二維光子晶體光學濾波器設計研究

王 歌

（南京曉莊學院，江蘇 南京 210000）

二維光子晶體光學濾波器設計研究

王 歌

（南京曉莊學院，江蘇 南京 210000）

本文以光子晶體器件為研究對象，重點分析了二維光子晶體光學濾波器的設計，旨在充分發揮光學晶體的作用，推動信息技術及信息產業的進一步發展。

光子晶體；濾波器；設計

在微電子技術、數字化信息技術的支持下，半導體器件的發展趨于模塊化、微型化及芯片花，為了滿足人們的需求，芯片的集成度進一步增強。但目前，集成電路技術已經接近于物理極限，未能滿足計算機與電子信息系統發展的需要，為了替代此技術，光子信號得到了人們的廣泛關注。

1 光子晶體的概況

1.1 原理與類別

（1）原理：光子晶體屬于電磁介質，其介電常數呈周期性分布，由于其具有選頻的作用，使其適用于納米光子器件。近幾年，光子晶體器件日漸增多，如：無閾值激光器、濾波器及光學開光等，其在信息技術方面的重要性愈加顯著，甚至有超越半導體技術地位的傾向。

（2）類別：光子晶體的分類依據為其結構，具體可以分為以下三種，第一種為一維光子晶體，其特點為介電材料沿著同一方向變化，具有周期性與簡單性，但簡單的制備使其難以適應復雜光子器件應用的需求；第二種為二維光子晶體，其特點為介電材料沿著X軸與Y軸變化，由于其僅在橫截面呈周期性變化，它又稱為平板光子晶體，其制備方法與現有半導體技術相互兼容，因此，其應用范圍較廣；第三種為三維光子晶體，其特點為介電材料沿著X軸、Y軸與Z軸變化，并且在三維結構上呈全方位帶隙，但其結構復雜、制備困難、理論研究難度較高，制約著此類光子器件的應用[1]。

1.2 應用

光子晶體最為顯著的特點便是帶隙，其滿足了光子器件制作的需求，同時其周期性結構，為人工控制光信號提供了保障。目前，光子晶體結構的應用較為廣泛，主要用于光學集成器件，具體內容如下：

其一，光子晶體濾波器，它主要是借助光子晶體的帶隙結構及缺陷態頻率，實現了對多頻率輸入光信號的濾波分流，此結構具有簡單性、有效性與低損耗等優點。其二，光子晶體慢光器件，它主要是借助光子晶體的微腔結構，其局域光信號能力可以選頻濾波，也可以延長信號的時間。其三，光子晶體光纖，它主要借助光纖橫截面制作的結構，其主要是借助光子晶體的帶隙特性，使特定頻率的光信號在光纖芯區內傳播。其四，微波天線，它主要是利用光子晶體的完全反射實現的，將其作為微波天線，保證了信號完全反射空間內，從而保證了天線工作的效率。

2 二維光子晶體光學濾波器的設計

2.1 光子晶體濾波器的原理

在先進技術的支持下，密集波分復用技術被提出，它使有限的物理設備資源得到了更加充分的利用，此項技術是指在同一波導內傳輸不同波長的光信號，并且在接收端借助分離技術以此滿足不同的需求，從而滿足了大容量及長距離光信息的傳輸需求，推動了光通信的發展，使其具有了實用化的特點。對于密集波分復用技術而言，其最為關鍵的環節便是光信號的濾波分離，而最為重要的便是光學濾波器，其各項參數直接決定著自身的價值。

當前，光信號的間隔日漸縮小，在此情況下，對濾波器的要求不斷增多，為了滿足通信技術發展的需求，新型濾波器結構隨之出現，其特點主要為小體積、高分辨率及低能耗等。光子晶體作為電磁材料的一種，其為天然帶隙結構，與其他濾波其相比，其優勢更為顯著，如：體積小、能耗低、濾波優良、集成簡便。根據現有文獻報道可知，光子晶體濾波器的結構主要有三種，分別為點缺陷結構、線缺陷波導及環形腔解結構等[2]。

2.2 二維光子晶體濾波器的設計

本文基于光子晶體的微腔結構設計濾波器結構，在實際設計過程中，輸入輸出波導結構借助線缺陷結構，選頻結構利用光子晶體微腔，在此基礎上，設計了兩種不同的濾波器，具體內容如下：

（1）兩通道光子晶體濾波器：由于二維光子晶體典型微腔結構具有選頻作用，在設計時，借助光子晶體點缺陷微腔與環形腔結構，以其為選頻結構，利用線缺陷，以其為輸入輸出波導結構，此時獲得的濾波器能夠對光信號進行有效的選頻濾波，同時其耦合效率相對較高，但此時的設計也存在不足，其一，信道間隔超過50nm，在有限的帶寬條件下，難以滿足多通道濾波的需求；其二，環形腔結構過大，在多通道濾波時，濾波器體積過大，增加了性能仿真的難度。在此情況下，需要對多通道濾波器展開設計[3]。

（2）八通道光子晶體濾波器：上述濾波器的設計，主要是改變點缺陷的半徑，以此滿足了不同頻率光信號的濾波需求，但其仍存在不足，難以適應更小頻率間隔濾波的需要，造成此情況的原因為缺陷介質柱的半徑較小，難以開辟更多的通道數，同時，頻率間隔相對較小，濾波性能相對較差，因此，本文展開了八通道光子晶體濾波器的設計，其主要是對點微腔濾波進行了改進，以此提高了濾波器的性能、降低了其損耗。在實際設計過程中，利用光子晶體整體結構，通過模塊劃分，使各個模塊結構進行多通道濾波。在結構中，每個模塊均引入點缺陷微腔，此后，完整結構出現了缺陷態，在此范圍內的電磁波，將被局域，以此實現了對不同頻率電磁波的局域控制，同時，在對應結構內的傳播，也促進了點微腔選頻作用的發揮[4]。

通過微調點微腔周圍介質柱半徑后，促進了點微腔對光信號的耦合效率，在此基礎上，利用線缺陷，將其作為波導結構，進而設計了新型的八通道濾波器結構，其選頻結構為微腔結構，雖然其濾波特性良好，但對于濾波器各信道而言，其能量傳輸效率相對較低，通過仿真，進一步微調了缺陷周圍介質柱半徑，從而保證了各信道的能量傳輸效率，同時在不同的信道輸出著不同頻率的光信號，以此提高了濾波器的濾波性能，在較高的信道隔離度下，濾波器擁有了較強的抗干擾性，從而進一步增強了其實用價值。

3 結束語

綜上所述，本文主要介紹了光子晶體的原理、類別及應用，重點闡述了二維光子晶體光學濾波器的設計，分別設計了兩通道光子晶體濾波器與八通道光子晶體濾波器，由于前者存在不足，通過一系列的改進與實驗，提出了新型的濾波器，其具有較高的傳輸效率及較強的抗干擾性能。相信，隨著光子晶體器件研究的日漸深入，其實用化效果將更加顯著。

[1]李保群.二維光子晶體光學濾波器的設計[D].北方工業大學,2013:14-20

[2]王亞楠.基于環形腔的方形晶格光子晶體濾波器的特性研究[D].南京郵電大學,2013：18-22

[3]劉肯.二維光子晶體薄板暨光邏輯器件理論研究[D].國防科學技術大學,2008：10-13

[4]王艷茹.二維光子晶體在激光雷達系統中的應用研究[D].電子科技大學,2010：12-15

Design and research of two dimensional photostatic crystal optical filter

WANG Ge
(Nanjing Xiaozhuang University,Nanjing Jiangsu 210000)

Based on photostatic crystal device as the research object,this paper focus on the analysis of the two-dimensional photostatic crystal optical filter design,aims to give full play to the role of optical crystal,promote the further development of information technology and information industry.

Photostatic crystal; Filter; Design

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

（責任編輯：吳 芳）

王歌（1993-），女，河南洛陽人，研究方向：物理學。