光子晶体波导结构优化范文

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《中国激光杂志》2015年第十二期

摘要

通过平面波展开法(PWE)计算硫系光子晶体带隙并采用时域有限差分法(FDTD)模拟硫系60°弯曲光子晶体波导的传输特性,在波导弯曲部分线缺陷处添加小空气孔缺陷，提高了其带宽和透光性。在60°弯曲区域线缺陷外边缘处引入2个对称空气孔，通过改变其半径来改善波导传输效率。模拟结果表明，当引入半径为0.54R的空气孔时，传输带宽由初始的60nm提高到161nm，但此时透射率波动性较大。在此基础上在弯曲线缺陷中心处又引入若干个空气孔，当引入3个半径为0.48R的空气孔时，此种结构不但提高了波导的传输效率，并且使传输带宽增加到340nm。将单个60°弯曲波导优化结构应用于连续60°弯曲波导中，研究结果表明连续弯曲波导的传输效率得到显著提高。

关键词

集成光学;硫系玻璃;光子晶体波导;传输效率;带宽

1引言

集成光学的快速发展为全光网络的实现提供了可能性，作为集成光学的基础原件,光波导应具有低损耗和高集成性等特征[1-4]。为了减小光波导尺寸以达到高集成性的要求，可设计弯曲光路的波导结构，然而，传统全反射介质弯曲光波导具有一个严重的缺陷即弯曲半径必须限制到毫米级[1]，并且严重影响光传输效率。随着光子晶体(PhCs)的出现，这一问题可以得到有效的解决。光子晶体是一种新型光学结构，由不同折射率介质材料在空间中堆叠成周期性排布，会产生光子能带和光子带隙(光子禁带)[4-7]，并通过折射率的周期性调制进行光学传输。当某一个入射频率光落在光子能带中，这种频率的光可以在光子晶体中传输；当这种频率的光落在光子禁带中则不能在光子晶体中传输，但如果在光子晶体中引入线缺陷，即使光落在光子禁带中光也可以有效地进行传输[7-8]。

中远红外区域光谱包含了绝大多数分子活动的特征谱线，3~5mm和8~12mm这2个大气窗口在空气中相对透明且极其重要,是生物、化学传感研究的重要领域，因此研究中红外波段传感器件具有重要的现实意义。碲酸盐玻璃[9]、氟化物玻璃[10]和硫系玻璃[11-13]都是性能优良的中红外材料，其中硫系玻璃具有较宽的红外透过窗口、超高的三阶非线性折射率系数n2(n2=2~20×10-18m2/W)[11,14-20]，是中红外传感器件的优良载体，在集成光学结构、低功率器件、未来全光网络等领域具有较大的潜在应用价值[11,20]。

弯曲波导传输损耗大的一个重要原因是光在波导弯曲区域和直区域传输模式不匹配。相比于传统脊型波导或条形波导，光子晶体波导理论上可以实现任意弯曲角度低损耗的传输。在过去十几年中，在提高弯曲光子晶体波导的传输特性方面已经有多种方案被提出。Mekis等[6]首次报道了光在90°弯曲介质型正方晶格中传输，其传输效率在某些频率可以实现完全传输并且在很宽的频率范围内高达95%以上；Chutinan等[21-23]在波导的弯曲区域引入一个谐振腔来优化其传输特性，其传输带宽可以提高到161nm；Sarah等[4]通过引入光流体来提高弯曲波导传输效率，当在弯曲区域引入点缺陷并注入光流体，通过改变空气孔的半径和光流体的折射率，光在波导中传输效率得到大大提高，并且其带宽调整到88~138nm；最后，Moghaddam等[8,24-25]通过改变线缺陷的宽度优化传输效率，传输带宽由70nm增加到160nm。本文选择Ge20Sb15Se65(折射率n=2.65)作为基质材料，在光子晶体波导的弯曲区域外边缘和中心位置处添加空气孔缺陷，通过改变其半径大小和个数，利用平面波展开法(PWE)和时域有限差分法(FDTD)进行优化模拟，使单个弯曲光子晶体波导的传输效率得到改善，传输带宽从60nm提高到340nm；同时使连续弯曲光子晶体波导的传输效率也得到提高。

260°弯曲光子晶体波导优化

图1(a)给出了60°弯曲三角晶格光子晶体波导的典型结构，这也正是本论文所研究弯曲光子晶体波导初始结构，它是在完整光子晶体中移除一条水平线缺陷以及与水平方向呈60°的线缺陷而形成的。其主要参数如下：空气孔半径R=0.36a(a是晶格常数)，基质材料为硫系材料Ge20Sb15Se65。利用PWE计算TE偏正模式下该结构完整硫系光子晶体的带隙频率范围为0.3~0.4(单位:ωa/2πc)[4,8]。为了使该光子晶体波导工作在中红外波段，选择晶格常数a=1000nm，工作波长l范围为2817~3278nm。图1(b)给出了该60°弯曲波导结构的透射谱。由图可以看出，某些波长的光能很好地在波导中传输，但总体而言，其传输带宽(传输效率高于90%的波长范围宽度)较窄(只有60nm)，因此需要对其结构进行优化，提高其传输效率。

首先在弯曲区域线缺陷外边缘处引入2个空气孔，通过改变空气孔半径大小来提高弯曲光子晶体波导传输效率，优化后的弯曲光子晶体波导结构如图2所示。虽然引入1个空气孔也能使波导弯曲区域保持对称，但弯曲区域平缓效果不佳，因此引入2个空气孔保证了波导结构的对称性和弯曲区域的平缓度，这里引入的空气孔半径r分别为0.6R，0.54R，0.48R，0.42R，2个空气孔中心距离为520nm。最后得到对应的传输效率如图3所示，表1给出了对应结构的传输带宽。

与图1(b)相比，图3所示传输效率明显得到了改善，并且传输带宽也有一定程度提高。图3中传输带宽随着空气孔半径的增加而增大。当空气孔半径增加到0.54R时[见图3(c)]，传输带宽达到极大值，传输效率在一定波长范围内相对平坦。当空气孔半径r=0.6R时[见图3(d)]，虽然传输效率的波动比图3(c)要小得多，但是传输带宽开始下降(由表1可以看出，空气孔半径r=0.54R时传输带宽是最大的)，此外空气孔半径r=0.6R，将会导致2个空气孔之间间隙变小，后续的制备工艺难度有所增加。为了进一步优化带宽特性，在图2(c)结构基础之上，在弯曲区域线缺陷中心处继续引入空气孔，通过改变空气孔个数来提高波导传输效率。假设引入空气孔个数N=0，1，3，5，空气孔半径大小均为0.48R(半径大小为0.48R模拟效果最佳)。最终得到波导结构如图4所示(N=1时新引入空气孔处于弯曲区域线缺陷中心位置，与图2(c)两个优化空气孔的距离均为520nm，N=3和N=5时其余空气孔处于线缺陷中心位置，与新引入空气孔的距离为1000nm)，图5给出相对应的传输效率图，表2给出了对应结构的传输带宽。从模拟结果可以明显看出进一步优化后的传输效率相比初步优化得到很大程度地提高。图5(a)给出了初步优化结构对应的传输效率，此时引入空气孔个数N=0；当空气孔个数增加到1时[如图4(b)所示]，其对应传输效率得到提高并且传输带宽增加到263nm；当空气孔个数N=3时，传输带宽达到最大值340nm，并且在整个波长范围内传输效率相对平坦[如图5(c)所示]；图5(d)给出了空气孔个数N=5的传输效率，此时传输带宽只有74nm，之后随着N增加传输效率会继续减小。根据以上分析，可以得出当空气孔个数N=3时，60°弯曲光子晶体波导结构具有最高的传输效率和带宽。

3连续60°弯曲光子晶体波导优化

传统的连续弯曲光子晶体波导结构如图6(a)所示，其对应的传输效率如图6(b)所示，由图可以看出这种结构的光子晶体波导传输效率极低，在很宽的波长范围内光几乎不能传输。基于图4(c)的优化方案，将其应用到传统的连续60°弯曲光子晶体波导结构，优化后的结构如图7(a)所示。在该结构中，2个弯曲区域线缺陷外边缘处空气孔半径都为0.54R，在弯曲区域线缺陷中心处添加的空气孔半径为0.48R。图7(b)给出了优化后波导结构的传输效率图，与图6(b)相比，容易发现传输效率得到了显著提高。通过以上单个60°和连续60°硫系基质光子晶体波导的结构优化，结果表明该优化后的硫系弯曲光子晶体波导结构在中红外波段具有优良的传输性能。这种新型的弯曲波导结构设计可以扩展传输带宽，降低传输损耗，为未来全光网络的实现奠定基础。

4结论

通过PWE、FDTD模拟单个60°和连续60°硫系弯曲光子晶体波导传输特性。在光子晶体波导弯曲区域外边缘处引入2个对称空气孔，通过改变空气孔半径r来提高传输效率。选择空气孔半径r=0.42R，0.48R，0.54R，0.6R，模拟结果表明，当空气孔半径r=0.54R时，传输效率波动相对较小并且传输带宽达到161nm。因此，将弯曲区域线缺陷外边缘处2个空气孔半径r=0.54R作为初次优化结果。然后在弯曲区域线缺陷中心处引入若干空气孔，通过改变空气孔个数来提高传输效率，模拟结果表明当引入3个半径为0.48R的空气孔时，传输带宽达到最大(340nm)。利用以上方法对连续60°弯曲光子晶体波导结构进行优化，结果表明，经过优化的连续60°弯曲波导传输效率和带宽都可得到一定程度的提高。本论文的研究结论可为60°弯曲光子晶体波导在中红外波段的传输应用提出一种更优的结构方案。

作者：魏凤娟 张巍 韩金涛 王贤旺 吴越豪 张培晴 戴世勋 聂秋华 单位：宁波大学高等技术研究院红外材料与器件实验室 浙江省光电探测材料及器件实验室