一种光子晶体多通道分束器及优化方法

1.本发明涉及一种光子晶体多通道分束器及优化方法，属于光子集成电路领域。


背景技术：

2.近几年来，国内外学者对基于光子晶体的分束器进行了大量的研究和探索，包括单独利用光子晶体波导实现等比分束器、利用光子晶体波导和谐振腔的耦合效应实现超紧凑型等比分束器、通过外加磁场改变磁光子晶体的折射率实现分光比可调的分束器、通过光控非线性谐振腔中点缺陷的折射率实现分束器选路分束。现有光子晶体多通道分束器尺寸大，无法满足高密度光子集成电路发展的需要。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种光子晶体多通道分束器及优化方法，解决了背景技术中披露的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种光子晶体多通道分束器，包括在光子晶体中移除介质柱形成的主波导和y分支波导对，y分支波导对中的两个y分支波导对称分布在主波导两侧，并且与主波导交汇，形成四条沿主波导对称分布的弯曲波导，y分支波导与主波导交汇处引入点缺陷介质柱，两个y分支波导的中央均引入调控介质柱。
5.弯曲波导侧边引入散射介质柱。
6.点缺陷介质柱的折射率和光子晶体中的介质柱折射率相同。
7.两侧点缺陷介质柱的半径不同。
8.调控介质柱的折射率和光子晶体中的介质柱折射率相同。
9.两侧调控介质柱的半径不同。
10.两侧调控介质柱的横向偏移量不同。
11.一种光子晶体多通道分束器的优化方法，基于预设分光比例，采用优化算法获得优选的点缺陷介质柱半径、调控介质柱半径和调控介质柱横向偏移量。
12.本发明所达到的有益效果：本发明在主波导两侧设置对称分布的y分支波导，y分支波导与主波导交汇处引入点缺陷介质柱，两个y分支波导的中央均引入调控介质柱，通过改变点缺陷介质柱和调控介质柱参数，可实现多通道任意分光比输出，结构紧凑、尺寸小、分光比设计灵活、性能优良，并且通过调整主波导长度和y分支波导对数量，易于级联更多通道输出的分束器。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图；图2为完整光子晶体结构下的te模式的能带图；图3为输出通道2的透过率、输出通道3与4的透过率之和以及输出通道5与6的透过
率之和随点缺陷介质柱半径变化的关系图；图4为五个输出通道各自的透过率随调控介质柱的横向偏移量变化的关系图；图5为五个输出通道各自的透过率及总和随调控介质柱半径变化的关系图；图6为基于优化算法逆向设计1
×
5分束器的流程图；图7为实例一对应的稳态场强分布图；图8为实例一对应的时域稳态响应图；图9为实例二对应的稳态场强分布图；图10为实例二对应的时域稳态响应图；图11为实例三对应的稳态场强分布图；图12为实例三对应的时域稳态响应图；图13为实例四对应的稳态场强分布图；图14为实例四对应的时域稳态响应图。
具体实施方式
14.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。
15.如图1所示，一种光子晶体多通道分束器，包括在完整的光子晶体中移除介质柱7形成的主波导和y分支波导对，光子晶体为二维正方晶格硅光子晶体，主波导通过移除一排介质柱7形成，主波导的输入端为图中输入通道1，输出端为图中输出通道2，y分支波导对的数量根据实际情况而定，图中一个y分支波导对包括两个y分支波导，y分支波导通过移除介质柱7形成。
16.y分支波导对中的两个y分支波导对称分布在主波导两侧，并且与主波导交汇，形成四条沿主波导对称分布的弯曲波导，即输出通道3、4、5、6。
17.弯曲波导侧边引入散射介质柱8，每个散射介质柱8位于相邻介质柱7中心，散射介质柱可以减小光散射损耗，提高分束器的总透过率。
18.y分支波导与主波导交汇处为耦合区域9，耦合区域9中引入点缺陷介质柱，具体包括上侧点缺陷介质柱10和下侧点缺陷介质柱11，耦合区域9中的点缺陷介质柱可以控制从主波导耦合至上下两个y分支波导中的光能量大小，点缺陷介质柱的折射率和光子晶体中的介质柱7折射率相同，两侧点缺陷介质柱的半径不同，其中，上侧点缺陷介质柱10半径为r1，下侧点缺陷介质柱11半径为r2，光子晶体中的介质柱7的半径r=0.125μm。
19.两个y分支波导的中央均引入调控介质柱，具体包括上侧调控介质柱12和下侧调控介质柱13，调控介质柱可以按比例控制各个输出通道的光能量大小。调控介质柱的折射率和光子晶体中的介质柱折射率相同，两侧调控介质柱的半径不同，两侧调控介质柱的横向偏移量不同，其中，上侧调控介质柱12半径为r3，下侧调控介质柱13半径为r4，横向偏移量分别为offset1和offset2。
20.上述分束器在主波导中央两侧设置对称分布的y分支波导，y分支波导与主波导交汇处引入点缺陷介质柱，两个y分支波导的中央均引入调控介质柱，通过改变点缺陷介质柱和调控介质柱参数，可实现多通道任意分光比输出，结构紧凑、尺寸小、分光比设计灵活、性能优良，并且通过调整主波导长度和y分支波导对数量，易于级联更多通道输出的分束器。
= 0.2117μm。
33.该分束器的稳态场强分布如图9所示，时域稳态响应如图10所示。从图9可以看出，相比实例一，通道2、通道3和通道5的输出比通道4和通道6少，通道4的输出比通道6少，由图10可得通道2、通道3和通道5的透过率均达到12.45%，通道4的透过率为24.91%，通道6的透过率为37.36%，总透过率为99.62%，附加损耗为0.017db，响应时间为0.5ps。
34.结果表明，利用优化算法，可以逆向设计出性能优良的分光比为1:1:2:1:3的1
×
5分束器。
35.三、分光比为1:1:2:1:4的1
×
5分束器，基于下山单纯形算法逆向设计的结构参数分别为r1=0.0613μm，r2=0.0610μm，r3=0.1025μm，r4= 0.0949μm，offset1=0.2854μm，offset2= 0.1756μm。
36.该分束器的稳态场强分布如图11所示，时域稳态响应如图12所示。从图11可以看出，相比实例二，通道2、通道3和通道5的输出比通道4和通道6少得多，通道4的输出比通道6少得多，由图12可得通道2、通道3和通道5的透过率均达到11.11%，通道4的透过率为22.21%，通道6透过率为44.41%，总透过率为99.95%，附加损耗为0.002db，响应时间为0.5ps。
37.结果表明，利用优化算法，可以逆向设计出性能优良的分光比为1:1:2:1:4的1
×
5分束器。
38.通过延长1
×
5分束器主波导的长度，增加三对y分支波导，可以级联出1
×
17分束器，尺寸仅为335.94μm2。基于下山单纯形算法，逆向设计的1
×
17等比分束器的稳态场强分布如图13所示，时域稳态响应如图14所示。从图13可以看出，相比实例一，该分束器的输出通道更多，入射的te偏振光从十七个输出通道等比输出，由图14可得各输出通道的透过率均达到5.83%，总透过率为99.11%，附加损耗为0.039db，响应时间为1ps。结果表明，利用优化算法，可以逆向设计出性能优良的1
×
17等比分束器。
39.本发明在完整的硅光子晶体中，通过引入特殊y分支波导，实现了1
×
5分束器，通过改变点缺陷介质柱的半径、调控介质柱的半径及其横向偏移量，可以控制分束器输出通道的输出光能量比例；利用优化算法，根据特定的分光比目标，对该分束器进行优化，可以逆向设计出不同分光比的分束器，相较于传统的控制变量法，耗时短、效率高，且易于实现最优的分束性能。在1
×
5分束器的基础上，可以级联出1
×
n分束器。
40.发明提出的分束器具有性能好、尺寸小、分光比设计灵活、效率高和易于级联等特点。
41.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。