可扩展小型化光子晶体波分复用器
阅读说明：本技术 可扩展小型化光子晶体波分复用器 (Expandable miniaturized photonic crystal wavelength division multiplexer ) 是由 李梦凡 陈德媛 张岩 徐聪 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可扩展小型化光子晶体波分复用器,包括输入主波导和若干输出波导,每个输出波导与输入主波导之间均设置有下载腔；下载腔包括内介质柱和分布于内介质柱周边的多个外介质柱。本发明用内介质柱和分布于内介质柱周边的多个外介质柱构成下载腔,结构简单,尺寸小,便于集成和扩展。(The invention discloses an expandable miniaturized photonic crystal wavelength division multiplexer, which comprises an input main waveguide and a plurality of output waveguides, wherein a downloading cavity is arranged between each output waveguide and the input main waveguide; the download cavity comprises an inner medium column and a plurality of outer medium columns distributed on the periphery of the inner medium column. The invention uses the inner medium column and a plurality of outer medium columns distributed on the periphery of the inner medium column to form the downloading cavity, has simple structure and small size, and is convenient for integration and expansion.)
技术领域
本发明涉及一种可扩展小型化光子晶体波分复用器，属于二维光子晶体器件领域。
背景技术
光子晶体作为一种对光波具有良好调制能力的结构材料，在1987年首次被提出，50多年以来受到了广泛而深入的研究，可以实现光纤和波分复用器。
随着网络通信的高速发展和市场需求的日益增加，光纤作为光信号传输载体，研究人员对它的研究逐渐转向大容量紧密型，而与之匹配的波分复用器则需要更加密集的波长选择。因此密集型、小尺寸、高性能则成为当前设计波分复用器的目标。但由于波长间隔小，导致设计难度相对增加。
基于光子晶体设计的光子器件具有设计灵活、小型化、低功耗等特点，选择光子晶体设计高性能的波分复用器也是很多科研工作者目前正在攻克的目标，设计理念主要是通过各类波导和各种谐振腔之间进行定向耦合，实现不同波长的选择和输出。目前提出的光子晶体波分复用器一般是以环形腔结构为主，改变环形腔内部结构以此来达到较高的透射率和隔离度。然而使用环形腔结构不可避免地会使得器件的尺寸变得较大，而且环形腔的设计较复杂，不利于光学集成和扩展。
发明内容
本发明提供了一种可扩展小型化光子晶体波分复用器，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
可扩展小型化光子晶体波分复用器，包括输入主波导和若干输出波导，每个输出波导与输入主波导之间均设置有下载腔；下载腔包括内介质柱和分布于内介质柱周边的多个外介质柱。
所有外介质柱均匀分布在同一圆周上，圆周的圆心位于内介质柱的中心轴线上。
外介质柱与内介质柱之间的距离为0.5a，a为光子晶体的晶格常数。
内介质柱周边分布四个外介质柱，四个外介质柱两两相对。
输出波导有八个，八个输出波导与输入主波导之间均设置一下载腔，八个下载腔内介质柱半径分别为0.9259a、0.8889a、0.7685a、0.7963a、0.7685a、0.8704a、0.7596a，a为光子晶体的晶格常数。
八个下载腔外介质柱半径分别为0.8352a、0.8267、0.8194a、0.8083a、0.8148a、0.8217a、0.8546a、0.837a，a为光子晶体的晶格常数。
本发明所达到的有益效果：1、本发明用内介质柱和分布于内介质柱周边的多个外介质柱构成下载腔，结构简单，尺寸小，便于集成和扩展；2、本发明仅需改变内介质柱和外介质柱半径，即可获得不同的下载波长，只需扩展下载腔和输出波导，就可实现多波长的波分复用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为单个输出波导的结构示意图；
图3为只有一个下载腔和一个输出波导时，内介质柱半径的变化对透射率的影响；
图4为只有一个下载腔和一个输出波导时，外介质柱半径的变化对透射率的影响；
图5为八个输出波导的波长透射谱；
图6为输出波导Ch1的电场分布图；
图7为输出波导Ch2的电场分布图；
图8为输出波导Ch3的电场分布图；
图9为输出波导Ch4的电场分布图；
图10为输出波导Ch5的电场分布图；
图11为输出波导Ch6的电场分布图；
图12为输出波导Ch7的电场分布图；
图13为输出波导Ch8的电场分布图；
图14为是八个输出波长互相之间的窜扰曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
可扩展小型化光子晶体波分复用器，包括输入主波导和若干输出波导，每个输出波导与输入主波导之间均设置有下载腔；下载腔包括内介质柱1和分布于内介质柱1周边的多个外介质柱2，所有外介质柱2均匀分布在同一圆周上，圆周的圆心位于内介质柱1的中心轴线上。
上述波分复用器用内介质柱1和分布于内介质柱1周边的多个外介质柱2构成下载腔，结构简单，尺寸小，便于集成和扩展；仅需改变内介质柱1和外介质柱2半径，即可获得不同的下载波长，只需扩展下载腔和输出波导，就可实现多波长的波分复用。
如图1所示，上述波分复用器的一个实例，具体为基于光子晶体的八通道波分复用器，包括输入主波导和八个输出波导，八个输出波导与输入主波导之间均设置一下载腔，即有八个下载腔，下载腔包括内介质柱1和分布于内介质柱1周边的四个外介质柱2，四个外介质柱2两两相对。
光子晶体为二维光子晶体，由三角晶格介质柱三角阵列排列于空气中构成，背景空气的折射率为1，三角阵列的介质柱为圆柱，材料为硅，折射率为3.4，三角阵列的介质柱半径0.18a，a为光子晶体的晶格常数。光子晶体波导的波导宽度为2a，长度为n*a，其中，n为不小于4的整数。
外介质柱2与内介质柱1也为圆柱，材料为硅，外介质柱2与内介质柱1之间的距离为0.5a。八个下载腔内介质柱1半径分别为0.9259a、0.8889a、0.7685a、0.7963a、0.7685a、0.8704a、0.7596a；八个下载腔外介质柱2半径分别为0.8352a、0.8267、0.8194a、0.8083a、0.8148a、0.8217a、0.8546a、0.837a，a为光子晶体的晶格常数。
根据耦合模理论，下载腔的内介质柱1和外介质柱2的半径大小，会对选择波长有影响，可以通过优化下载腔的内介质柱1和外介质柱2半径的大小来使得器件选择波长的透射率、品质、隔离度和插入损耗得到最优化。
通过软件仿真得到以下结果：
如图2所示，当器件只有一个下载腔和一个输出波导时，只能选择一个波长，有滤波功能。
如图3所示，保持外介质柱2半径不变，只改变内介质柱1半径大小，下载腔选择到输出波导的波长几乎没有变化，但是透射率有明显差异。
如图4所示，保持内介质柱1半径不变，只改动外介质柱2半径大小，下载腔选择到输出波导的波长也会发生变化，波长随着外介质柱2半径的变大而向右移动。因此可以通过改变内介质柱1半径来调节透射率的大小，而通过改变外介质柱2半径选择不同的下载波长。
如图5所示，光从输入主波导入射，由于每个下载腔的模式不同，因此每个下载腔选择的波长不同，在八个输出波导分别输出八个不同波长的光，具体见图6~14。
上述为可扩展小型化光子晶体波分复用器，利用内介质柱1和外介质柱2构成一个高品质的下载腔，通过优化内介质柱1和外介质柱2半径的大小，得到八个高透射、高隔离的波长，减小了波长之间的间隔，实现了准密集化。上述波分复用器的波长平均透射率为92.5%，最低隔离度为12dB，品质因子在3000以上，具有低插入损耗。此外，高品质腔的小型化使得器件实现了小型化，器件尺寸仅为217.8um2，并且在扩展腔和输出通道时能增加更小的面积，非常有利于光集成，适用于光纤通信系统领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。