光子通信空气孔设计

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本文作者：许晓赋 郝小龙 蒋俊贞 李晖 邱怡申 强则煊 单位：福建师范大学 激光与光电子技术研究所 福建省光子技术重点实验室 医学光电科学与技术教育部重点实验室

引言

微型波导环形谐振腔，又称耳语回廊模式（WhisperingGalleryMode，WGM）微环，其可以提供大自由谱范围（FreeSpectralRange，FSR）、紧凑性及高光谱选择性，已在诸如光滤波器［1－2］、激光器［3］、光电探测器［4］、传感器［5］、光开关［6－7］以及光逻辑门［8］等方面得到应用．随着光技术在终端用户中的普及推广，人们希望下一代光器件具有更小的尺度，如亚波长级，且多功能化及低功耗等特点．而这些传统的微环受内全反射机理限制，其传输损耗会随着尺寸的减小而剧增，这无疑阻滞了器件的进一步小型化，实际应用中，环的半径极限一般在3μm左右．此外，他们的性能敏感于表面粗糙度以及环和公共波导通道（BUS）间的间隙，给实际制造带来了另一挑战［9］．另一方面，光子晶体由于其独特的可在波长尺度内控光能力给超小型光集成带来了希望．近年来，各种光子晶体环状波导谐振器屡见报道，其中超小型光子晶体环形谐振腔（PhotonicCrystalRingResonator，PCRR）［9－11］无需很长的定向耦合壁围成微环［12－13］，具有环大小易缩放、多样的模式耦合配置等优点，为克服传统WGM环的技术瓶颈提供了一个有效的解决途径，引起了人们的青睐．迄今为止，见诸报道的结构大都基于介质柱型光子晶体环形谐振腔［9－11，14］．这种介质柱型PCRR尽管存在线缺陷波导单模工作区大、模式耦合简单且效率高，但相对制造复杂，且在垂直方向上没有很好地限制易造成大的传输损耗．相反，空气孔型光子晶体相对容易制作，但其线缺陷波导一般支持很窄的单模区，且容易在波导拐弯处激发多模，进而导致下路效率很低．此外，基于空气孔型的PCRR下路信道的光谱旁瓣很差［15－16］．因此，进一步探讨空气孔型高下路效率的PCRR显得尤为重要．本文基于正方格子空气孔型光子晶体，利用压缩线缺陷波导有效控制单模区，分析环内光子晶体列数对传输光谱的影响，运用二维时域有限差分方法数值分析得到一组实现高下路的PCRR结构参量，同时分析了耦合强度对下路效率的影响，最后讨论了局部折射率调制对下路波长及下路效率的影响．

1结构设计及理论分析

为了和目前报道较多的正方晶格介质柱型PCRR进行比较，考察了二维正方晶格空气孔型PCRR，以硅为背景材料，其对1．55μm通信窗口是透明传输，折射率为常量3．48．对于这种晶格排列的空气孔结构，其TM模式（电场平行于空气孔轴向）可以比TE模式获得更大的带隙，因而本文仅对TM模式展开讨论．区别于点缺陷，如图1（a）所示PCRR是由沿着ГΧ方向移除一排空气孔围绕形成，内围几排空气孔阵列，这种简单移除的线缺陷波导W1容易在弯角地方形成多模，为避免传输光强分布在各分支如a和c间的相互影响，首先分析了内围排数的最低要求．图1（b）为一覆盖波长1．3～2．2μm的平面波经过空气孔光子晶体阵列，列数对其传输光谱的影响．其相对孔径即空气孔半径r和光子晶体晶格常量a的比值为0．46．显然当空气孔列数超过4排，即Lc＝3a，可以看到在［1．5μm，1．8μm］波长内透过率很低，即存在光子带隙，此时传输光强分布在a和c之间的传输相互影响可以忽略．为了保证在BUS波导中单模传输，通常通过压缩波导、波导错位以及减少折射率波导等方法实现［15］．为简便起见，本文采用压缩波导法．图2为Bus波导在TM偏振光激励下，基于平面波展开法求得的色散关系图．图2（a）为标准线缺陷波导W1，图2（b）为线缺陷波导宽度压缩为0．7，简记为W0．7．由图可知，空气孔型线缺陷波导W0．7在归一化频率范围［0．238a／λ，0．247a／λ］为单模模式，而W1波导则不存在相应单模区，为多模模式．故而对于1550nm中心通信波长，a取为377nm。结合以上结论，为了获取高下路效率的空气孔型PCRR，BUS波导取W0．7以保证单模传输，腔内空气孔排列取4×5以有效消除腔内传输光强在不同分支上的相互影响，进而影响耦合及下路效率，如图3所示．此外，为了使得光谱选择性高，将W0．7波导和环形腔的周期数分别取为d＝10a和L＝25a，使得本征微环腔足以提供极高的品质因子．图中Lc为BUS波导和微环腔的耦合强度，A为输入端口，B、C、D为输出端口．

2数值模拟及讨论

利用二维时域有限差分法（Finite－DifferenceTime－Domain，FDTD）及完全匹配层（PerfectlyMatchedLayer，PML）为吸收边界条件［17］，从输入端注入覆盖上述BUS波导单模光谱范围的TM偏振高斯脉冲光，并在输入端和输出端分别置放功率监视器以收集输入和输出端口的功率强度，最后将输出端与输入端的功率强度进行相比从而得到各输出端的归一化强度谱．图4为耦合强度Lc分别为0和1a时二维正方晶格空气孔型PCRR输出端口的归一化强度谱，而图中嵌入的是它们相应下路波长的传输场分布图．显然，从输入端口A输入的光在下路波长时几乎完全下路到D端口，如在Lc＝0时，下路波长为1528．1nm，下路效率能达99％，相应品质因子Q（定义为下路信道的中心波长与其半高宽δλ的比值）为379．当将耦合强度提高到Lc＝1a时，下路波长稍微向短波长漂移了一些为1524．3nm，尽管下路效率下降了些，但还高达89％，品质因子则明显地提高到1397，且相应的消光比更高．这再一次证明了通过提高耦合强度Lc可以改善光谱品质因子，即光谱选择性，但其下路效率会下降，和先前介质柱PCRR预期的结论完全一致．传统微环腔是形成光调制器、动态分叉复用器等光器件的基本组件，因此，本文还进一步讨论了提出的空气孔PCRR在周期d＝10a，L＝25a，耦合强度Lc为1a时，局部改变中心环区折射率对D端口下路效率和下路波长的影响，如图5所示．随着调制区折射率从n＝3．45（变化量为－0．03）到n＝3．50（变化量为0．02）的改变，下路波长向长波长漂移，漂移量为200nm／RUI．下路效率先随着折射率的增加而减少，而随着折射率减少则是先增加后减少，在环区折射率为3．47时其下路效率达到最高值约98％．

3结论

本文基于二维正方晶格光子晶体设计了高下路空气孔型PCRR，应用二维FDTD模拟得到，在d＝10a，L＝25a，耦合强度Lc＝0时，下路波长为1528．1nm，相应下路效率及品质因子分别为99％和379．提高耦合强度为Lc＝1a时，下路波长稍微偏移为1524．3nm，品质因子提高到1397，而下路效率下降到89％，与先前报道的介质柱PCRR完全一致．此外通过调整环区局部折射率，可以实现下路波长的调谐，漂移量为200nm／RUI．这些发现对有效解决空气孔型PCRR下路效率低的设计有指导作用，也为光子晶体环形谐振腔未来作为超小型波分复用部件及未来光集成回路提供理论基础．