基于光子晶体环形腔的光分插复用器

王伟骏,季珂,陈鹤鸣

(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)



基于光子晶体环形腔的光分插复用器

王伟骏,季珂,陈鹤鸣

(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)

摘要:提出了一种基于光子晶体环形腔的OADM(光分插复用器),采用正方晶格光子晶体结构,通过线缺陷与环形腔的耦合实现光分插复用,利用环形腔的频率选择功能实现对特定频率光波的上/下载。仿真结果表明,当入射端口有多个波长的光波入射时,该OADM可以上/下载波长为1 554.9 nm的光波,上/下载率为98.23%,插入损耗为0.077 55 dB,信道隔离度分别为33.37和32.98 dB。该器件性能优良,对光通信集成器件的发展具有参考意义。

关键词:正方晶格;光子晶体;谐振频率;滤波器;环形腔

0　引 言

OADM(光分插复用器)是光波分复用通信系统中的关键器件。在基于传统平板波导微环的OADM中,微环尺寸越小,弯曲损耗越大,因此无法通过减小器件尺寸来提高器件的集成度。如果微环尺寸较大,而微环内部的谐振态是多模的,将导致滤波的自由光谱范围较小。环形腔具有结构简单、集成度高和灵活性强等优点,可以实现滤波、分束和波分复用等功能。光子晶体具有光子带隙和光子局域的特性,利用光子晶体制作的环形腔谐振器具有品质因数高、自由光谱范围大等优点。因此,基于光子晶体的分插滤波器研究也逐步兴起。

OADM可实现光网络的动态重构,主要分为基于光滤波器型和基于光开关型两种。文献[1-15]所设计的OADM属于基于光滤波器型,其存在上/下载率较低、插入损耗较高和信道隔离度较低等缺点。文献[16-18]设计的OADM属于基于光开关型,其插入损耗与信道隔离度均不理想。

本文在文献[1-2]的基础上,提出了一种基于3×3内部正方形介质柱、带有4个散射介质柱的光子晶体环形腔OADM。通过改变环形腔周围20个耦合介质柱的半径和环形腔内正方形介质柱的边长,使得光波在环形谐振腔中耦合区的耦合强度发生改变,从而在1 550 nm波长周围得到一个透射率最高的波进行下载。采用Rsoft软件进行仿真,结果表明,所设计的OADM上/下载率为98.23%,插入损耗为0.077 55 dB,信道隔离度分别为33.37和32.98 dB,其性能指标均优于文献[1-2]给出的指标。

1　结构模型和上/下载机理

1.1OADM结构

本文研究第三通信波段范围的OADM,将无限长的介质柱按正方晶格结构周期性地排列在空气背景中构成完整的光子晶体。由于正方晶格具有较高的对称性,因此形成环状结构的传输性能更好。图1所示为所设计OADM的结构示意图,去掉一圈介质柱形成一个由3×3正方形介质柱构成的光子晶体环形腔结构,为了减小光波在环形腔拐角处的反射对光波传输的影响,在4个拐角处各设置一个散射介质柱,使拐角变得平滑。同时,在环形腔的上下两侧各对称地去掉一行介质柱,形成两条平行的光子晶体波导。图中,环形腔周围的上下10个介质柱和左右10个介质柱分别为接下来将要研究的两排耦合介质柱;环形腔4个角的4个黑色介质柱为散射介质柱;环形腔中间的9个正方形介质柱为内部介质柱。将4个端口分别命名为A、B、C、D端口。AB为主波导,OC为下载波导,OD为上载波导。C、D分别为下/上载端口,A、B分别为主波导的入/出射端口。

图1　光子晶体环形腔OADM结构示意图

该OADM结构的参数如下:背景材料为空气,折射率n=1;介质柱材料为Si,折射率n=3.4;晶格常数a=540 nm;圆柱形介质柱半径r=0.185a= 0.099 9μm;内部9个正方形介质柱的边长为R= 2r=0.199 8μm。通过平面波展开法计算得到光子晶体禁带的归一化频率a/λ范围为0.295 70～ 0.433 24,对应的波长范围为1 246.4 ～ 1 826.2 nm。

1.2上/下载机理

(1)下载机理:多波长复用信号在主波导AB中传播,当波长为1 554.9 nm的光波传输到环形腔位置时,由于光波频率等于该环形腔的谐振频率,它将被环形腔耦合到下载波导OC。这样就通过环形谐振腔的频率选择功能实现了对特定频率光波的下载。

(2)上载机理:在不影响其他波长信号传播的前提下,当需要将本地用户发往其他节点的波长信号耦合送入复用信道中时,将1 554.9 nm的光波从波导DO输入,当该光波传输到环形腔位置时,由于光波频率等于该环形腔的谐振频率,它将被环形腔耦合到主波导AB中,从而实现上载功能。

2　结构参数对OADM的影响

以端口A作为输入端口输入光波,在C端口设置一个监测器,记录该端口的输出能量值。

2.1正方形介质柱边长R变化对OADM的影响

当圆柱形介质柱半径r为0.099 9μm时,研究R从0.169 8μm变化到0.199 8μm对透射谱的影响,如图2所示。

图2　正方形内介质柱边长R变化对透射谱的影响

由图可以看出,通过改变R,可以改变共振波长,从而输出不同波长的光波。当R增大时,透射谱向长波长方向移动。当R为0.189 8μm时,可对波长为1 554.9 nm的光波进行下载。

2.2上下两排耦合介质柱半径变化对OADM的影响

固定R=0.189 8μm,研究上下两排耦合介质柱半径变化对透射谱的影响。如图3所示,耦合介质柱半径变化范围为0.095 9～0.098 9μm,波形自上而下依次对应耦合介质柱半径为0.095 9、0.096 9、0.097 9和0.098 9μm。

图3　耦合介质柱半径变化对透射谱的影响

由图可以看出,通过改变环形谐振腔中的上下10个耦合介质柱的半径,可以改变特定波长的透射强度。当上下两排耦合介质柱半径为0.095 9μm 时,波长为1 554.9 nm的光波的透射强度最高。

2.3左右两排耦合介质柱半径变化对OADM的影响

固定R=0.189 8μm,上下两排耦合介质柱半径为0.095 9μm,研究左右两排10个耦合介质柱半径变化对透射谱的影响。如图4所示,耦合介质柱半径的变化范围为0.089 9～0.093 9μm,图中波形自上而下依次对应耦合介质柱半径为0.093 9、0.092 9、0.091 9、0.090 9和0.089 9μm。

图4　耦合介质柱半径变化对透射谱的影响

由图可以看出,通过改变环形谐振腔中的左右10个耦合介质柱的半径,可以改变特定波长的透射强度。当耦合介质柱半径为0.093 9μm时,波长为1 554.9 nm的光波的透射强度最高。

2.4优化结构参数后的环形腔参数

图5所示为优化结构后的环形腔参数。9个正方形内介质柱的边长为0.189 8μm;上下两排10个耦合介质柱的半径为0.095 9μm,左右两排10个耦合介质柱的半径为0.093 9μm;位于4个角的黑色散射介质柱的半径与整体介质柱的半径r一样,都为0.099 9μm。器件背景材料为空气,折射率n=1;介质柱材料为Si,折射率n=3.4;晶格常数a=540 nm。

图5　优化结构参数后的环形腔参数示意图

3　仿真结果及性能分析

(1)上/下载率

用Rsoft软件进行仿真计算,结果表明,所设计OADM上/下载光波的波长为1 554.9 nm,上/下载率高达98.23%,时域稳态响应图和对应的上/下载稳态场强分布图分别如图6、图7所示。

(2)插入损耗

插入损耗是指光波在传输过程中造成的传输损耗,是评价OADM性能的重要指标,可表示为

图6　入射波长为1 554.9 nm时的时域稳态响应图

图7　对波长为1 554.9 nm的波进行上/下载时的稳态场强分布图

式中,Iin为上/下载前的传输光强,Ioutmax为上/下载后的最大传输光强。这个定义实质上是将OADM作为传输波导,从而计算光波在OADM中的传输损耗。

由图6可知,当OADM处于光下载且下载状态稳定时,输出的光波强度(透过率)与输入的光波强度之比为0.982 3;由式(1)可知,该OADM的插入损耗约为0.077 55 dB。

(3)信道隔离度

信道隔离度是波分复用系统中OADM的一个非常重要的性能指标。其定义为一个通道对于相邻通道的串扰,可表示为

式中,Pout为输出端口的光功率,Pi为除输入输出端口以外的其他端口的光功率。

由图6可知,当OADM处于光下载且下载状态稳定时,C与D端口的输出光功率之比为2 173.45,由式(2)可知,信道隔离度约为33.37 d B。C与B端口的输出光功率之比为1 985.13,信道隔离度约为32.98 d B。

4　结束语

提出了一种基于3×3内部正方形介质柱、带有4个散射介质柱的光子晶体环形腔OADM。通过改变内部9个正方形介质柱的边长,可以实现对不同波长的滤波,且20个耦合介质柱的半径变化对波长的透过率有一定的影响。仿真结果表明,本文设计的OADM对特定波长1 554.9 nm的波的下/上载率较高,达到98.23%。插入损耗较低,达0.077 55 dB,下载端口对于另外两个输出端口的通道隔离度较高,分别为33.37和32.98 dB。所提出的基于光子晶体环形腔的OADM性能优良,在波分复用光通信系统中具有重要的应用价值。

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光电器件研究与应用

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

中图分类号:TN256

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0038-04

收稿日期:2015-06-23

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61077084)

作者简介:王伟骏(1991-),男,江西赣州人。硕士研究生,主要研究方向为光通信与光波技术。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.012