统就有点勉为其难了。光子晶体的出现，为这种极密集、高Q的光子器件的实现提供了一种新的解决途径。发展至今，已经实现种类繁多，门类齐全的各种光子晶体滤波器。
目前设计的光子晶体滤波器多为固定式，其滤波的频段和带宽都是恒定的，并且多为同质结光子晶体的构架。向列相液晶具有较大的介电各向异性和折射率，且对外界参量(如温度、电场、压力)的变化很敏感，它是制作可调谐滤波器的理想材料，为实现可调变滤波波长和多波长滤波功能提供了可能性。如文献1：Bong-ShikSong，TakashiAsano，etal.Role of interfaces in heterophotoniccrystals for manipulation of photons.Phys.Rev.B，2005，71：195101.中公开了二维异质结光子晶体中微腔的特性；文献2：DavidM，Pustai，Dennis W.Techniques for tuning two-dimensionalphotonic crystal devices.Proc.SPIE，2003，5213：49-62.中公开了在二维同质结光子晶体的空气柱中填入液晶，实现了液晶光子晶体滤波器，但他们的结果都未能实现透射峰的调制；文献3：R.Ozaki，T.Matsui，et al.Electeically Color-Tunable Defect Mode Lasingin One-Dimensional Photonic-Band-Gap System Containing LiquidCrystal.Applied Physics Letters，2003，82(21)：3593-3595.中公开了在一维光子晶体中应用向列相液晶作为缺陷层，通过外加电场改变液晶分子的取向，导致其折射率的改变，实现对一维光子晶体 滤波的调谐作用。
发明的内容
本发明的目的在于提供一种二维异质结光子晶体可调谐滤波器，该滤波器在异质结光子晶体弯曲波导中引入不同晶格常数的微腔，实现波长滤波的可调谐，通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径，获得一定波长调谐范围的滤波波长。
为了达到上述目的。本发明采取的技术方案如下：
一种二维异质结光子晶体可调谐滤波器，包括：
一二维异质结光子晶体弯曲波导，
两个异质结光子晶体微腔，二维异质结光子晶体中包含线缺陷(波导)和两个近邻点缺陷(微腔)，就形成了二维异质结光子晶体滤波器，改变异质结光子晶体微腔的结构参数，满足滤波波长可调谐的需求。
在上述技术方案中，二维异质结光子晶体由三个不同晶格常数的光子晶体构成，其晶格常数为a(a1、a2、a3)，介质柱半径为r(r1、r2、r3)，介质柱的相对介电常数为第一介电常数，基质的为第二介电常数，所述的第一介电常数大于所述第二介电常数，所述第二介电常数的材料如空气等。
所述二维异质结光子晶体由三个不同晶格常数的光子晶体构成，第三结构光子晶体的晶格常数比第二结构光子晶体大2.3％，第二结构光子晶体的晶格常数比第一结构光子晶体大2.3％；所述的三个光子晶体有相同介质电常数的介质柱和基质组成。
所述两个异质结光子晶体微腔是正方晶格空位型点缺陷。
所述两个异质结光子晶体微腔分别含有3个介质阵点。
所述两个异质结光子晶体微腔在振荡频率上彼此不同。
在所述两个异质结光子晶体微腔中振荡的光波长可以通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径进行调谐。
在上述技术方案中，完整的二维异质结光子晶体去掉一排L型介质柱，即引入线缺陷，形成了二维L型线缺陷异质结光子晶体波导，波导的周期与第一结构光子晶体和第二结构光子晶体的周期相同。
在上述技术方案中，两个异质结光子晶体微腔(近邻点缺陷)是在异质结光子晶体的直角两边，分别拿掉三个介质柱形成的，这两个近邻点缺陷是晶格常数不同的微腔。
在上述技术方案中，两个异质结光子晶体微腔(近邻点缺陷)是正方晶格空位型点缺陷。
在上述技术方案中，所述的半导体材料为GaN/ALGaN材料、CaAs/ALCaAs材料或InP/InCaAsP材料。
在上述技术方案中，它具有由TE模局域脉冲源入射到光子晶体波导的入射端口。
本发明的可调谐滤波特性是通过时域有限差分法(FDTD)进行分析，在共振频率处，微腔和附近的波导耦合最强，波导中频率在微腔共振频率附近的光波的能量能被“下载”到各自的微腔里面；“下载”的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参数，从而能够实现调变“下载”频率，通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径的方式，分别获得一定调谐范围的滤波波长。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)不同波长滤波：本发明的异质结光子晶体中弯曲波导近邻的不同结构的微腔，能够“下载”不同频率成份的波，“下载” 的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参数，实现不同波长滤波。
2)滤波可调谐：本发明的异质结光子晶体滤波器通过改变点缺陷周围介质材料的折射率或相关介质柱半径的方式获得可调变滤波波长，满足密集波分复用(DWDM)技术迅速发展的需求。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
附图说明
图1A表示包含线缺陷的二维方型异质结光子晶体俯视图(26×21周期)；
图1B表示Out处的透射谱；
图2A表示包含线缺陷点缺陷的二维方型异质结光子晶体俯视图；
图2B表示在共振频率处的电磁场瞬时分布图；
图2C表示图2A中Out处透射谱；
图2D表示图2A中点缺陷1和点缺陷2的电场振幅频率分布；
图3表示外加电压与微腔1透射峰波长的关系；
图4表示介质点A、B的半径大小与微腔2透射峰波长的关系。
图1B表示Out处的透射谱；
图2A表示包含线缺陷点缺陷的二维方型异质结光子晶体俯视图；
图2B表示在共振频率处的电磁场瞬时分布图；
图2C表示图2A中Out处透射谱；
图2D表示图2A中点缺陷1和点缺陷2的电场振幅频率分布；
图3表示外加电压与微腔1透射峰波长的关系；
图4表示介质点A、B的半径大小与微腔2透射峰波长的关系。
具体实施方式
参考附图1A，PC1、PC2、PC3表示不同晶格常数构成的光子晶体，晶格常数为a(a1、a2、a3)，其中a1＝540nm，a1、a2、a3以2.3％递增，则a2＝552nm，a3＝565nm，基质为空气，介质柱半径为r(r1、r2、r3)，取ri＝0.2ai(i＝1，2，3)，则ri＝108nm，r2＝110nm，r3＝113nm，介质柱 的相对介电常数为3.4。
完整的二维异质结光子晶体去掉一排L型介质柱，即引入线缺陷，形成了二维L型线缺陷异质结光子晶体波导，波导的周期与第一结构光子晶体和第二结构光子晶体的周期相同。当TE模局域脉冲源沿图1A中箭头位置和方向入射到光子晶体上时，当光的频率在光子禁带范围之外，则在光子晶体波导与空气中，光散射(或衍射)都很厉害，以至到达输出端的能量只是很少的一部分；当光的频率(归一化频率在0.26-0.37之间)在光子禁带范围之内时，在光子晶体中的光波只能沿着线缺陷传播，能量集中到达输出端。输出端(Out处)的透射谱见附图1B。
参考附图2A，在图1A的异质结光子晶体的直角两边，分别拿掉三个介质柱，形成一个既包含线缺陷又包含两个近邻点缺陷的光子晶体，数字1和数字2代表晶格常数不同的PC1、PC2中的微腔，这两个微腔存在0.3176和0.3335的共振频率，点缺陷所形成的两个微腔和线缺陷中频率为0.3176和0.3335的光波发生共振，把其能量耦合到点缺陷中，脉冲中频率约为0.3176和0.3335的光波的能量分别被“下载”到两个点缺陷里面。这时得到的共振频率处的电磁场瞬时分布见附图2B；图2AOut处的透射谱和两个点缺陷里的电场振幅频率分布分别见附图2C和附图2D。
参考附图2A，将最靠近微腔1的12个介质柱(图2A微腔1外被小黑框包围的介质柱)填充上向列液晶材料，晶盒为BL-009型向列液晶(Δn＝0.283)，在室温20摄氏度下，被施加占空比为50％、频率100Hz的方波交流电压时，把外加电压由0.8V增至3.78V，微腔1中透射峰的波长形成具有约31nm的调谐范围，实现滤波波长可调。外加电压与微腔1透射峰波长的关系见附图3。这里特别要说明的是，如文献4：Yu Hai-xia，Design and Performance Analysis of Tunable Wavelength Filter Based on Complex Period Photonic Crystal[D].Jilin：Jilin University(吉林大学硕士学位论文)，2006，42-44.公开的，液晶的阈值电压约为0.8伏，外加电压在0.8V-4V之间，Δn随电压的增加下降较快，且是连续变化，拟合函数和实验曲线符合较好；当外加电压大于4V时，Δn趋近于零，这时液晶分子的力矩与外电场产生的力矩达到平衡，液晶的指向矢已和外电场同向。所以我们外在电压的变化范围选择在0.8V-3.78V之间。
参考附图2A，字母A、B代表微腔2周围的两个重要介质柱，将A、B的半径r2由0.09a2增至0.29a2，也就是半径r2由50nm增至160nm，微腔2中透射峰的波长形成具有约12nm调谐范围的区域。介质点A、B的半径大小与微腔2透射峰波长的关系见附图4。
最后所应说明的是，以上实施例仅用予说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳的实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
完整的二维异质结光子晶体去掉一排L型介质柱，即引入线缺陷，形成了二维L型线缺陷异质结光子晶体波导，波导的周期与第一结构光子晶体和第二结构光子晶体的周期相同。当TE模局域脉冲源沿图1A中箭头位置和方向入射到光子晶体上时，当光的频率在光子禁带范围之外，则在光子晶体波导与空气中，光散射(或衍射)都很厉害，以至到达输出端的能量只是很少的一部分；当光的频率(归一化频率在0.26-0.37之间)在光子禁带范围之内时，在光子晶体中的光波只能沿着线缺陷传播，能量集中到达输出端。输出端(Out处)的透射谱见附图1B。
参考附图2A，在图1A的异质结光子晶体的直角两边，分别拿掉三个介质柱，形成一个既包含线缺陷又包含两个近邻点缺陷的光子晶体，数字1和数字2代表晶格常数不同的PC1、PC2中的微腔，这两个微腔存在0.3176和0.3335的共振频率，点缺陷所形成的两个微腔和线缺陷中频率为0.3176和0.3335的光波发生共振，把其能量耦合到点缺陷中，脉冲中频率约为0.3176和0.3335的光波的能量分别被“下载”到两个点缺陷里面。这时得到的共振频率处的电磁场瞬时分布见附图2B；图2AOut处的透射谱和两个点缺陷里的电场振幅频率分布分别见附图2C和附图2D。
参考附图2A，将最靠近微腔1的12个介质柱(图2A微腔1外被小黑框包围的介质柱)填充上向列液晶材料，晶盒为BL-009型向列液晶(Δn＝0.283)，在室温20摄氏度下，被施加占空比为50％、频率100Hz的方波交流电压时，把外加电压由0.8V增至3.78V，微腔1中透射峰的波长形成具有约31nm的调谐范围，实现滤波波长可调。外加电压与微腔1透射峰波长的关系见附图3。这里特别要说明的是，如文献4：Yu Hai-xia，Design and Performance Analysis of Tunable Wavelength Filter Based on Complex Period Photonic Crystal[D].Jilin：Jilin University(吉林大学硕士学位论文)，2006，42-44.公开的，液晶的阈值电压约为0.8伏，外加电压在0.8V-4V之间，Δn随电压的增加下降较快，且是连续变化，拟合函数和实验曲线符合较好；当外加电压大于4V时，Δn趋近于零，这时液晶分子的力矩与外电场产生的力矩达到平衡，液晶的指向矢已和外电场同向。所以我们外在电压的变化范围选择在0.8V-3.78V之间。
参考附图2A，字母A、B代表微腔2周围的两个重要介质柱，将A、B的半径r2由0.09a2增至0.29a2，也就是半径r2由50nm增至160nm，微腔2中透射峰的波长形成具有约12nm调谐范围的区域。介质点A、B的半径大小与微腔2透射峰波长的关系见附图4。
最后所应说明的是，以上实施例仅用予说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳的实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。