基于平板光子晶体反对称多模干涉效应的2×2超微光功分器张军1于.DOC

基于平板光子晶体反对称多模干涉效应 的2×2超微光功分器 张军1（12×2超微光功分器。通过调制多模干涉区内的一对空气孔的有效折射率，可以获得任意的光功率分配比。作为示例，设计了一款3dB 2×2光功分器，时域有限差分法的模拟结果表明，该器件不仅结构超微，而且输出效率高达97%。这种方法可以推广到M(N 光功分器，在光集成回路中具有潜在的应用价值。 关键词 功分器；多模干涉；光子晶体波导；集成光子学 中图分类号 O439 文献标识码 A Ultracompact 2×2 Power Splitter Based on Asymmetric Multimode Interference Effect in Photonic Crystal Slab Zhang Jun1 Yu Tianbao1,2,* Hu Airong1 Wang Tongbiao1 Department of Physics, Nanchang University, Nanchang 330047, China) The State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, CAS, Beijing 100083, China) Abstract A new kind of 2×2 ultracompact power splitters based on asymmetric multimode interference effect in photonic crystal multimode waveguides is studied. Arbitrary splitting ratio can be achieved by modifying the effective refractive indices of one pair of air holes in the multimode region. As an example, a 3dB ultracompact 2×2 power splitter with output efficiency as high as 97% is presented with finite-difference time-domain simulations. The method can be extended for the design of M(N PSs for photonic integrated circuits applications. Keywords Power splitter, multimode interference, photonic crystal waveguides, integrated photonics. 集成光电子国家重点实验室（半导体研究所）开放课题（批准号：IOSKL-KF200901），江西省教育厅科学研究课题（批准号：GJJ11301）资助课题. 张军（1987-），男，硕士研究生，主要从事光子晶体理论和器件设计研究. *通信作者E-mail：yutianbao@ncu.edu.cn 1 引言 光子晶体是一种介电常数在空间呈周期性变化的人工微结构材料[1, 2], 其优越特性为基于光子晶体的大规模光子集成提供了优越的功能特性，为实现光子集成回路(PIC)带来了新的机遇。与半导体材料中的电子在周期性势场作用下存在能带相类似，光子晶体也具有光子能带及带隙，频率落在带隙范围内的光将不能在其内部传播。若在光子晶体内引入某种程度的线缺陷，光子带隙内会形成缺陷模[3]，与缺陷模的频率相吻合的光子可以沿着线缺陷进行传播，这就是光子晶体波导。光子晶体波导由于具有传输效率高、体积小和拐弯处损耗几乎为零等优点[4]，使其在设计和制作光子器件方面受到了广泛的关注。当波导支持多个传输导模时形成光子晶体多模波导，并展现出自映像效应[5-8]，即输入场沿着波导的传播方向被周期性地复制成单重像和多重像。多模波导具有低损耗、结构紧凑、制作简单和容差性好等优点[5]。 光功分器是组成PIC的重要光学元器件。我们曾提出了一款超微的基于光子晶体介质柱型多模波导的多路光功分器[9]，该功分器基于对称多模干涉(MMI)效应，2010年丹麦科研人员在光子晶体平板结构中实验证实了这类1(3光功分器[10]。但是，这种基于对称多模干涉效应受限于单路输入多路输出，难于实现多路输入输出。而反对称多模干涉效应能用来实现多路输入输出，应用于M(N光功分器。对于反对称MMI型光子器件的研究相对较少，因为当光场反对称入射到MMI区时能激发所有可能的模式，被激发的奇模和偶