[发明专利]一种二维光子晶体3-Y型4通道分束器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体分束器，对特定波长电磁波具有频选特性，并形成3-Y型4通道结构的分束器。

背景技术

光子晶体是一种介电常数随空间呈周期性变化的人工材料。它具有许多特异的物理现象，为人们提供了一个研制光电子器件的良好平台，在光通讯和光集成等领域有着广阔的应用前景。

通过光子晶体的带隙及在光子晶体中制造各种缺陷，比如线缺陷、点缺陷，可以制作全新的或以前不能制作的高性能器件，特别是在光通信和光集成领域中。如光子晶体波导、耦合器、光开关、光功率分束器等。基于光子晶体带隙效应而设计的分束器具有尺寸小,易于集成，系统不受外界电磁场干扰等优点，能够在非常小的范围内控制电磁波的传播，与相应传统器件相比具有优越的性质,在下一代光通信系统中将有重要的应用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是模型参数的设置和电磁波波长的选择，并通过改变介质属性，输入特定波长电磁波，达到控制电磁波的传输，并形成3-Y型4通道结构。

本发明，包括一个输入波导和四个输出波导，输入波导和输出波导间有3个Y型通道耦合，先经第一级Y型通道分成2路，再经第二级2个Y型通道分成4路；特定模型设置为：晶格周期为a=0.6                                                ，背景材料为空气，介质柱相对介电常数为=9，折射率为=3，介质柱半径为R=0.12，时域有限差分方法（FDTD）参数设置为：最小网格尺寸△x=△y=0.0375，时间步长=0.01875，完美匹配层（PML）厚度为0.5，计算时间为800步，输入波长=1.491电磁波，实现4个通道同时输出，而且能量近似相等。

本发明，改变两个介质柱的半径为r=0.06，形成空腔，输入波导为特定波长=1.565的电磁波，可禁止电磁波在第二级Y型通道的一通道输出，同时让电磁波在第二级Y型通道的另一通道低损耗输出。

光子晶体理论研究的方法有很多种，如传输矩阵法、分层多次散射法和时域有限差分方法(FDTD)等等。本发明研究方法采用时域有限差分法，即直接将有限差分式代替麦克斯韦时域场旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，用具有相同电参量的空间网格模拟被研究对象，然后选取合适的场初始值和计算空间的边界条件，得到包含时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过傅里叶变换可求得三维空间的频域解。

本发明，对电介质作如下假设：

（1）电介质是各向同性的，于是介电常数可以被看成标量；

（2）忽略介电常数与光频率的关系，在关注的频率范围内介电常数是一个常量；

（3）不考虑电介质的电损耗，即介电常数是一个纯实数；

（4）电介质是无磁性的，并且其中没有电流或电荷。

经上处理后，很容易得到适合于光子晶体的麦克斯韦方程组：

以TE模为研究对象，用时域有限差分法求解，即将其在直角坐标系中展开成标量场分量的方程组,然后用二阶精度的数值差商代替微商,将连续的空间和时间问题离散化,信号源选择高斯型的脉冲源，得到标量场分量的差分方程组，其中高斯型的脉冲源为： 

   

差分方程为：

本发明相对同类现有研究，具有3个优点：

（1）本发明对电磁波波长具有频选特性。当波长=1.491时，可以实现4个通道同时输出，而且能量近似相等；

（2）本发明具有通用性。实践证明：=1.55波段电磁波传输损耗最小，本发明选用=1.491和=1.565的电磁波，特别是选用=1.565的电磁波，具有很好的通用性；

（3）本发明具有良好可塑性。通过改变介质柱的属性，可以对其他波段进行频选，具有良好的可塑性。

附图说明

图1 给出二维光子晶体3-Y型4通道分束器结构示意图。

图2 给出了通道1和通道2的透射率。当波长=1.491，通道2的透射率为27.06%，通道1的透射率为21.34%；当波长=0.872，通道1的透射率几乎为0，通道2的透射率为17.11%，也就是说可以禁止电磁波在通道1输出，但是通道2的透射率不高，损耗比较厉害。

图3 给出了波长=1.491的电场分布。

图4 给出了波长=1.491时间平均的坡印亭矢量分布。

图5 给出了波长=0.872的电场分布。