发布日期：2025-01-04 17:36    点击次数：163

引言 近年来，2D-3D异质结结构由于具有独特的堆叠特性以及可以抑制二维光子晶体z方向的能量损耗而得到广泛研究[1-7]。2D-3D异质结结构利用woodpile增强z方向对光的束缚作用从而降低该方向传输信号的能量损耗，同时利用堆叠方向的结构变化实现对功能器件传输性能的调制。如Tang等[1]在2D-3D异质结结构中构建了具有超高Q值的光子晶体微腔，证明了该异质结结构可以有效消除二维结构中的垂直传输损耗。Chutinan等[2]在2D-3D结构中沿堆叠方向引入两个相互垂直的直波导，通过垂直耦合波导的连接，实现了3+1维光路集成。Lin等[3]设计了包含两个2D-3D异质结的结构，通过对该结构中集成波导的优化，能够实现在多个方向观察到宽导带。Feng等[4]设计了一种包含两个波分复用器的层状2D-3D异质结结构，通过调整参数可以实现每个器件、每个端口的选频特性。Zhang等[5]通过时域有限差分法模拟计算了2D-3D异质结结构中45°和90°波导的传输性能，发现波导输出端微扰优化能够有效提高45°波导的透射率和带宽，而弯曲圆滑处理和减少波导两侧柱子的排列周期都能提高90°波导的输出效率。 波分复用器是集成电路中的一种重要器件[8-15]。迄今为止，基于光子晶体的波分复用器的研究大多集中于二维结构。例如，Fallahi等[8]提出一种使用经过改良的Y分支结构和4个六边形光子晶体环形谐振器组成的4通道波分复用器，该结构通过选取不同的谐振腔内柱子半径来实现波长选择功能。Arnob等[9]提出一种基于六方晶格的二维光子晶体波分复用器，可用于1.31μm和1.55μm两个波长的解复用，同时实现了低串扰和70%以上的传输率。Mehdizadeh等[10]提出一种基于二维光子晶体的新的缺陷腔的八通道光子晶体解复用器，该结构通过设计谐振腔宽度可以分离所需的波长。Gupta等[11]设计了一种四通道波分复用器，此器件通过改变空腔周围的空气孔的半径来改变腔的共振波长。Bouamami等[12]设计了一个平面光子晶体七通道波分复用器，其原理是通过改变主波导两侧空气孔的大小来实现在波导的连续部分改变基本光子带形模式的截止频率。 然而，目前关于2D-3D异质结结构中密集型波分复用器的研究较少。本文在2D-3D异质结波导结构中设计了密集型波分复用器，采用时域有限差分法(FDTD)详细地模拟计算了不同通道的传输特性，并从实验上制备了相同的密集型波分复用器样品，完成了相应的实验测量。理论和实验结果都表明，所设计密集型波分复用器能够实现每个通道的频率选择特性。 1 2D-3D结构中具有超宽导带直波导的设计 本文设计了工作于微波波段的2D-3D异质结结构，该结构包含1个二维光子晶体和2个woodpile结构，其中woodpile结构关于二维光子晶体对称堆叠排列。woodpile结构中介质柱的参数为0.3a×0.3a，其中晶格常数a=10mm。对于二维光子晶体，介质柱的参数为0.3a×0.3a×1a。背景材料和介质柱的介电常数分别为1.0和7.5。本文使用的模拟软件为东峻信息有限公司开发的商业软件East FDTD。 首先，在2D-3D异质结结构中引入一个位于二维光子晶体层的直波导，如图 1(a)所示，通过FDTD模拟，发现其存在超宽导带，范围为11.16GHz~13.68GHz。这种具有超宽导带的波导在密集型集成光路设计中具有非常重要的作用。 图 1 含直波导的2D-3D结构yoz平面结构以及内部直波导分解示意图 Fig.1 yoz plane structure diagram of the 2D-3D structure with a straight waveguide and a schematic diagram of the internal direct waveguide decomposition 2 六通道波分复用器的理论模拟与实验测量 2.1 理论模拟 基于图 1中的结构，设计了如图 2(a)所示的六通道密集型波分复用器。该密集型波分复用器包括1个具有超宽导带的直波导、6个输出波导(CH1~CH6)以及主波导与输出波导之间的耦合波导。通过控制耦合波导的长度，可以有效调节各输出端口的波长。样品大小为26a×16a×7.2a，一高斯光源置于直波导中距离样品左表面1.0a处，传播方向沿x轴正方向，同时在主波导的输出端口和6个通道距离样品表面1.0a处分别设置了记录点。 图 2 六通道波分复用器的二维平面示意图以及理论模拟得到的各输出端口的透射谱 Fig.2 Two-dimensional plane diagram of a six-channel WDM and the transmission spectrum of each output port obtained by theoretical simulation 首先考虑CH1通道。通过去掉主波导一侧次近临的一个介质柱，形成长度为2a的耦合波导，直波导中的入射光与该波导耦合后经由CH1输出，通过时域有限差分法模拟得到CH1通道的透射谱，如图 2(b)中的红色虚线所示，可以看出在频率为12.14GHz处形成一个明显的共振峰，说明12.14GHz频率的光沿着CH1输出。然后考虑CH2。去掉主波导另一侧次近临的2个介质柱，形成长度为3a的耦合波导，通过时域有限差分方法得到CH2的透射光谱，如图 2(b)中的蓝色点线所示，可以看出频率为12.92GHz光从CH2端口输出。对于其他4个通道，CH3的耦合波导长度为5a，CH4的耦合波导长度为6a，CH5对应的耦合波导长度为7a，CH6的耦合波导长度为8a。通过时域有限差分法得到后4个通道的透射谱，如图 2(b)所示。分析其透射谱可知，频率为12.50GHz的光从CH3输出，频率为11.96GHz的光从CH4输出，频率为12.29GHz的光从CH5输出，频率为12.59GHz的光从CH6输出。 为了进一步验证各通道的传输效果，分别模拟了频率为11.96GHz、12.14GHz、12.29GHz、12.50GHz、12.59GHz、12.92GHz光的场分布，结果如图 3(a)~(f)所示。由场分布图可知，6种不同频率的光分别经由特定的通道单频输出，该结果与模拟透射谱图一致。 图 3 场分布图 Fig.3 The field distributions 2.2 实验测量与结果分析 本文进行了系统的实验测量来验证上述理论计算结果。在实验中，使用E5071C矢量网络分析仪(Keysight公司)和单极天线。单极天线由一对同轴电缆制成并作为点源的发射极和接收器，天线连接网络分析仪和各个端口，并由矢量网络分析仪分析给出数据。首先，搭建与2.1节相同的六通道波分复用器，介质柱为三氧化二铝，其介电常数为7.5，如图 4(a)所示。二维光子晶体层固定在泡沫板中，泡沫的介电常数约等于空气的介电常数，实验平面图如图 4(b)所示。单极天线的最佳位置是以波导中心线为中心，置于波导约1个晶格常数的位置处。 图 4 六通道密集波分复用器实验结构图 Fig.4 Experimental structure diagram of the six-channel compact wavelength division demultiplexer 实验测量时，一个单极天线固定在输入端口A, 另一个放置在CH1处，输入的微波信号通过直波导与长度为2a的波导耦合后，特定频率的光将由CH1端口输出，所得测量光谱如图 5中红色虚线所示。当频率为12.08GHz时，CH1的透射曲线出现一个明显的透射峰，说明这一频率的光刚好满足长度为2a波导的共振频率，从CH1输出。然后，在保持结构不变的情况下，将接收天线放置在CH2中，CH2对应的耦合波导长度为3a，同样测得该端口的透射曲线如图 5中蓝色点线所示，可以看出频率为12.95GHz的光从CH2输出。接下来，使用相同的测量方法分别测量CH3、CH4、CH5和CH6，得到的4个端口的透射曲线也分别显示在图 5中。结果表明，频率为12.47GHz的光从CH3输出，频率为11.84GHz的光从CH4输出，频率为12.38GHz的光从CH5输出，频率为12.68GHz的光从CH6输出。以上测量结果表明，通过改变耦合波导的长度可以实现选频的目的。 图 5 CH1~CH6通道的实验测量透射谱 Fig.5 Experimental transmission spectra of channels CH1-CH6 对模拟计算结果与测量结果进行分析，发现共振频率存在一定的偏差，这主要是由实验中存在的误差引起的，如介质柱不均匀导致的共振频率移动、中间二维结构与上下两侧woodpile结构的错位引起的共振频率的移动等。因此，无论是从理论上还是实验上，本文设计的密集型六通道波分复用器都表明其具有良好的选频特性。 3 八通道波分复用器的理论模拟 我们同样设计了八通道波分复用器，与六通道波分复用器相比，该器件增加了耦合长度分别为4a和9a的两个通道。通过时域有限差分法得到各通道的输出频率，8个通道分别所对应的耦合长度及输出频率如表 1所示。表 1的结果表明，该八通道波分复用器同样具有选频特性。 下载CSV 表 1 八通道密集型波分复用器各通道耦合长度与输出频率 Table 1 Coupling length and output frequency of each channel in the eight-channel compact wavelength division demultiplexer 4 结论 本文设计了工作于微波波段的2D-3D异质结结结构，并在其中引入了具有超宽导带的波导结构。在此基础上，设计了基于2D-3D异质结结构的密集型波分复用器。理论模拟和实验测量的结果表明，该密集型波分复用器具有良好的选频效果。本文研究结果对于缩小器件尺寸以及制造大型紧凑型集成电路具有指导意义。