实现双偏振光波信号单向传输的二维光子晶体异质结构设计

徐 婷，李 琳，费宏明，刘 欣，杨毅彪，曹斌照，陈智辉

(太原理工大学 物理与光电工程学院，新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024)

基于电流单向流动的电二极管是传统集成电路系统的一个基本器件。集成电路启发下的集成光学系统也有一个基本器件：基于光波单向传输的全光二极管[1-5]。全光二极管，又称光学隔离器，是一种可以限制光沿特定方向传输的光学器件。其功能是允许沿一个方向传播的光通过该器件，并阻止反向的光传播。全光二极管在集成光通信、全光网络和光信息处理中有重要应用。目前商用的具有单向传输功能的法拉第全光二极管，其尺寸在毫米尺度，已经被广泛应用于激光器和光通信领域；但是由于需要外加磁场控制旋磁效应，无法与现有的半导体集成光子学系统相结合。目前光学集成器件朝着微纳尺度发展，因此设计微纳尺度的光学二极管[6-13]已成为时代发展的迫切需求。

基于非线性材料的全光二极管，包括由不同折射率材料在空间线性变化所组成的一维非线性光子晶体[1,14]，或者非对称的非线性吸收材料的多层结构和具有非对称结构的二维非线性光子晶体微腔来实现全光二极管[15-17]，其最大透射率和透射比较高，但是这种原理需要很高的光强以产生足够大的光学非线性效应；基于磁光子晶体结构的全光二极管，虽然满足了低阈值光强和高透射对比度的要求，但需要在局域引入外加磁场控制磁性材料的旋磁效应，不利全光集成。基于微纳光子结构设计的全光二极管，包括左手周期性超材料[18]、表面等离子体激元[19]等基于这种原理的全光二极管可以工作在较低的阈值光强。然而，以上设计的共同缺点是最大透射率较低。

2011年，李志远课题组在硅基二维平板光子晶体空气桥结构上设计了一种全光二级管，达到了0.885的信号对比度[20]。2015年，冯帅课题组在空气背景中嵌入椭圆和圆的硅柱，设计了二维非对称光子晶体结构，利用能带特性失配形成了光波单向传输，频带宽度约有0.05(c/a)，同时还出现了光波分束现象[21]。此种方法虽然不再局限于磁场和入射光功率等外界条件，但仍需考虑结构的方向能带结构，并且只能实现单一偏振的单向传输，其正向透射率和对比度都不高，为了能在光通信波段中心1 550 nm附近同时实现两种偏振光在同一波段的单向传输，在结构设计上存在一定的难度。

2015年，李琳等提出利用全反射界面，设计出了一种可实现TE偏振的新型光波单向传输器件，其结构不受能带特性的束缚，透射率和对比度大大提高，波长范围变宽[22]。因此本文利用全反射界面，通过优化异质结构，设计出了在光通信波段1 550 nm附近双偏振态的光隔离器，并得到了较高对比度和较宽的单向传输范围。

1 基本结构

利用常用的电介质材料硅和二氧化硅组成高折射率和低折射率介质，其界面满足全反射要求，设计了二维介质柱型四角晶格固固光子晶体异质结构，如图1所示。其异质交界面沿着Г-M方向，与Г-X方向夹角为45°.异质交界面左边为二维光子晶体PC1，右边为二维光子晶体PC2，两者分别距离异质界面300 nm和900 nm.PC1是在二氧化硅材料中嵌入硅介质柱，PC2为硅材料中嵌入二氧化硅介质柱；它们有相同的晶格常数和半径，分别为a=600 nm，r=140 nm.结构左侧为输入波导，结构右侧为输出波导，光输入信号在输入波导处从PC1到PC2传播，光反射信号在输出波导处从PC2到PC1传播。

图1 异质结构图Fig.1 Sketch map of 2-D photonic crystal heterojunction

2 光波单向传输性能分析

基于上述结构，计算了该结构光信号的插入损耗和回波损耗，结果如图2所示。其中，图2(a)为TE偏振的插入损耗和回波损耗，图2(b)为TM偏振的插入损耗和回波损耗。图中T为插入损耗，B为回波损耗，定义对比度为10-0.1T/10-0.1B.其结果可知，无论TE偏振态还是TM偏振态，都在光通信中心1 550 nm附近实现了光隔离：TE偏振，在波长1 450 nm到1 950 nm之间出现了光信号的单向传输现象，峰值范围在波长1 548～1 596 nm，其插入损耗最小为2.7 dB，回波损耗最高为25.4 dB，其对比度可达186；TM偏振，单向传输波段为1 400～1 905 nm，峰值范围在波长1 515～1 626 nm，插入损耗为1.2 dB，回波损耗为22.7 dB，此波段内对比度大约为141.因此该结构在TE偏振和TM偏振下实现了光通信中心1 550 nm附近的光波单向传输，而且在1 550 nm附近的较大波段内插入损耗变化平缓，所以该结构有望实现较宽带宽的光信号单向传输。

图2 a=600 nm,r=140 nm时的插入损耗和回波损耗Fig.2 When a=600 nm, r=140 nm, the insertion loss and return loss

为了更具体地了解该结构的传输特性，以波长为1 550 nm的光信号为例，计算了其两种偏振态下的正反向入射电场图，结果如图3所示。其中，图3(a)-(b)为TE偏振下的正反向入射电场图，图3(c)-(d)为TM偏振下的正反向入射电场图。从图中得出，在TE偏振或者TM偏振下，光信号从左侧波导处正向输入时，可在PC1内沿着Г-X方向传播，到达异质交界面处均会出现部分反射；而大部分的光信号则发生折射进入到PC2内，然后经由PC2从右侧波导处输出，如图3(a)和3(c)所示。光信号从右侧波导处反向输入时，对于TE偏振，光信号可在PC2内传播，并到达异质交界面处发生全反射，无法通过该交界面进入PC1内。对于TM偏振，光波在输入位置其传播几乎被阻止。

图3 a=600 nm，r=140 nm，λ=1 550 nm时的电场图Fig.3 When a=600 nm, r=140 nm, λ=1 550 nm, electric field

为了能更深入地说明该异质结构实现双偏振态的光信号单向传输机理，计算了光子晶体PC1和PC2的TE和TM偏振能带结构，结果如图4所示。其中图4(a)为PC1的TE偏振能带结构，图4(b)为PC2的TE偏振能带结构，图4(c)为PC1的TM偏振能带结构，图4(d)为PC2的TM偏振能带结构。

对于TE偏振，图2(a)中峰值范围在波长1 548～1 596 nm，对应频率为0.376a/λ～0.388a/λ，在Г-X方向PC1和PC2均为导带，证实了正向输入时，该频段光信号能从异质结构右侧输出；反向输入时，由于PC2在Г-X方向上是导带，所以光信号能够进入PC2内，并在异质交界面处发生了全反射，其传输方向被改变无法进入PC1.

对于TM偏振，图2(b)中的峰值范围在波长1 515～1 626 nm，对应频率为0.369a/λ～0.396a/λ；此时PC1在Г-X方向为导带，而PC2则存在0.38a/λ～0.408a/λ的Г-X方向上禁带，其他方向是导带。正向输入时，光信号可经由PC1传播到达异质交界面处后发生了折射，其传播方向不再沿Г-X方向；此时对于PC2来说该频段的光信号处于非Г-X方向上的导带，因此可以在PC2内传播并在异质结构右侧输出。反向输入时，因PC2在Г-X方向的禁带特性，其频段的光信号无法进入PC2.但是在图2(b)中，0.38a/λ～0.408a/λ两侧频段的光信号仍出现了单向传输现象，只是其插入损耗略高。由此可见，该结构可以实现光信号的单向传输，并不再限制于结构的方向能带特性。对于PC2，无论在Г-X方向是禁带还是导带，光信号正向输入时都可输出，反向输入时会发生全反射或因其禁带作用而被阻止。

在异质交界面处引入全反射，实现了光通信1 550 nm附近的光信号单向传输，不仅对结构的方向能带要求不高，大大简化了结构的设计难度，而且能实现TE，TM偏振态下的单向传输，但其插入损耗还有待降低。

3 优化结构

3.1 扩大结构周期

为了能降低结构的插入损耗、提高对比度，将结构周期整体扩大为原来的两倍，其TE和TM偏振的插入损耗和回波损耗如图5所示，其中图5(a)为TE偏振插入损耗、回波损耗及对比度，图5(b)为TM偏振插入损耗和回波损耗。

对于TE偏振，在图5(a)中，峰值位于1 545.22～1 590.43 nm范围内时，插入损耗大约为2.3 dB，回波损耗为24.4 dB，对比度为162，单向传输范围为1 450～2 000 nm，带宽约为550 nm.

对于TM偏振，在图5(b)中，峰值位于1 502.51～1 633.88 nm范围内时，插入损耗约为0.73 dB，回波损耗为22.3 dB，对比度为144，单向传输范围位于1 400～1 922.2 nm，带宽约为522 nm.

3.2 输出波导宽度

结构周期的扩大可以引起插入损耗的减小，而光信号在输出波导位置存在一定宽度的发散。因此在周期扩大的基础上，还可以通过增加输出波导宽度来减小插入损耗，计算了TM和TE偏振的插入损耗、回波损耗及对比度，如图6所示。其中图6(a)为TE偏振插入损耗和回波损耗，图6(b)为TM偏振插入损耗和回波损耗。

TE偏振下，在图6(a)中，1 451.5～2 000 nm出现了单向传输，带宽约为550 nm，插入损耗最低可达1 dB，回波损耗为31.8 dB，对比度为1 202，峰值位于1 553.25～1 586.21 nm之间，宽度约为33 nm，插入损耗均低于1.7 dB，实现了TE偏振下的1 550 nm附近的低插入损耗、高对比度的单向传输。

TM偏振下，在图6(b)中，单向传输范围位于1 400～1 950 nm，带宽约为550 nm，最低插入损耗可达0.6 dB，回波损耗低于40.7 dB，对比度为10 233，峰值位于1 498.75～1 607.53 nm之间，插入损耗小于2 dB，实现了TM偏振下1 550 nm附近的高对比度的光信号单向传输。

图6 插入损耗和回波损耗Fig.6 Insertion loss and return loss

4 结论

将全反射耦合应用到光子晶体异质交界面中，实现了光通信中心1 550 nm附近光信号的单向传输。通过对电场图及能带结构图进行分析，证实了由于界面处全反射的作用，降低了结构对光子晶体方向能带特性的要求，不仅便于结构设计，而且通过对结构周期和输出波导宽度的优化，使得TM和TE偏振的光信号单向传输效果得以增强，其最低插入损耗峰值范围也有所拓宽，实现了TM和TE偏振下光通信1 550 nm波段、带宽约为550 nm的光信号单向传输。