小型环形谐振腔的微波光子基于光子晶体波导滤波器教材.docx

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小型环形谐振腔的微波光子基于光子晶体波导滤波器教材

小型环形谐振腔的微波光子基于光子晶体波导滤波器

状态信息光子学与光通信重点实验室，

我们设计了两个微波光子滤波器（陷波滤波器和带通滤波器）的基础上的绝缘体上硅

（SOI）的光子晶体波导的60GHz的单边带信号在光纤无线电（ROF）系统。

通过影响相邻的光子晶体波导孔前两排的半径，我们得到的一个广泛的可忽略色散带宽和相应的恒定的低群速度。

与缓慢的光的作用，延迟线滤波器可以同时提供相同的延迟时间显著减少光纤延迟线。

仿真结果表明，该陷波滤波器的延迟线的长度是只25.9μM，和它有一个自由光谱范围130GHz，基带的宽度（BW）的4.12GHz，22分贝的缺口深度。

带通滤波器的长度是62.4μ米，具有19.6dB的消光比4.02GHz的带宽，并可以为减少9分贝的接收数据的信噪比的要求10−7比特差错率。

证明微波光子晶体滤波器可以用在未来的高频毫米波ROF系统。

1．简介

近年来，出现了快速的改善60GHz的毫米波在光纤无线电（ROF）因为它可以在一个未使用的频谱，操作系统。

的ROF系统的优点在于它的中央管理的建筑，这意味着复杂的电子信号处理可以集中在中央办公室。

由于这个原因ROF系统可以减少网络数元素，因此网络的成本和功耗可以减少。

虽然标准达到（∼20公里）ROF接入网得到了更多的关注，有小的注意力都集中在朗里奇（大于100公里）的ROF系统。

一个可能的原因是长距离光纤可以导致严重的色散。

它增加了不同延迟的的边带和载波。

例如，传统双边带（DSB）调制可能导致重复的长度取决于功率波动问题，这光载波抑制（OCS）调制通常是用来解决。

不过，OCS也可以导致严重的时移由两个由于色散数据音调。

它导致不可接受的误差率在传输。

单边带（SSB）ROF系统还可以减少功率衰落的影响和时移，但需要严格的光学单边带陷波滤波分离载体和侧音。

微波光子晶体滤波器（MPF）为基础的在环形谐振器的简单和可调性和显示出良好的应用潜力在有前途的ROF系统[8]。

该过滤器可以也可用于抑制噪声和信道干扰在前端状态缓解后，只是接收天线。

在MPF的关键设备是光纤延迟线，可使用光纤布拉格光栅，波导，和光纤10–[13]。

在这些方法中，该光纤环谐振器的应该是最简单的方法无限脉冲响应MPF。

然而，纤维

环形谐振腔也有个限度，纤维可以弯曲由于其有限的长度，从而导致MPF尺寸的增加。

为了解决这一问题，我们引入了光子晶体作为自慢光延迟线性能可以有效地减少的长度谐振器。

在光子晶体慢光了在光通信领域的研究热点。

光子晶体是一种材料的折射率指数的周期性变化。

二维光子晶体的结构，取得了很多关注，因为他们允许各种有源和无源集成设备，具有光子集成中的潜在用途[20]18–电路。

因此，光子晶体结构能够保持最大的兼容性与现有的CMOS制造设施，而MPF大小可能很严重对于慢光的低群速度降低波导。

在本文中，我们提出了两种超小型硅绝缘体（SOI）的微波光子滤波器一个60GHz的SSB ROF系统基于慢光子晶体的影响。

其中之一是一个缺口我们称之为MPF1过滤器，其中有一个自由光谱范围（FSR）为130GHz，基带的宽度（BW）的4.12GHz和22dB，切口深度。

另一个是一个带通滤波器，我们称之为mpf2，其中有一个60GHz的FSR，一个4.02GHz的19.6dB的消光bwand比。

这些都是利用慢光的实现光子晶体作为延迟线。

慢光特性由光子晶体结构提供可通过调整其几何结构的优化。

光子晶体波导的群速度设计为小于1%的光在真空中的速度（群折射率ng_＝89）;因此，长度延迟线可以减少1.59%的纤维环谐振器（nfiber＝1.42）.

2．理论分析

A.原则MPF1

光纤环谐振器具有广泛的应用前景在微波和RoF信号处理过滤器。

陷波滤波器的MPF1配置基于光子晶体环形谐振器显示示意图。

陷波滤波器MPF1由两部分构成的不同晶格常数光子晶体在相同的SOI材料的设计。

上一个作为耦合区域，而另一个是波导环作为一个延迟线。

光子晶体结构是一个空气孔板（黑区图1）在硅（图1中的灰色区域），这是在由二氧化硅牺牲层。

我们可以腐蚀和通过湿法除去二氧化硅牺牲层获得纳米空气桥的方法。

光介绍了1端口波导的引入，在硅表面层传播，然后出口从端口4。

图1。

（色在线）滤波器的原理图。

（a）MPF1（b）mpf2。

PC，光子晶体。

入射光为TE偏振，这意味着光场具有主导电场分量的EZ导向平行于衬底的平面和垂直于波导方向。

的在上两个平行波导光子晶体作为一个定向耦合器[23,24]。

指

图。

1，耦合强度恒γ由下式给

jE3j2_jE4j2__1−γ__jE1j2_jE2j2_;

（1）

其中EI在我口的复振幅。

在波导中的复振幅耦合器是入射场的振幅有关的；它可以表示为[21]

其中K是强耦合系数，这指光强度的百分比组成从一个波导耦合到另一个。

延迟线光子晶体返回端口2为环；因此，光将运行直到达到平衡。

E2和E3之间的关系

在δ是延迟线的衰减系数，延迟线的光子晶体波导的长度，NG的群折射率，f是频率

入射光，和c是真空中的光速。

方程

（2）和（3）可用于传输解决财产∕E1和E4γ，K，δ价值，βL；传输表现

变量的值可以通过优化的MPF1光子晶体结构。

B. mpf2原则

陷波滤波器后可以用光电调制器实现单边带信号。

我们还提出了微波光子滤波器作为一个带通滤波器，这可以减少信道噪声增加信噪比（SNR）。

配置带通滤波器mpf2在图1b显示的mpf2也由两部分组成。

材料和基本结构是几乎相同的MPF1除外对延迟线和结构的长度耦合器地区的港口。

延迟线的长度因为两个MPFS FSR是不同的变化。

从2×耦合器的端口结构有改变2到1×2，从端口3回港，1出口灯循环如环；因此，电场的变化在时间域相关

其中T是由延迟线的延迟时间的消耗光子晶体波导，δ2是延迟传输系数，和γ2耦合

折射系数可以实现频率傅里叶变换光谱的。

它表现为

E2_f_andE3_f_是谱输入的mpf2输出电域，分别。

对MPFS FSR可以通过计算∕NGLC。

一种用于60GHz的最佳切口MPF单边带调制的ROF系统应该提供更多的可行性研究报告超过120 GHz的过滤下边带；适当FSR带通为60GHz，他们应该有简单的片上集成的紧凑的尺寸。

我们的论文正是基于这样的分析，提出了两种MPFS更好的实用潜力和更紧凑的比传统光纤谐振腔的MPF。

3。

对MPFS结构优化

通过上述分析，情商。

（3）和（5），我们可以看那群折射率有很大影响延迟线的长度，延迟时间是什么时候固定的。

这意味着慢光可以大大提高延迟在光子晶体结构的影响，从而大大降低了山区的大小。

如今，许多方法已被用来实现宽带高纳克的慢光ng。

这些方法包括减少波导宽度，扰动半径空气孔，和垂直的第一拨，和空气孔的第二行–28[25]。

一个高纳克，有通常是一个大的群速度色散（GVD）和小的频带宽度；因此，一个缓慢的

光波导应该有一个大的平坦区域NG曲线。

在我们的设计中，我们采取的影响分散的考虑。

与结构调整和优化，我们得到一个平坦的地区的ng曲线2.7nm，当ng＝89在一个±10%

标准，因此提出了可工作在MPFS低色散、大ng区。

光子晶体波导（PCW）循环空气孔，具体表现在图2。

半径对空气孔对称相邻的第一行在波导的第二行R1，R2的半径，与其他常见的空气孔半径为r。

第一行的垂直和水平转移线缺陷，当移动距离的空气孔通过ΔX和Y表示。

我们表示为格A1

延迟线恒，常见的空气孔的半径r＝0.32a1,板的厚度为240nm，和背景材料的折射率硅neffc＝2.84.，D是传统的PCW的宽度_

。

在优化结构，a1＝419nm.。

平面波展开法对光子晶体波导的分析。

常见的二维三角晶格光子晶体圆形的空气孔的支持的偶数和奇数模式在光子带隙。

一种空气孔结构，的慢光效应的机制通常是保持相干散射。

奇怪的模式很难与单模介质耦合由于对称性不匹配的波导，而甚至差距最集中的导模

在波导[ 29,30]。

同时，偶模可以用零υg条件达到理想的带的形在拐点的结构优化11。

因此，我们只讨论甚至模式。

作为图3显示，我们提出的结构，模式我们关心的是具有低的和平坦的群速度。

我们使用商用Rsoft软件模拟采用二维有限差分在PCW模式时域方法。

群折射率引导的模式，可以通过简单的确定的能带图[34]31–导数。

我们计算NG不同结构参数图4所示

（一）。

可以看出，该集团的折射偶模带边缘的指标是非常小的。

再者，优化后的结构有一个平坦的区域，以减少群速度色散，如图4（b）；虚线表示，中央的±10ng＝89.

结构参数优化后的慢光光子晶体波导是r1＝0.8r,r2＝1.12r,ΔX＝0.1a,ΔY＝0.14D.，由于山区有不同的长度，透过率是89.26%，MPF1和92.31%为mpf2。

许多光子晶体定向耦合器之间，一个基于波导耦合器提供了一个紧凑的长，这意味着与其他柔性集成光学器件。

的波导耦合器的理论是这样的，当光通过两个平行的波导，电力将定期从另一波导，周期长度Lc，相关到

奇怪的是，在β甚至β的传播常在工作频率的偶模和奇模，分别。

图5（a）显示的传播优化的耦合常数。

如果我们限制了耦合器的长度，我们可以得到任何强度耦合系数需要。

在本文中，我们限制长度为61a2，在A2是格恒定的耦合器。

在本文中，a2_＝423nm电场的图片发送耦合器和传输曲线所示图。

我们可以看到，能量耦合系数K 等于91%。

通过调整两个波导之间的排，我们可以实现短耦合长度。

我们更改行的半径0.28a2；然后减少到59a2耦合器的长度。

4.MPFs性能分析

本节讨论MPF性能。

图6显示了60兆赫SSB ROF系统两个不同的光子与电光调制，

DSB信号有两个边带的光声60GHz除了从载体的语气。

如图6所示，MPF1作为陷波滤波器实现单边带Mach森德调制器（MZM）后的信号，而mpf2作为噪声抑制和信道在前端状态的干扰缓解。

的源可以被看作是一个高斯函数。

随着无线电频率为60GHz，我们设置的FSR130 GHz载波MPF1保护色调上边带。

根据，FSR＝c∕ngL,延迟线的光子晶体的长度是25.9μM。

过滤性能曲线如图7所示；它有一个，FSR130GHz，一个带宽为4.12GHz的，和一个缺口深度22分贝。

通过100多公里后发送单模光纤（SMF），单边带信号进入该mpf2，可用于抑制噪声。

用于60GHz无线电频率，mpf2 FSR的为60GHz，延迟线的长度是62.4μM和带宽为4.02 GHz的。

图8（b）显示比特错误率（BER）的基带性能非归零（NRZ）的selfbeating产生的信号在较高的波长带的在ROF系统的光电二极管。

我们可以看到可降低信噪比的接收数据的要求9分贝，与使用ofmpfs相同的BER。

5。

结论

提出了两种基于不同的ultracompactmpfs一个60GHzRoF系统带环形谐振腔。

通过

利用光子晶体慢光延迟线，山区的大小减少到1.59%的光纤环谐振器。

一个优化的设计与低色散和低损耗的结构，我们实现延迟线结构。

信噪比的接收要求数据可以用相同的误码率减少9分贝使用强制性公积金计划。

这表明MPFS可以作为在未来的60GHz的SSB系统关键设备。

这项研究部分由美国支持的国家973计划（第2012cb315705）的国家863计划（第2011aa010303，2011aa010305，和2011aa010306），中国。

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