基于EIT共振的Ψ形光子解复用器的设计与分析研究

《Optik》：Design and Analytical Study of a Ψ-Shaped Photonic Demultiplexer Based on EIT Resonances

光子解复用器设计基于电磁诱导透明（EIT）共振效应，采用单输入三输出波导结构，各输出通道集成双侧耦合谐振器，通过优化波导长度实现特定频段全传输与其它通道抑制，反射最小化。EIT共振产生的传输零点确保精准波长分离，适用于高效率电信网络。

　　

尤尼斯·埃鲁阿斯（Younes Errouas）|伊利亚斯·埃尔·卡德米里（Ilyass El Kadmiri）|优素福·本-阿里（Youssef Ben-Ali）|德里斯·布里亚（Driss Bria）

摩洛哥贝尼梅拉尔苏丹穆莱·斯利曼大学（USMS）国家应用科学学院霍里布加分校（Khouribga）工程科学与技术实验室（LaSTI）

摘要

本文详细分析了一种基于电磁诱导透明性（EIT）共振的光子解复用器的设计方法。该解复用器由一个输入波导和三个输出分支组成，每个输出分支包含两个侧耦合谐振器，这些谐振器位于与主输入线特定距离的位置。通过详细分析，我们推导出了将单个传播模式选择性地传输到其中一个输出分支而不影响其他分支的公式。这种选择性传输是通过EIT共振现象实现的，即一个共振被两个传输零点所夹住，从而在一个输出分支中实现全传输而在另一个分支中阻止传输。格林函数方法使我们能够确定传输和反射系数。由于能够在某个输出分支中实现全传输并在其余分支中实现反射抑制，这种解复用器在电信应用中具有特别的前景。

引言

光子解复用器是光通信系统中的重要组件，尤其是在波分复用（WDM）网络中。它们可以从波分复用信号中分离出多个不同波长的光信号。这种路由方式使得网络可扩展，减少干扰，并支持高数据速率通信。因此，在下一代电信网络的实际应用中，对光子解复用器的需求日益增加[1]、[2]。

研究电磁波如何在具有周期性结构的材料中传播是现代物理学和技术的核心问题。光子晶体（PCs）是一种周期性介电结构，其特征是存在特定的频率范围，称为光子带隙，在这些频率范围内电磁波的传播受到抑制。这些带隙（PBGs）阻止了某些频率范围内的波的传播[3]、[4]。光子带隙（PBGs）因其诸多优点而受到广泛关注。光子晶体（PCs）已被广泛应用于光通信系统、滤波器和解复用器等光子器件中。这些功能可以通过完美或有缺陷的光子晶体来实现，而在某些领域，有缺陷的结构甚至可能表现出比完美结构更好的性能[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。

最近，一些研究提出了由狭窄传输带和宽带隙组成的一维光子晶体模型[1]、[2]、[3]。这是一种梳状结构，或者更一般地说，是一种在一维波导的每个位置上附有N′个谐振器的结构。此外，还有报道称由于在梳状结构中引入缺陷分支，这些带隙中出现了局域态[9]、[10]、[11]。

波导与一个或多个谐振器之间的耦合已被广泛研究并用于产生电磁诱导透明性（EIT）共振[12]、[13]、[14]。这种方法也有利于设计光子晶体解复用器。其基本机制依赖于光子晶体波导内的EIT和类似法诺（Fano）的共振，从而实现高光谱分辨率，同时保持较高的传输效率和高品质因数。

光子解复用器是当前光通信系统中的关键设备，特别是在波分复用（WDM）网络中，它们将复用的光信号分割成单独的波长通道[15]、[16]。这有助于更有效地控制高速数据通信并提高带宽利用率。光子晶体的特殊性质，例如形成光子带隙的能力，使得可以制造出紧凑、低损耗、高精度的解复用器[17]、[18]。新的发展利用法诺和EIT共振现象来提高光子解复用器的分辨率和品质因数[19]、[20]。对于下一代光网络而言，这些结构非常重要，因为它们提供了可扩展性、减少干扰以及提高数据传输效率。

迄今为止，已经报道了许多新型的类似EIT的系统，这些系统在这一领域展示了出色的概念和技术突破。近年来有许多研究表明，EIT效应也可以在各种人工结构（如光子、等离子体和声学系统）中实现，并且更重要的是，可以对其进行工程设计，为研究有趣的波动现象和控制能量集中提供了有前景的方法[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。

我们提出了一种基于电磁诱导透明性（EIT）共振的易于实现的光子解复用器设计。该结构由一个$\psi$形状的波导组成，具有一个输入臂和三个输出臂（图1）。每个输出分支由两个这样的短臂组成，这些短臂位于距离输入臂特定位置的位置。电磁诱导透明性（EIT）共振处的传输零点使我们能够获得精确的分析公式，以实现选择性的路由和引导单个行波。这导致通过特定的波导分支进行选择性的模式传输，而所有其他分支则被抵消。这种光谱和相位选择性的传输对于充分利用光子器件的性能至关重要，它们代表了向集成光子系统发展的新有效途径。

本文提出的解复用器具有几个显著的优势：

i)

其制造过程简单，每个输出通道只需要两个谐振器，而不需要具有结构缺陷的周期性配置。

ii)

结构简单，允许进行完整的分析处理，从而可以推导出实现理想解复用所需的波导长度的精确表达式。

iii)

通过调整两个短臂的长度，原则上可以无限提高共振峰的品质因数。

需要强调的是，我们的发现准确性依赖于这样一个假设：波导的横截面积相对于其长度和传播波的波长可以忽略不计。在这些条件下，系统可以近似为支持单模传播，从而确保高阶模式被抑制。在这项工作中，我们采用了类似的概念来实现电磁诱导透明性（EIT）共振和在电信范围内工作的光子解复用器。分析是通过一维（1D）格林函数形式主义[13]、[14]、[19]、[20]进行的，从而能够精确确定实现高效解复用所需的波导长度，并对获得的结果提供清晰的物理解释。

本文的结构如下：第二节介绍了基于格林函数的传输和反射率的推导。第三节展示了如何实现一个输出模式的全传输，同时抑制其余两个通道的传输，并且在输入端没有反射。第四节总结了这项研究的主要发现。

章节摘录

理论分析

图1中的结构包括一个输入波导，在交汇处（点1）分成三个输出。前三个输出分支由两个短臂（长度分别为d₁₂和d₁₃）组成，位于距离输入点d₁₁的位置。第二个输出分支由距离点3分别为d₂₂和d₂₃的两个短臂组成，这两个短臂与输入点的距离为d₂₁。第三个输出分支的布置类似，也有两个长度分别为d₃₂和d₃₃的短臂，位于

结果与讨论

本研究表明，通过适当调整结构参数，可以在三个输出端口同时实现窄分离频率带上的全传输。通过详细的代数推导，我们证明了在三个相邻频率上获得1₁=1、T₂=1和3₃=1需要仔细选择系统的结构长度。具体来说，九个参数< />₁₁、d₁₂、d₁₃、d₂₁、d₂₂、d₂₃、d₃₁、d₃₂、d₃₃必须满足以下条件

结论

本文介绍了一种由波导和谐振器组成的三通道频率分割解复用器。理论上讨论了基于十字形结构的光子解复用器的可能性。该技术利用了结构中的类似EIT的共振，从而实现了高效和完美的解复用。该设备由一个输入波导和三个输出分支组成，其中两个侧耦合的短臂位于距离输入点特定距离的位置。

利益冲突声明

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

作者贡献声明

尤尼斯·埃鲁阿斯（Younes Errouas）构思并设计了这项研究，进行了模拟，并撰写了初稿。伊利亚斯·埃尔·卡德米里（Ilyass El Kadmiri）参与了理论分析并协助数据解释。优素福·本-阿里（Youssef Ben-Ali）和德里斯·布里亚（Driss Bria审阅和编辑了手稿，并监督了整个研究活动。所有作者都阅读并批准了最终稿件。

CRediT作者贡献声明

德里斯·布里亚（Driss Bria）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，监督。伊利亚斯·埃尔·卡德米里（Ilyass El Kadmiri）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证。优素福·本-阿里（Youssef Ben-Ali）：可视化，验证，监督。尤尼斯·埃鲁阿斯（Younes Errouas）：撰写 – 初稿，可视化，方法论，研究经费获取，形式分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。