第４１卷 第３期 ２０１１年３月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４１．Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ，２０１１ 文章编号：１００１－５０７８（２０１１）０３－０３０６－０３ ・光电材料与器件・ 带有环形谐振器的Ｔ形光子晶体滤波器 吴立恒，王明红，徐明星 （聊城大学物理科学与信息工程学院，山东聊城２５２０５９） 摘要：提出了一种带有环形谐振器的Ｔ形光子晶体滤波器，利用时域有限差分法研究了滤 波器传输特性，分析了光子晶体结构参数对其传输特性影响。结果表明：该结构具有可调性开 关波长、传输率高及频带宽的特点，在光子晶体集成制作、光通信器件制作等方面具有潜在的 应用价值。 关键词：光子晶体；环形谐振器；时域有限差分法；可调性开关波长 中图分类号：ＴＮ７１３ ．９１ 文献标识码：Ａ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ＷＵ Ｌｉ－ｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｍｉｎｇ—ｈｏｎｇ，ＸＵ Ｍｉｎｇ—ｘｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｔ—ｓｈａｐｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｗｅ ｈａｖｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｉｔｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄ ａ ｌａｒｇｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ．Ｉｔ ｈａｓ ａｐ— ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ；ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ｆｉｎｉｔｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｔｕｎａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ １ 引 言 上的灵活性 Ｊ。本文提出了具有３×３结构环形谐 光子晶体滤波器是光路集成化的一种重要器 振器的Ｔ形光子晶体滤波器，利用时域有限差分法 件，该器件是通过光子晶体波导与光子晶体谐振腔 研究与分析了该结构两端口电磁波传输率，及其场 的相互耦合，能够根据需要提取谐振信号，不干扰其 强分布图。 他通频带传播的信号¨－２］。目前已有多种类型的滤 ２理论模型与计算方法 波器结构，例如布拉格光纤光栅（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔ－ ２．１ 理论模型 ｉｎｇ），法布里一珀罗滤波器（Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ ｆｉｌｔｅｒ），阵列 图１所示的结构是一种典型的环形谐振器，其 波导光栅（ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）等。本文研究 晶格常数为。，介质柱半径为ｒ＝０．１８５口。 的滤波器使用了具有更好滤波特性的光子晶体环形 为取得更好的耦合效果＿５ Ｊ，近来通过优化设计 谐振器，取代了点缺陷谐振腔，其工作原理是根据环 光子晶体谐振器，采用了一种更为适合的结构，耦合 形谐振器的通频滤波性和光子晶体波导与谐振器的 介质柱的半径取值为０．８ ｒ，四个半径为ｒ的相同介 耦合机制。该器件通过使用结构紧凑的环形谐振 质柱，分别放置在环形谐振器拐角的半个晶格常数 器，能够高效传输光子晶体带隙中的谐振频率电磁 处，以减少环拐角处电磁波向后的反射。通过把环 波＿３～ｊ。谐振器尺寸的大小可根据所需要的谐振波 长和谐振器的品质因数及腔体积来决定 。与点 基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．６０８７１０４７）资助。 缺陷及线缺陷光子晶体谐振腔相比较，ＰＣＲＲｓ的多 作者简介：吴立恒（１９８０一），男，在读硕士生，主要从事光子晶 体方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｌｉｈｅｎｇｌｃｔｕ＠１６３．ｃｏｒｎ 模特性提供了该结构尺寸上的可测量性和模式设计 收稿日期：２０１０－１１－０９ 激光与红外 第４１卷 线组３和４、曲线组５和６，可知随着滤波器整个结 ＿＿０一曲曲一■∞虿 口∞Ｈ—ｌ＿时－旨口 调性滤波器或电光开关等多功能微型器件。因此该 构介质柱相对介电常数增加，其开关波长向长波方 向移动。我们能够利用电光材料的电光效应，或利 用热光材料的热光效应，以获取介质材料的不同相 结构在光子晶体集成制作、光通信器件制作等方面 具有潜在的应用价值。 参考文献： ［１］ Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ Ｅ．Ｉｎｈｉｂｉｔｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ＳＯｌｉｄ． ｓｔａｔｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ，１９８７， ５８（２０）：２０５９—２０６２． 对介电常数，因此该结构可以实现可调性滤波器、或 电光开关等多功能微型器件，在光子晶体集成制作、 光通信器件制作等方面具有潜在的应用价值。 ［２］ Ｊｏｈｎ Ｓ．Ｓｔｒｏｎｇ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｓ ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ｄｉｅｌｅｃｔｉｒｃ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ，１９８７，５８（２３）： ２４８６—２４８９． ［３］ Ｑｉａｎｇ ｚ，Ｗｅｉｄｏｎｇ Ｚｈｏｕ，Ｓｏｒｅｆ。Ｒ Ａ．Ｏｐｔｉｃａｌ ａｄｄ－ｄｒｏｐ ｆｉｌ－ ｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔｌａ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００７，１５（４）：１８２３—１８３１． ［４］ Ｍａｎｏｌａｔｏｕ Ｃ，Ｋｈａｎ Ｍ Ｊ，Ｆａｎ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｍｏｄｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｈａｎｎｅｌ ａｄｄ－ｄｒｏｐ ｆｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｅ（ａ／Ａ） Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｏｎ，１９９９，ｒ３５（９）：１３２２—１３３１． 图４改变Ｔ形滤波器结构相对介电常数改变 ［５］ Ｇｈａｆａｒｉ Ａ，Ｊａｖｉｄ Ｍ，Ｍｏｎｉｉｆ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔｌ ｔａｕｎａｂｌｅ ａｄｄ－・ｄｒｏｐ ｆｉｌｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｉｎｇ ｒｅ－． 对其两端１３舆率的影响 以图３为例，图５显示了三个不同波长分别在 该滤波器结构中传播形成的场强分布，在图所示的 背景上都存在轻微的波纹，这是电磁波在此结构传 输泄露产生的结果，最后泄露的这部分电磁波将被 ＰＭＬ层吸收掉。图５（ａ）显示了该滤波器工作于 ｓｏｎａｔｏｒｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥ．ＬＥＯＳ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｆｌｏｒｉｄａ，ＵＳＡ， ２００７：３５１—３５２． ［６］Ｄｉｎｅｓｈ Ｖ，Ｋｕｍａｒ，Ｓｒｉｎｉｖａｓ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｉｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｊ］．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ—Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２００４， １５５５ ｎｍ开关波长处的电磁波传输场强分布；图５ （ｂ）显示了环形谐振器非谐振时，该结构水平方向 ２（３）：１９９—２０６． ［７］Ｄｊａｖｉｄ Ｍ，Ｍｏｎｉｆｉ Ｆ，Ｇｈａｆｆａｒｉ Ａ，Ａｂｒｉｓｈａｍｉａｎ Ｍ Ｓ．Ａ ｎｅｗ ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｌ・ｓｈａｐｅｄ ｂｅｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｒｉｎｇ 集中传输波长为ｌ５１４ ｎｍ的电磁波场强分布；图５ （ｃ）显示了环形谐振器谐振时，该结构的垂直方向 集中传输波长为１５８０ ｎｍ的电磁波场强分布。 ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ［Ｃ］／／ＰＩＥＲＳ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ， ２００８：１０９７—１０９９． ［８］Ｄｊａｖｉｄ Ｍ，Ｇｈａｆａｒｉ Ａ，Ｍｏｎｉｉｆ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ－ ｔｕｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ａｄｄ—ｄｒｏｐ ｆｉｌｔｅｒ 一 （ａ） （ｂ） ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｏｕｔｐｕｔｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ ＬＥＯＳ ２０ Ａｎｎｕｍ Ｍｅｅｔｉｎｇ，ＦＬ， ＵＳＡ。２００７：２０２—２０３． ［９］Ｄｊａｖｉｄ Ｍ，Ｇｈａｆｆａｒｉ Ａ，Ｍｏｎｉｉｆ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｗ－ ｅｒ ｄｉｖｉｄｅｒｓ ｕｓｉｎｇ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｂｅｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ 图５ ＴＭ波在Ｔ形滤波器中传播场强分布 ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ Ａｍ Ｂ，２００８， ２５：１２３１—１２３５． ４结论 ［１Ｏ］Ｚｈｕ Ｚ，Ｂｒｏｗｎ Ｔ Ｇ．Ｆｕｌｌ－ｖｅｃｔｏｒｉａｌ ｉｆｎｉｔｅ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００２， １０（１７）：８５３—８６４． 本文利用时域有限差分法研究了带有环形谐振 器Ｔ形光子晶体滤波器结构对ＴＭ波的滤波特性， 主要包括该滤波器两端口电磁波传输率及电磁波在 ［１ １］Ｇｏｌｄｂｅｒｇ Ｍ．ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｒｉｔｅｉｒａ ｆｏｒ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ａｐｐｒｏｘｉ－ 该结构传输场强分布图，并分析了整个结构介质柱 相对介电常数改变对其开关波长的影响。研究结果 表明：该结构具有可调性开关波长、宽频带、高传输 ｍａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，２０００，３３（１—４）：５０９—５１５． ［１２］Ｂｅｒｅｎｇｅｒ Ｊ Ｐ．Ａ ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ ｍａｔｃｈｅｄ ｌａｙｅｒ ｏｒｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔ Ｐｈｙｓ．１９９４， １１４（２）：１８５—２００． 率、结构紧凑、体积小等优点，可以实现开关波长可
