一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构制造技术

一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构。它由圆形空气柱在硅板上周期性排列构成光子晶体，空气柱的排列呈长方形。将中间一行及其两侧60°方向任意对称的两排空气孔移除，形成W1和120°Y分支波导。在其交叉构成的1×3连接处放置两个直角三角形空气柱，其垂直位置可调。在Y分支两末端分别水平移除一行空气孔形成W1波导，在上下两120°弯曲拐角处分别放置一个等腰三角形空气柱。结构包含一个输入通道，三个输出通道。本发明专利技术结构简单，尺寸小，且能同时在多个谐振波长(1468nm、1494nm、1538nm、1550nm、1570nm和1620nm)处实现高效率的1×3功率均匀分配。在六个功率均分频率点处，三通道总输出功率均在99％以上。

A high efficiency multi frequency 1 * 3 photonic crystal beam splitter structure

A high efficiency multi frequency 1 * 3 photonic crystal beam splitter structure. It consists of a circular air column arranged periodically on the silicon plate to form a photonic crystal, and the air column is arranged in a rectangular shape. The two rows of air holes with an arbitrary symmetry of the middle row and 60 degrees of both sides thereof are removed to form W1 and 120 DEG Y branch waveguides. Two right angled triangular air columns are placed at the 1 * 3 connection of the cross structure, and the vertical position of the air column is adjustable. At the two end of the Y branch, a row of air holes are horizontally removed to form an W1 waveguide, and an isosceles triangular air column is placed at the upper and lower two or 120 DEG bend corners. The structure consists of an input channel and three output channels. The invention has the advantages of simple structure, small size and high efficiency of 1 * 3 power equal distribution at the same time at a plurality of resonant wavelengths (1468nm, 1494nm, 1538nm, 1550nm, 1570nm and 1620nm). At six power frequency division points, the total output power of the three channels is above 99%.

【技术实现步骤摘要】
一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构
本专利技术涉及一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构。
技术介绍
近年来，光子晶体作为一种具有周期性介电结构的人工材料，由于其尺寸小、易集成，能在光波长尺寸控制光传播等特性，在集成光学里扮演着愈加重要的角色。而光子晶体分束器是实现光集成电路中不可或缺的元件。基于光子晶体平板的T型分束器(文献1：S.Foghani,H.Kaatuzian,andM.Danaie,“SimulationanddesignofawidebandT-shapedphotoniccrystalsplitter,”OpticaApplicata,vol.XL,pp.865-872,2010)、Y型分束器(文献2:N.NozhatandN.Granpayeh,“Analysisandsimulationofaphotoniccrystalpowerdivider,”J.Appl.Sci.,vol.7,pp.3576–3579,2007.)等已经被大量的提出和应用，1×3光子晶体分束器结构近年来成为了研究的热点。文献3(文献3:X.Zhou,andJ.Shu,“Novel1×3splitterbasedonphotoniccrystalself-collimationeffect,”ActaOpticaSinica,Vol.33,No.4,2013)设计了一种基于正方形晶格二维光子晶体自准直效应的1×3分束器，该分束器仅能实现对1551nm单个波长光波的分束，且其分光角度很小，尺寸较大，限制了其在大规模集成电路中的应用。由于光子晶体波导具有体积小、损耗低、可实现大角度弯折、带宽宽等特点，基于光子晶体波导的光分束器未来在超大规模集成光路中将会有广泛的应用。文献4(文献4：J.Zhou,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,andH.Tian,“MultiplexedSimultaneousHighSensitivitySensorswithHigh-OrderModeBasedontheIntegrationofPhotonicCrystal1×3BeamSplitterandThreeDifferentSingle-SlotPCNCs,”Sensors,vol.16,1050,Jul.2016)在集成复用传感器结构中集成了1×3分束器，其设计的1×3分束器能在多个频点实现功率三等分，但是其每路输出的透射率仅有13％左右，分光效率较低。为了能在多频点实现高效率的1×3分束效果，提出了一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术是要提供一种高效率的多频点1×3光子晶体分束器结构，其结构简单，尺寸小，且能在多个频点实现高效率的1×3功率均分的分束效果。(二)技术方案实现本专利技术目的的技术方案是提供一种1×3光子晶体分束器。它由圆形空气柱在硅板上周期性排列构成光子晶体。空气柱的排列呈长方形。中间一行空气孔被移除形成W1波导。在W1波导的两侧对称的沿60°方向移除两排空气孔，形成120°的Y分支波导。为使各分支的光均沿水平方向输出，在Y分支的两端分别水平的移除一行空气孔形成W1波导。中间W1波导的左端作为输入通道。上下两个W1波导和中间W1波导的右端作为三个输出通道。在中间W1波导与120°Y分支波导构成的1×3分支连接处的中心线两侧对称放置两个直角三角形柱，其距中心线的垂直距离可调。在Y分支末端与W1波导连接的120°弯曲拐角处，分别放置有一个等腰三角形空气柱。由此构成1×3光子晶体分束器结构。本专利技术技术方案的进一步优化方案为：所述的构成光子晶体的硅板厚度为240nm,折射率为3.48。所述光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为27×30，结构尺寸为11.5μm×15μm。所述的光子晶体为三角晶格，晶格常数为a＝500nm。半径r＝0.32a。每个分支的W1波导宽度为其中a为所述光子晶体的晶格常数。所述光子晶体分束器的1×3分支连接处上下两直角三角形柱与水平中心线的垂直距离为d。两直角三角形斜边与水平方向夹角为30°，水平边长度L为2(a-r)。所述光子晶体分束器的上下两120°弯曲拐角处的等腰三角形底边与水平方向夹角为30°。所述光子晶体分束器上、中、下三个分支输出通道测量的透射功率分别为P1，P2，P3。三路输出功率总和为Ptotal＝P1+P2+P3。在本专利技术技术方案中，改变1×3分支连接处两直角三角形柱的折射率n，可调整分束器各输出通道的透射率和总输出功率。初始设置n＝1，即为空气柱。采用本专利技术提供的光子晶体分束器进行分束时，调节1×3分支连接处两直角三角形空气柱距结构水平中心线的距离d，可实现三个输出通道在指定频率点的功率均匀分配。本专利技术将常用通信波长1550nm作为指定频率点。采用本专利技术提供的光子晶体分束器进行分束时，能实现从1472nm到1622nm宽150nm波长范围的较平坦分束。本专利技术的原理是，通过在各分支连接处引入合适角度和大小的三角形柱，可以有效的引导光进入各分支波导，一则能方便的控制三路输出通道的功率分配，二则能有效的提高分束效率。本专利技术提供的光子晶体分束器，仅通过引入线缺陷和柱缺陷的简单方法构成，在保证分束效果的同时，大大降低了结构制备的复杂度和结构尺寸。另一方面，各输出通道的输出功率多少由1×3分支连接处两直角三角形柱折射率及其与水平中心线垂直距离决定，灵活可控，可实现三个输出通道在指定频率点的功率均匀分配。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术结构简单，尺寸小，且能同时在多个谐振波长(1468nm、1494nm、1538nm、1550nm、1570nm和1620nm)处实现高效率的1×3功率均匀分配。在六个功率均分频率点处，三通道总输出功率均在99％以上。附图说明图1是本专利技术实施提供的1×3光子晶体分束器结构示意图，其中插图是R1、R2、R3区域的放大图。图2是利用FDTD方法计算得到的当d＝0，n＝1时图1中光子晶体分束器的分束效果图。图3是利用FDTD方法计算得到的图2中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。图4是利用FDTD方法计算当d＝0，λ＝1550nm时图1中光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率Ptotal随1×3分支连接处两直角三角形柱折射率n的变化规律图。图5是利用FDTD方法计算得到的当d＝0，n＝1.12时图1中光子晶体分束器的分束效果图。图6是利用FDTD方法计算得到的图5中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。图7是利用FDTD方法计算得到当n＝1.12，λ＝1550nm时，图1中光子晶体分束器上、中、下三个输出通道透射功率P1，P2，P3和三路总输出功率Ptotal随R2区域内1×3分支连接处两直角三角形柱与中心线垂直距离d的变化规律图。图8是本专利技术实施提供的三路输出功率均分即比例为1:1:1的光子晶体分束器(d＝0.0375μm，n＝1.12)的分束效果图。图9是利用FDTD方法计算得到的图8中谐振波长λ＝1550nm时光子晶体分束器的电场分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对专利技术进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种1×3光子晶体分束器的实现方法，其特征在于：该光子晶体分束器是基于空气孔三角晶格二维光子晶体结构，即空气孔硅介质背景结构，其中硅的折射率为3.48；在光子晶体中移除空气孔形成1×3光子晶体波导，并在其1×3分支连接处和上下两120°弯曲波导处引入合适大小和角度的三角形柱以构成1×3光子晶体分束器结构。

【技术特征摘要】
1.一种1×3光子晶体分束器的实现方法，其特征在于：该光子晶体分束器是基于空气孔三角晶格二维光子晶体结构，即空气孔硅介质背景结构，其中硅的折射率为3.48；在光子晶体中移除空气孔形成1×3光子晶体波导，并在其1×3分支连接处和上下两120°弯曲波导处引入合适大小和角度的三角形柱以构成1×3光子晶体分束器结构。2.根据权利要求1所述的一种1×3光子晶体分束器的实现方法，其特征在于1×3光子晶体波导的具体设计方法，即：将光子晶体中间一行空气孔移除形成W1波导；在W1波导的两侧对称的沿60°方向移除两排空气孔，形成120°的Y分支波导；在Y分支的两端分别水平的移除一行空气孔形成W1波导，由此构成1×3光子晶体波导。3.根据权利要求1所述的一种1×3光子晶体分束器的实现方法，其特征在于三角形柱引入的具体实现方法，即：1×3光子晶体波导交叉构成的1×3分支连接处的中心线两侧放置两个直角三角形柱，其距中心线的垂直距离d可调，两直角三角形斜边与水平方向夹角为30°，水平边长度L为2(a-r)；在Y分支末端与W1波导连接的120°弯曲拐角处，分别放置一个等腰三角形空气柱，其底边与水平方向夹角为30°。4.根据权利要求1所述的一种1×3光子晶体分束器的实现方法，其特征在于：将中间W1波导的左端作为输入通道；上下两个W1波导和中...

【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，王春红，孙富君，付中原，丁兆祥，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11