基于光子晶体高级次反射膜空间解复用器的研究

　　密集光波分复用(DWDM)技术是当前光纤通信系统研究与应用的热点[1]。从同时传输的多个波长信道中选取所需的信道波长并予以接收,是DWDM技术应用于通信系统并发挥其强大功能的关键[2]。因此光波分复用和解复用器是密集波分复用系统中的重要元件。目前实现这类器件的基本方法有:介质波膜滤光片,光纤布拉格光栅,阵列波导光栅等等,而介质薄膜滤光片由于温度稳定性好,工艺成熟,成本低等特点被广泛应用。但这种介质薄膜滤光片设计存在一个主要缺陷,即一个滤光片只能解复用单一通道,而多层薄膜的空间解复用器为克服这一缺陷提供了可能。见图1。因此,现在很多研究者相应提出各种色散较大的薄膜结构设计,如多周期高反射膜结构,双啁啾反射镜结构,Fabry-Perot腔结构等。一般而言,通过增加常规高反色膜周期数可使薄膜总的物理厚度增加,从而获得大的群迟延和空间色散,但随着周期数的递增,使实际制备非常困难。对于上百个周期的膜系,虽可用光控法直接监控其厚度,但非常困难,如用石英晶振监控存在精度不够,膜系太大的问题。本文所提出的多层薄膜结构是对常规高反色的一种改进,通过增加周期中单层膜的厚度,即增加级次,使光波在膜堆单层膜中传播的群延迟延长,因此即使高反射膜的周期数不多,依然有较大的空间色散,从而降低多层薄膜空间解复用器的制备工艺难度。

　　1　“超棱镜”效应原理

　　光子晶体的超棱镜效应是一种群速度效应。在结构上,多周期布拉格反射镜相当于一维光子晶体,在高反射区(禁带)附近的波长区域具有较大的色散性,相位出现急剧变化,而相位的变化使得不同的频率的光波在通过周期性介质膜堆时的群延时τ不同,造成了一种时间色散。如果有一束倾斜入射的包含多个频率的光波通过一个介质膜堆时,由于不同频率的光波所对应的群传播角不一样,而使出射光束在侧向方向将会各自分开,造成一种空间侧向位移,由此实现了对光波的空间解复用。

　　对于接近禁带边缘区域,一维周期介质膜堆结构会呈现出波长会随着相速度与群速度的变化而快速变化的特性。我们主要研究沿着传播方向的光束,因此我们只需要考虑群传播角。在没有出现大部分能量的损耗的情况下,波长矢量K在X与Z方向上都具有相应的矢量值,因此可以用K =βX +κZ表示。对于周期数的一维结构,晶体的色散性质可以用Bloch理论来建模。

　　我们用等式(1)来表式光子晶体中的群速度,在等式(1)中X方向上的群速度νgx与Z方向上的群速度νgz分别通过表达式(2)与(3)来表式。

　　这样,群传播角可以通过等式(4)来计算得出