專利名稱：光子能帶結(jié)構(gòu)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子能帶結(jié)構(gòu)裝置。具體說，本發(fā)明涉及采用光子能帶結(jié)構(gòu)的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，和該結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
背景技術(shù)：
光子能帶結(jié)構(gòu)裝置可供一系列不同光學(xué)系統(tǒng)采用，用于提供光信號處理。具體說，平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中采用的光子能帶結(jié)構(gòu)，在集成光路或電信系統(tǒng)中提供一系列功能。這種類型的光子能帶結(jié)構(gòu)還能用于其他的應(yīng)用，如生物傳感器和光儲存器系統(tǒng)。
BTG International Limited申請的WO 98/53351，對平面波導(dǎo)中的光子能帶結(jié)構(gòu)，給出詳細(xì)的說明。光子能帶結(jié)構(gòu)由埋在背景區(qū)中的子區(qū)晶格提供。開始時，子區(qū)是在電介質(zhì)波導(dǎo)中蝕刻的簡單的孔。該領(lǐng)域的發(fā)展，導(dǎo)致使用一種電介質(zhì)材料在不同電介質(zhì)材料的背景區(qū)中形成子區(qū)。這種發(fā)展，在共同待決的美國專利申請序號10/196,727中說明，該專利由Mesophotonic Limited申請。
光子能帶結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，即光學(xué)響應(yīng)，確定它對特定功能的用途。光子能帶結(jié)構(gòu)取決于獨(dú)立的因數(shù)數(shù)量，諸如子區(qū)陣列的幾何形狀、每一子區(qū)的幾何形狀、和使用的材料等獨(dú)立因數(shù)的數(shù)量?？梢栽O(shè)計光子能帶結(jié)構(gòu)，使能帶隙或能帶邊緣出現(xiàn)在特定的波長上，但這些結(jié)構(gòu)常常受不需要的性質(zhì)之害，遠(yuǎn)離為它設(shè)計的特定波長。特別是，由于光子能帶結(jié)構(gòu)的有限長度，能夠形成接近能帶邊緣的Fabry-Perot諧振。對用于載運(yùn)多個波長的系統(tǒng)中的裝置，或使用光子能帶結(jié)構(gòu)的變化的開關(guān)裝置，這種能帶邊緣的Fabry-Perot諧振能夠?qū)е滦阅艿膰?yán)重喪失。
本發(fā)明的目的，是提供一種更為靈活的光子能帶結(jié)構(gòu)，它可以修改，以滿足特殊光學(xué)應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面，一種光子結(jié)構(gòu)，包括由有第一折射率的材料形成的第一區(qū)；和在第一區(qū)中形成的子區(qū)陣列，每一子區(qū)的折射率不同于第一折射率；其中，子區(qū)陣列形成許多行及列，其中，每一行中每一子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，和每一行上子區(qū)的性質(zhì)相對于相鄰行的性質(zhì)，由第一類參數(shù)定義，而每一行相對于相鄰行的位置，和沿每一列的子區(qū)的性質(zhì)，由第二類參數(shù)定義，和其中，至少一個第一類參數(shù)和至少一個第二類參數(shù)，系統(tǒng)地在陣列上變化，該至少一個第一類參數(shù)的變化與該至少一個第二類參數(shù)無關(guān)。
本發(fā)明產(chǎn)生的光子能帶結(jié)構(gòu)，能夠為適應(yīng)特定應(yīng)用而修改。第一類參數(shù)的變化與第二類參數(shù)的變化有不同的作用。按照過分簡單的看法，第一類參數(shù)的變化，改變一疊行中每一行的衍射性質(zhì)，而第二類參數(shù)的變化，影響該結(jié)構(gòu)的反射性質(zhì)。實際上，一個參數(shù)變化的作用永遠(yuǎn)不能完全地孤立，一種變化總與另一種變化相互作用，整個地改變該結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。
本發(fā)明要求第一組參數(shù)的一個參數(shù)變化和第二個不同組的參數(shù)的一個參數(shù)變化。
系統(tǒng)地變化是指按照一些簡單函數(shù)或簡單函數(shù)組合的變化。例如，子區(qū)的間隔可以在陣列上線性地增加，或該間隔可以按正弦函數(shù)改變。大致上說，子區(qū)是按一些基本晶格結(jié)構(gòu)排列的，這些基本晶格結(jié)構(gòu)是一些經(jīng)過精心處理的種類。陣列依然可以由一對與行和列對應(yīng)的基底定義。
第一類參數(shù)與第二類參數(shù)的獨(dú)立變化，不包括等同于第一類參數(shù)和第二類參數(shù)變化的單個參數(shù)變化。這種情形的一個例子，是子區(qū)間間隔沿傾斜于定義晶格的行和列兩個方向的變化。這種類型的變化，將產(chǎn)生陣列上每一行內(nèi)子區(qū)間間隔的第一種變化，和陣列上行間間隔的第二種變化，即第一類參數(shù)的變化和第二類參數(shù)的變化。但是，該第一種變化和第二種變化不是相互獨(dú)立的，因為它們是沿另一個方向的單個變化產(chǎn)生的。
在陣列上是指在沿不平行于行方向的陣列范圍之上。
使用中，光信號入射到不平行于行的光子結(jié)構(gòu)上，即，它的傳播方向有一些分量平行于列。然后，光信號依次被子區(qū)的每一行衍射，而且與光信號波長有關(guān)地被各行多次反射和透射。
參數(shù)在陣列上可以連續(xù)地或不連續(xù)地變化，即，按照連續(xù)的函數(shù)或不連續(xù)的函數(shù)變化。子區(qū)性質(zhì)最好包括大小、形狀、和折射率。
最好是，子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，或子區(qū)性質(zhì)，至少在一行上系統(tǒng)地變化。
最好是，光子結(jié)構(gòu)是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分。該平面波導(dǎo)最好包括纖心層和包層層，其中的子區(qū)陣列形成在纖心層或包層層之中，或形成在兩者之中。這樣能使光子能帶結(jié)構(gòu)易于集成在已有的光學(xué)系統(tǒng)中。
子區(qū)可以有比第一區(qū)較低的折射率，但最好是子區(qū)每一個都有比第一折射率更高的折射率。這樣可以降低從波導(dǎo)平面的光子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損耗。
按照本發(fā)明的第二方面，一種光學(xué)裝置，包括光輸入端；與光輸入端耦合的光子結(jié)構(gòu)；和與光子結(jié)構(gòu)耦合的光輸出端；其中，該光子結(jié)構(gòu)是按照本發(fā)明第一方面的光子結(jié)構(gòu)。
最好是，光輸入端和光輸出端與光子結(jié)構(gòu)耦合，使來自光輸入端的光信號，通過光子能帶結(jié)構(gòu)，沿垂直于子區(qū)的行的方向傳播，以便到達(dá)輸出端。但是，可以相對于光輸入端和/或光輸出端旋轉(zhuǎn)光子能帶結(jié)構(gòu)，為裝置提供更多的靈活性。通過觀察光子能帶圖，可以發(fā)現(xiàn)，哪一種色散模的光信號將被接入，取決于光信號通過結(jié)構(gòu)傳播的具體方向，從而決定光信號將經(jīng)受何種信號處理。
最好是，光輸入端與光子結(jié)構(gòu)的輸入面耦合，和光輸出端與光子結(jié)構(gòu)的輸出面耦合，且其中的輸入面和/或輸出面，對從光輸入端到光輸出端通過的光信號的傳播方向，是傾斜的。傾斜的輸入和輸出面利用折射，提供更多的信號處理。這種安排，提供產(chǎn)生棱鏡類緊湊光子結(jié)構(gòu)的裝置。可以設(shè)計棱鏡類形狀，以增強(qiáng)該結(jié)構(gòu)的折射性質(zhì)，并為經(jīng)受強(qiáng)烈色散過程的不同波長，提供角分離。這對產(chǎn)生高效波分復(fù)用(WDM)簡潔緊湊的超棱鏡結(jié)構(gòu)、色散補(bǔ)償、和延時應(yīng)用，是有利的。
按照本發(fā)明的第三方面，一種制作光子結(jié)構(gòu)的方法，該光子結(jié)構(gòu)包括由有第一折射率的材料形成的第一區(qū)，和在第一區(qū)中形成的子區(qū)陣列，每一子區(qū)的折射率不同于第一折射率，其中，子區(qū)陣列由多個參數(shù)定義，本方法包括的步驟有(a)定義光子能帶結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)的目標(biāo)性質(zhì)；(b)在計算機(jī)上模擬包括子區(qū)陣列的基本光子結(jié)構(gòu)，并確定它的光子能帶結(jié)構(gòu)；(c)選擇兩個或更多定義陣列的參數(shù)；(d)系統(tǒng)地改變陣列上選擇的參數(shù)，給出新的光子結(jié)構(gòu)；(e)確定新的光子晶體結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)；(f)把新光子晶體結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)與步驟(a)定義的目標(biāo)性質(zhì)比較，并根據(jù)比較，向新的光子結(jié)構(gòu)指配一優(yōu)值；(g)重復(fù)步驟(d)到(f)多次，獲得多種光子結(jié)構(gòu)的優(yōu)值；和(h)根據(jù)步驟(g)的優(yōu)值數(shù)據(jù)，從多種光子結(jié)構(gòu)中選擇一種光子結(jié)構(gòu)；和(i)制作選擇的光子結(jié)構(gòu)。
本方法為特定應(yīng)用提供一種快速和簡單地設(shè)計和制作光學(xué)裝置的手段。本方法可用于任何需要的特性。它能為特殊的應(yīng)用而設(shè)計光子能帶結(jié)構(gòu)，沒有制作許多替代樣機(jī)的花費(fèi)，并能以低的費(fèi)用生產(chǎn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)。
最好是，已經(jīng)在步驟(h)選擇光子結(jié)構(gòu)后，本方法還包括選擇至少又一個定義陣列參數(shù)的步驟；和在陣列上系統(tǒng)地改變該又一個參數(shù)，調(diào)整光子結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)。
這樣做，可以進(jìn)一步為特殊的應(yīng)用精選光子能帶結(jié)構(gòu)。同樣的設(shè)計過程可以應(yīng)用多次，每次改變不同的參數(shù)，保證達(dá)到最佳的設(shè)計。
最好是，子區(qū)陣列形成許多行和列。
其中，每一行中每一子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，和每一行上子區(qū)的性質(zhì)，由第一類參數(shù)定義；每一行相對于相鄰行的位置，和沿每一列的子區(qū)的性質(zhì)，由第二類參數(shù)定義；和其中，步驟(c)中選擇的參數(shù)，包括至少一個第一類參數(shù)和至少一個第二類參數(shù)。
最好是，基本的光子結(jié)構(gòu)有方形或三角形的子區(qū)晶格。但是，可以用任何兩維作為始點。例如，如在WO 01/77726(BTG InternationalLimited申請)中的說明，可以用有更高對稱性的準(zhǔn)晶體。


現(xiàn)在結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明各例子，附圖有圖1畫出其中形成光子能帶結(jié)構(gòu)的平面波導(dǎo)的剖面；圖2畫出常規(guī)的光子晶體；圖3a-3d說明能在陣列上變化的參數(shù)種類；圖4畫出按照本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)的第一例子；圖5畫出按照本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)的第二例子；圖6畫出按照本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)的第三例子；圖7畫出按照本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)的第四例子；圖8畫出常規(guī)光子晶體結(jié)構(gòu)和按照本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)的傳輸頻譜；圖9說明在按照本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)中，使色散模在大的帶寬上線性化；
圖10說明如何利用本發(fā)明獲得改進(jìn)的容差；圖11是直方圖，表明可能的設(shè)計對優(yōu)值的分布；圖12-14畫出采用本發(fā)明的光子晶體的光子裝置。
具體實施例方式
在WO 98/53351中，說明本發(fā)明涉及的光子晶體結(jié)構(gòu)類型。圖1畫出這種結(jié)構(gòu)的剖面。該結(jié)構(gòu)包括襯底1、緩沖層2、纖心層3、和包層層4。事實上，圖1畫出這些結(jié)構(gòu)類型的三種不同實施例。它們都是形成在波導(dǎo)中的兩維光子晶體結(jié)構(gòu)。光子晶體由在波導(dǎo)中蝕刻的子區(qū)5的陣列形成。如圖1所示，這些子區(qū)可以只在包層中形成(剖面A)，能夠在纖心中形成(剖面B)，或者能夠在緩沖層中(剖面C)或這三者的任何組合中形成。這樣產(chǎn)生的周期電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，是光信號在波導(dǎo)中傳播時將遇到的。在共同待決的美國專利申請序號10/421949中，對此有充分說明，該專利由Mesophotonic Limited申請。
WO 98/53351說明，產(chǎn)生光子能帶結(jié)構(gòu)的周期電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，與半導(dǎo)體裝置的電子能帶結(jié)構(gòu)相似。周期電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)，能夠通過求解三維波動方程式確定。
通常，兩維周期結(jié)構(gòu)包含規(guī)則的子區(qū)陣列。最簡單的規(guī)則的兩維陣列，是方形和三角形晶格。這些規(guī)則晶格能夠給出強(qiáng)的能帶隙。方形晶格以平面視圖畫在圖2，圖上有形成晶格的矩形子區(qū)10。
光子晶體的性質(zhì)取決于定義該光子晶體的獨(dú)立參數(shù)數(shù)量。這些獨(dú)立參數(shù)是陣列的幾何形狀、形成陣列的子區(qū)的幾何形狀、使用的材料(特別是它們的折射率)、每一子區(qū)的尺寸、和整個陣列的大小。任何實際陣列結(jié)構(gòu)的有限大小，特別表明與“理想”光子能帶結(jié)構(gòu)的偏離。Fabry-Perot諧振能夠出現(xiàn)在能帶邊緣，假設(shè)這些結(jié)構(gòu)許多最有用的應(yīng)用要使用能帶邊緣，而這些諧振則是不希望有的。
為了有助于理解本發(fā)明，考慮光子晶體的子區(qū)陣列，是由許多行的子區(qū)構(gòu)成。對垂直于行傳播的光信號，如圖3a的箭頭20所示，子區(qū)的各行可以想象成堆疊在一起的各個光柵。定義陣列的參數(shù)可以是涉及每一衍射光柵性質(zhì)，即確定沿每一行的子區(qū)性質(zhì)的第一類參數(shù)，也可以是涉及一疊行的性質(zhì)，即沿垂直每一行的方向的子區(qū)性質(zhì)的第二類參數(shù)。第一類參數(shù)的例子，是每一行中子區(qū)之間的間隔和每一子區(qū)的寬度。第二類參數(shù)的例子，是行之間的間隔和每一行中子區(qū)的厚度。
本發(fā)明要求陣列上的第一類參數(shù)和第二類參數(shù)兩種參數(shù)系統(tǒng)地變化。圖3畫出只有單個參數(shù)在陣列上系統(tǒng)地變化的例子。因此，圖3所示布局在本發(fā)明范圍之外。圖3A畫出子區(qū)陣列21的例子，其中第一類參數(shù)，即行的周期性(以P表示)在陣列上變化。行之間的間隔(以S表示)保持恒定。陣列是以方形晶格為基礎(chǔ)。圖3B畫出另一種第一類參數(shù)，即板的寬度(W)在陣列上的變化。圖3C和3D畫出第二類參數(shù)，即行之間的間隔(S)和子區(qū)厚度(T)變化的例子，這兩個第二類參數(shù)在陣列上系統(tǒng)地變化。在各種情形中，光的傳播方向以箭頭20表示。為更好地說明這兩類參數(shù)，順著圖3B中的線A-A觀察，可以看到沿該方向存在規(guī)則結(jié)構(gòu)，即第二類參數(shù)沒有變化。但是，順著線B-B和C-C觀察，可以看到相鄰行之間的結(jié)構(gòu)存在差別。相鄰行之間結(jié)構(gòu)的差別，表明第一類參數(shù)的變化。
圖4示意畫出按照本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)的例子。圖4的子區(qū)陣列30是以方形晶格為基礎(chǔ)，并包括第一類參數(shù)的變化和第二類參數(shù)的變化兩種變化。變化不一定是晶格上連續(xù)的、光滑的漸變。如從圖4可見，變化可以是階梯式的，如對子區(qū)厚度每次重復(fù)四行相同的行。這是不連續(xù)變化的例子。
更詳細(xì)地觀察圖4，可以看到，陣列上有四個變化的參數(shù)。通過陣列傳播的光，如箭頭31所示，沿垂直于行的方向。子區(qū)30是矩形的，且它們沿列的方向的尺寸有厚度T，而它們沿行的方向的尺寸有寬度W。子區(qū)厚度在陣列上按階躍函數(shù)變化。子區(qū)厚度沿光的傳播方向每隔四行增加(在圖4中以“T重復(fù)”表示)。類似地，子區(qū)寬度每隔三行增加。行的間隔或周期(行間間隔)和子區(qū)在行內(nèi)的間隔(行內(nèi)間隔)，也在陣列上按階躍函數(shù)變化。行間間隔在陣列上每隔六行增加。行內(nèi)間隔在陣列上每隔兩行增加。
圖4畫出12行晶格，每行有12個子區(qū)。子區(qū)的厚度和寬度，在50nm(第一子區(qū))到200nm(最后子區(qū))的范圍。行間間隔在260nm到390nm的范圍。行內(nèi)間隔在260nm到390nm的范圍。
第一類參數(shù)的變化與第二類參數(shù)的變化有不同的作用。如果第一類參數(shù)變化與第二類參數(shù)變化的光學(xué)作用可以分離，那么第一類參數(shù)變化將改變一疊行中每一行的衍射性質(zhì)，而第二類參數(shù)變化將改變該結(jié)構(gòu)的反射性質(zhì)。這是把復(fù)雜情況過分簡單化的結(jié)果，但在用于特定目的的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，卻是有用的指導(dǎo)方針。
圖5畫出按照本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)的另一個例子。圖5所示陣列是以三角形晶格為基礎(chǔ)。如同圖4所示陣列，陣列上有四個變化參數(shù)，兩個第一類和兩個第二類。子區(qū)40是矩形的，它們的厚度每隔四行增加，而它們的寬度每隔三行增加，這里一行包括之字形的12個子區(qū)，即，兩條子區(qū)偏移線按規(guī)則三角形晶格重復(fù)。行間間隔每隔六行增加，而行內(nèi)間隔每隔兩行增加。晶格的單位晶胞，可以想象成包含兩個子區(qū)。光的分量沿箭頭41方向傳播。
圖6畫出圖5所示陣列的一種變化。圖6所示陣列與圖5所示陣列有相同的變化參數(shù)，但每一子區(qū)50是分裂的，且分裂的兩半沿列的方向彼此相對位移。這能給出唯一的模態(tài)性質(zhì)，這里陣列對稱性的破壞，提供增加的偏振靈敏度。因此，這種類型的結(jié)構(gòu)有利于緊湊的偏振分束器的設(shè)計。同樣，光的分量沿箭頭51方向傳播。
事實上，通過一個或多個第一類參數(shù)和一個或多個第二類參數(shù)兩類參數(shù)的獨(dú)立變化，結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)能夠為適應(yīng)特定應(yīng)用而修改。
下面是可以改變的可能參數(shù)表子區(qū)折射率背景區(qū)折射率子區(qū)形狀，如矩形或橢圓形(包括方形和圓)晶格的類型，如方形或三角形三角形晶格漸變陣列中有規(guī)律的間隔(在三角形晶格中，每一晶格點包括兩個子區(qū)，該兩個子區(qū)在漸變的陣列中，要么相互間是恒定配準(zhǔn)，要么是按晶格點相同方式在陣列上漸變)行的數(shù)量列的數(shù)量第一子區(qū)厚度最后子區(qū)厚度子區(qū)的行內(nèi)間隔子區(qū)的行間間隔行內(nèi)間隔的漸變行間間隔的漸變第一子區(qū)寬度最后子區(qū)寬度以相同行間周期重復(fù)的行的數(shù)量以相同行內(nèi)周期重復(fù)的行的數(shù)量以相同寬度子區(qū)重復(fù)的行的數(shù)量以相同厚度子區(qū)重復(fù)的行的數(shù)量輸入面或輸出面的角度陣列的旋轉(zhuǎn)角度每一單元內(nèi)的相移在子區(qū)內(nèi)第二介質(zhì)的引入這些參數(shù)的每一個都與結(jié)構(gòu)的特定光學(xué)性質(zhì)關(guān)聯(lián)。如上所述，概括說來，第一類參數(shù)變化影響陣列的衍射性質(zhì)，而第二類參數(shù)變化影響陣列的反射性質(zhì)。
對晶格圖案引入旋轉(zhuǎn)角，能夠改進(jìn)光信號耦合進(jìn)特定色散模的精度。旋轉(zhuǎn)角是指晶格相對于輸入或輸出波導(dǎo)的取向。此外，結(jié)構(gòu)的開始和結(jié)束角，可以用于產(chǎn)生棱鏡類緊湊光子結(jié)構(gòu)的裝置。這一點在圖7中畫出。圖7畫出圓形子區(qū)60的晶格。晶格以包括20行和20列的三角形晶格為基礎(chǔ)。子區(qū)直徑(即厚度和寬度兩者)在陣列上從50nm到150nm變化。行間和行內(nèi)間隔兩者以相同方式在陣列上漸變。輸入面和輸出面的角度是30°。棱鏡類形狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的折射性質(zhì)，并為經(jīng)受強(qiáng)烈色散過程的不同波長，提供角分離。這對產(chǎn)生高效波分復(fù)用(WDM)緊湊的超棱鏡結(jié)構(gòu)、色散補(bǔ)償、和延時應(yīng)用，是有利的。
子區(qū)寬度從行到行的漸變，有助于在反射能帶邊緣的長波長端，消除Fabry-Perot諧振。這對濾波應(yīng)用，如線性調(diào)頻光柵的應(yīng)用，非常有用。對此的解釋，最好把每一行看作衍射光柵，從而把陣列看作一疊光柵。每一行有相同的行內(nèi)間隔，但有不同的裝填比值。陣列通過每一行以略為不同的效率使光衍射而工作。這表明，與每一行都有相同裝填比值的一疊光柵比較，旁瓣和衍射峰在經(jīng)過陣列時被弄平并能消除。
應(yīng)當(dāng)指出，一維線性調(diào)頻光柵不能在長波長區(qū)降低Fabry-Perot諧振，因而本發(fā)明提供一種改進(jìn)的替代常規(guī)光柵的結(jié)構(gòu)。這是非常有幫助的，特別當(dāng)需要用分出濾波器時，例如需要傳輸特性平坦并有極小色散的情形。圖8A和8B畫出常規(guī)光子晶體和按照本發(fā)明的光子晶體之間傳輸特性的差別?？梢园l(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的傳輸特性，如圖8B所示，與常規(guī)光子晶體結(jié)構(gòu)比較，在緊貼能帶隙之上和之下更光滑得多。
另外，如果行內(nèi)間隔在陣列上變化，那么能夠設(shè)計非常緊湊和高效的濾波器。每一層衍射一組光的頻率，因而能夠設(shè)計這樣的陣列，使只有需要的波長被反射或透射。這種類型的陣列，能夠提供非常有效和緊湊的裝置，用于有極小串?dāng)_的濾波的應(yīng)用，諸如電信工業(yè)中的WDM。
如果行間間隔漸變，能夠達(dá)到對允許的色散模的更有效控制，特別是圍繞光子色散能帶的邊緣。因為該間隔是變化的，每一行由于相位匹配條件滿足特定波長的能帶，將提供Bragg反射。當(dāng)所有弱能帶隙逐漸交織，能帶邊緣將比規(guī)則的兩維光子晶體晶格的變化劇烈。如圖9所示，能夠?qū)Υ蟮牟ㄩL范圍，把沿能帶邊緣的色散，設(shè)計成線性的。另一種能夠調(diào)整色散能帶邊緣線性的方式，也在圖9畫出，該方式是改變結(jié)構(gòu)上子區(qū)的厚度。圖9A畫出子區(qū)80的規(guī)則晶格，與之在一起畫出的還有能帶圖。圖9B畫出按照本發(fā)明的子區(qū)晶格，與之在一起畫出的還有能帶圖，晶格中子區(qū)大小(寬度W和厚度T)和行間間隔P在晶格上漸變。可以發(fā)現(xiàn)，圖9b的色散能帶，比圖9a的能帶在大得多的波長范圍上是線性的。這種類型的色散調(diào)整，能夠用于為光通信，特別是對在數(shù)個信道上具有平坦響應(yīng)，并在每一信道中無失真的WDM系統(tǒng)，提供有價值的色散補(bǔ)償。此外，這種類型的結(jié)構(gòu)，可以在單個結(jié)構(gòu)上，為大帶寬的信號(如，為電信窗中完整的C或L波段)提供色散補(bǔ)償。
再有，色散調(diào)整可以用來為使用超棱鏡效應(yīng)的應(yīng)用，提供有益的幫助，在超棱鏡效應(yīng)應(yīng)用中，使用光信號在能帶邊緣上群速度的降低，操縱不同波長的光進(jìn)入不同的角度。使色散能帶的不同區(qū)變得平坦的能力，或調(diào)整色散能帶不同區(qū)的能力，在信號一旦已經(jīng)按此方式操縱，并更能控制色散過程時，這種能力可以給出較少的失真。該能力直接導(dǎo)致設(shè)計耐受制作公差的光子結(jié)構(gòu)的能力，使制作后修整裝置及低生產(chǎn)量問題得到消除。
色散調(diào)整還能促進(jìn)光信號耦合進(jìn)光子能帶結(jié)構(gòu)上特定的模，在該光子能帶結(jié)構(gòu)上，角度、光束寬度、或?qū)?zhǔn)容差小的變化，是可接受的。這種情況在圖10畫出。從圖10a可見，在一定的波長能帶上，對圖示色散模存在線性色散區(qū)。圖10b畫出在一定角度范圍上也是這種情況。這表明，為了耦合進(jìn)該色散模，光信號的角度只需精確到一定范圍之內(nèi)。圖10c畫出真實空間中與圖9b所示能帶圖對應(yīng)的角度。
把點缺陷、線缺陷、和缺陷波導(dǎo)引入本發(fā)明的光子結(jié)構(gòu)，能夠以普遍方式提供窄線寬缺陷態(tài)、諧振腔、和波導(dǎo)。但是，按照本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，表明即使這樣一種缺陷的位置，也將影響這些缺陷的特征作用。
同樣可以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，數(shù)種幾何圖形的混合并排地排列，其中至少一種是按照本發(fā)明的。這樣能使結(jié)構(gòu)的不同段，實施不同的處理功能。不同的幾何圖形包括，不同的晶格、不同的晶格取向或旋轉(zhuǎn)角。此外，不同的幾何圖形可以疊置，以提供類似Moire條紋結(jié)構(gòu)。Moire條紋結(jié)構(gòu)給出把缺陷引入結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生窄線寬缺陷態(tài)的便捷方式。
有大量可以改變的參數(shù)影響陣列的光子響應(yīng)這一事實，導(dǎo)致非常復(fù)雜的設(shè)計考慮。因此，按照本發(fā)明的光子晶體的設(shè)計，直接賦予設(shè)計本身使用計算機(jī)優(yōu)化程序，以便實現(xiàn)結(jié)構(gòu)需要的目標(biāo)形式的快速進(jìn)展。
以特定幾何圖形電介質(zhì)陣列為基礎(chǔ)的光子能帶結(jié)構(gòu)，能夠在計算機(jī)上模擬。通過對電介質(zhì)結(jié)構(gòu)在三維中求解Maxwell方程式，獲得兩維陣列的光子能帶結(jié)構(gòu)。這一方法在WO 98/53351中有充分的說明，這里收錄該專利公開的內(nèi)容，供參考。求解電磁波方程式的數(shù)學(xué)方法，可以在計算機(jī)上編程?？梢栽O(shè)計該編程，使定義陣列幾何圖形及性質(zhì)的參數(shù)可以改變，以提供新的陣列從而新的光子能帶結(jié)構(gòu)。
例如，希望令600nm到700nm之間的反射率最大，并令該反射能帶兩側(cè)的Fabry-Perot諧振最小。這一要求可以想象為該結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)。用計算機(jī)模擬的每一光子能帶結(jié)構(gòu)，給出與該目標(biāo)函數(shù)有關(guān)的優(yōu)值。為了模擬不同的設(shè)計，選擇一基本的幾何圖形作為起始點，然后選擇定義該幾何圖形的許多參數(shù)，系統(tǒng)地改變這些參數(shù)，同時保持其他參數(shù)不變。
然后，通過改變選擇的參數(shù)，令計算機(jī)進(jìn)行大量模擬，建立新的設(shè)計，同時記錄每一設(shè)計的優(yōu)值。該過程產(chǎn)生大量可能設(shè)計的樣本，每一樣本給定一優(yōu)值。據(jù)此能夠?qū)δ繕?biāo)函數(shù)選擇有最佳優(yōu)值的設(shè)計。
圖11對這種類型的模擬，畫出目標(biāo)函數(shù)的直方圖。正好施行13,000次以上的模擬。如上所述，目標(biāo)函數(shù)是令600nm到700nm之間的反射率最大，并令該反射頻帶兩側(cè)的Fabry-Perot諧振最小。Y軸表示模擬數(shù)，X軸表示優(yōu)值。優(yōu)值越低，設(shè)計越好。從圖可見，只有少部分模擬產(chǎn)生“優(yōu)良”設(shè)計，不過它也確實說明，可以用許多不同幾何圖形達(dá)到相同目標(biāo)。這是大多數(shù)目標(biāo)函數(shù)的典型表現(xiàn)。
在以特定參數(shù)為軸的曲線圖上，建立“優(yōu)良”設(shè)計的圖表是可能的。在該圖表上，可以看到有高密度優(yōu)良設(shè)計的區(qū)域，并選擇這些區(qū)域中的設(shè)計，以提供對該特定參數(shù)的高容差。
在運(yùn)行優(yōu)化處理之后，可以選擇一“優(yōu)良”設(shè)計，并以該優(yōu)良設(shè)計作為起始點，不過選擇不同參數(shù)或改變參數(shù)，再運(yùn)行優(yōu)化處理，對該優(yōu)良設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。
一旦已經(jīng)找到(和已經(jīng)調(diào)整)滿意的設(shè)計，能夠用常規(guī)技術(shù)，例如光刻術(shù)，制作該設(shè)計的光子晶體結(jié)構(gòu)。WO 98/53351也說明如何制作這種光子晶體。該光子晶體也可按下面專利申請說明的任一方式，作為平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分形成，這些專利申請是共同待決申請美國申請No.10/196727、美國申請No.10/287825、和美國申請No.10/421949，全由Mesophotonic Limited提交。
在許多不同應(yīng)用中，可以采用本發(fā)明的實施例作為光子單元。光子單元，包括本發(fā)明的那些光子單元，可以在電信系統(tǒng)中、生物傳感器裝置中、和光儲存介質(zhì)中實施。
圖12畫出采用光子單元3002的光子裝置3000的一般布局。圖示光子裝置3000適合用于電信系統(tǒng)。光信號通常沿波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3050，例如光纖傳播。光子裝置3000包括至少一個Light On Light Off(LOLO，通光斷光)裝置3004、3024；至少一個波導(dǎo)單元3006、3026；模變換器3008；光子單元3002；又一個模變換器3012；至少又一個波導(dǎo)單元3016、3020；和至少又一個LOLO裝置3018、3022。
在把電信波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3050模變換為更小斷面的平面波導(dǎo)模，使它能以極小損耗沿光子裝置3002傳播的處理中，LOLO裝置3004把波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3050耦合到光子裝置3000的其他部件。在許多情形中，必須同時處理數(shù)個信道和提供多根光纖。
在把光從外部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3050耦合到光子裝置3002之后，接著一般是通過至少一個波導(dǎo)單元3006提供模的橫向限制。諸如棱形或脊形波導(dǎo)的波導(dǎo)單元3006，常常在高折射率反差平面材料系統(tǒng)中實施。其他的波導(dǎo)單元3006包括波導(dǎo)分束器和可曲波導(dǎo)管。借助這些波導(dǎo)單元3006(缺陷態(tài)波導(dǎo)、棱形、脊形、分束器、和/或可曲波導(dǎo)管)，使來自LOLO裝置3004的光，從該裝置的一個區(qū)傳送到另一個區(qū)。
要求模變換器3008把光從波導(dǎo)有效地耦合進(jìn)光子單元3002。有效的耦合要求關(guān)注光子單元3002中合適的傳播模和角度，以便使單元3002的界面反射最小。接著是模的變換、光子單元3002對光的處理、和光的通過光子單元3002的傳播。
有許多方式可以改變光子單元3002的操作，這些方式包括光控制信號和/或電控制信號。用于改變光子單元3002操作的裝置，在圖中以(任選的)控制器單元3010表示。合適的控制器單元3010的例子，包括光控制信號源、電控制信號源、和光泵，取決于光子單元的功能。
模被又一個模變換器3012再次變換回沿波導(dǎo)傳播的模?？晒┻x擇的是，可以插入另外的光子單元3014，提供額外的功能并增加光子裝置的綜合能力。另外的光子單元3014可以包括更多的波導(dǎo)裝置和/或分束器。
最后，至少又一個波導(dǎo)單元3016(棱形、脊形、分束器、和/或可曲波導(dǎo)管)用于把光引向又一個LOLO裝置3018。在這種安排中，耦合回去的光，進(jìn)入輸出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3060。能夠把多個波導(dǎo)單元3016、3020、和LOLO裝置3018、3022，用于諸如分用器等應(yīng)用。
應(yīng)當(dāng)再指出，更多的波導(dǎo)單元3016、3020和更多的LOLO裝置3018、3022，可以與LOLO裝置3004、3024和波導(dǎo)單元3006、3026完全相同。
圖31畫出采用光子單元3012的另一種光子裝置3100的一般布局。圖示光子裝置3100適合用于生物傳感器裝置。
光子裝置3100包括至少一個Light On Light Off(LOLO，通光斷光)裝置3104、3124；至少一個波導(dǎo)單元3106、3126；模變換器3108；光子單元3102；又一個模變換器3112；至少又一個波導(dǎo)單元3116、3120；和至少一個檢測器3136、3134、3132。
來自光源3130，例如激光器或光發(fā)射裝置(LED)的光，通過相應(yīng)的LOLO裝置3104，注入該波導(dǎo)單元或每一個波導(dǎo)單元3106。注入的光可以簡單地把光通過端面耦合，耦合進(jìn)波導(dǎo)3106。同樣，波導(dǎo)單元3106可以包括可曲波導(dǎo)管、分束器、棱形、和/或脊形結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。該波導(dǎo)單元或每一個波導(dǎo)單元3106，用于把進(jìn)入的光引進(jìn)光子裝置3100不同的區(qū)，在那里對不同樣本進(jìn)行照射。
要求模變換器3108把光從波導(dǎo)有效地耦合進(jìn)光子單元3102。
最好是，該光子單元或每一個光子單元3102本身提供樣本凹座，用于接納至少一個樣本并在光子單元3102內(nèi)部進(jìn)行照射?；蛘甙才殴庾訂卧?102，把光注入至少一個外部生物樣本3140。
生物和/或生化樣本的照射，能夠產(chǎn)生特征發(fā)光性質(zhì)，例如熒光或磷光。在該優(yōu)選的布局中，由光子單元3102的另一部分收集該樣本或每一樣本發(fā)射的光；而在外部樣本的布局中，由另一個光子單元3142收集該樣本或每一樣本發(fā)射的光。
光子單元3102的操作，又當(dāng)存在其他光子單元3142時光子單元3102的操作，有許多方式可以改變，包括光控制信號和/或電控制信號的應(yīng)用。用于改變光子單元3102、3142操作的裝置，在圖中以(任選的)控制器單元3110表示。合適的控制器單元3110的例子，包括光控制信號源、電控制信號源、和光泵。
光被收集之后，該模被又一個模變換器3112變換為沿波導(dǎo)傳播的模。然后用另外的集成光子單元3114，進(jìn)行濾波和可能的波長分離。
然后，經(jīng)過處理的光信號被迂回路由，用至少又一個波導(dǎo)單元3116(棱形、脊形、分束器、和/或可曲波導(dǎo)管)把光引向至少一個集成檢測器3134。經(jīng)過處理的光也可以向外部路由，再一個LOLO裝置3118、3122提供與外部檢測器3132、3136的接口。許多應(yīng)用要求使用多個檢測器，以便跨接不同波長范圍，例如Raman Spectroscopy(Raman光譜儀)，或為了區(qū)分不同樣本。
圖32畫出采用光子單元3202的另一種光子裝置3200的一般布局。圖示光子裝置3200適合用于光學(xué)拾取單元。例如光盤讀出頭。
光子裝置3200包括至少一個Light On Light Off(LOLO，通光斷光)裝置3204、3224；至少一個波導(dǎo)單元3206、3226；模變換器3208；光子單元3202；又一個模變換器3212；至少又一個波導(dǎo)單元3216、3220；和至少一個集成檢測器3234、3238。
來自光源3230，例如調(diào)制激光器或LED源的光，被LOLO裝置3204注入光子裝置3200。雖然沒有畫出，但也可以把光從外部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，例如光纖，耦合進(jìn)光子裝置3200。
從LOLO單元3204來的光，被耦合進(jìn)波導(dǎo)單元3206。波導(dǎo)單元3206可以包括可曲波導(dǎo)管、分束器、棱形、和/或脊形結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。該波導(dǎo)單元或每一個波導(dǎo)單元3206，用于把進(jìn)入的光引進(jìn)光子裝置3200不同的區(qū)。
要求模變換器3208把光從波導(dǎo)單元3206有效地耦合進(jìn)光子單元3202。光子單元3202對光進(jìn)行處理，例如，光子單元3202可以對進(jìn)入的光進(jìn)行濾波、色散補(bǔ)償、聚焦、對準(zhǔn)、或調(diào)制。
光子單元3202的操作，又當(dāng)存在其他光子單元3214、3244時光子單元3202的操作，有許多方式可以改變，包括光控制信號和/或電控制信號的應(yīng)用。用于改變光子單元3202、3214、3244操作的裝置，在圖中以(任選的)控制器單元3210表示。合適的控制器單元3210的例子，包括光控制信號源、電控制信號源、和光泵。
光子單元3202輸出的已處理的光，被又一個模變換器3212變換為沿波導(dǎo)傳播的模。然后用另外的集成光子單元3214，進(jìn)行濾波和可能的波長分離。
光的傳播進(jìn)入LOLO單元3246，在這里光被聚焦在光儲存介質(zhì)3240上。用另一個LOLO單元3248再次收集光，在這里，用至少又一個集成光子單元3244對光進(jìn)行再處理。該又一個集成光子單元3244包括光子“標(biāo)準(zhǔn)部件”單元，如色散補(bǔ)償器、聚焦單元、濾波器、和放大器。
然后，經(jīng)過處理的光從該又一個集成光子單元3244被耦合到至少一個波導(dǎo)部件3216(棱形、脊形、分束器、和/或可曲波導(dǎo)管)，從而投影在檢測器3232、3234、3236、3238上，這些檢測器可以在波導(dǎo)平面內(nèi)，也可以在波導(dǎo)之外(因此需要LOLO單元3218、3222)。
權(quán)利要求
1.一種光子結(jié)構(gòu)，包括由有第一折射率的材料形成的第一區(qū)；和在第一區(qū)中形成的子區(qū)陣列，每一子區(qū)的折射率不同于第一折射率；其中，子區(qū)陣列形成多個行及列，其中，每一行中每一子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，和每一行上的子區(qū)相對于相鄰行的性質(zhì)，由第一類參數(shù)定義，而每一行相對于相鄰行的位置，和沿每一列的子區(qū)的性質(zhì)，由第二類參數(shù)定義，和其中，至少一個第一類參數(shù)和至少一個第二類參數(shù)，系統(tǒng)地在陣列上變化，該至少一個第一類參數(shù)的變化與該至少一個第二類參數(shù)無關(guān)。
2.按照權(quán)利要求1的光子結(jié)構(gòu)，其中至少一個參數(shù)在陣列上是不連續(xù)地變化的。
3.按照權(quán)利要求1或2的光子結(jié)構(gòu)，其中子區(qū)的性質(zhì)包括大小、形狀、和折射率。
4.按照前面權(quán)利要求任一項的光子結(jié)構(gòu)，其中子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，或子區(qū)的性質(zhì)，至少在一行上是系統(tǒng)地變化的。
5.按照前面權(quán)利要求任一項的光子結(jié)構(gòu)，其中的光子結(jié)構(gòu)是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分。
6.按照權(quán)利要求5的光子結(jié)構(gòu)，其中的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括纖心層和包層層，且其中的子區(qū)陣列形成在纖心層或包層層之中，或形成在兩者之中。
7.按照前面權(quán)利要求任一項的光子結(jié)構(gòu)，其中的子區(qū)各有高于第一折射率的折射率。
8.一種光學(xué)裝置，包括光輸入端；與光輸入端耦合的光子結(jié)構(gòu)；和與光子結(jié)構(gòu)耦合的光輸出端；其中，該光子結(jié)構(gòu)是按照前面權(quán)利要求任一項的光子結(jié)構(gòu)。
9.按照權(quán)利要求8的光學(xué)裝置，其中的光輸入端和光輸出端與光子結(jié)構(gòu)耦合，使來自光輸入端的光信號，沿垂直于子區(qū)的行的方向通過光子結(jié)構(gòu)傳播，以便到達(dá)輸出端。
10.按照權(quán)利要求8或9的光學(xué)裝置，其中該光輸入端與光子結(jié)構(gòu)的輸入面耦合，而該光輸出端與光子結(jié)構(gòu)的輸出面耦合，且其中的輸入面和/或輸出面，對從光輸入端到光輸出端通過的光信號的傳播方向，是傾斜的。
11.一種制作光子結(jié)構(gòu)的方法，該光子結(jié)構(gòu)包括由有第一折射率的材料形成的第一區(qū)，和在第一區(qū)中形成的子區(qū)陣列，每一子區(qū)的折射率不同于第一折射率，其中的子區(qū)陣列由多個參數(shù)定義；本方法包括如下步驟(a)定義要實現(xiàn)的光子能帶結(jié)構(gòu)的目標(biāo)性質(zhì)；(b)在計算機(jī)上模擬包括子區(qū)陣列的基本光子結(jié)構(gòu)，并確定它的光子能帶結(jié)構(gòu)；(c)選擇兩個或更多個定義陣列的參數(shù)；(d)在陣列上系統(tǒng)地改變選擇的參數(shù)，以給出新的光子結(jié)構(gòu)；(e)確定新的光子結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)；(f)把新光子結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)與步驟(a)定義的目標(biāo)性質(zhì)比較，并根據(jù)比較，向新的光子結(jié)構(gòu)指配一優(yōu)值；(g)重復(fù)步驟(d)到(f)多次，獲得多個光子結(jié)構(gòu)的優(yōu)值；和(h)根據(jù)步驟(g)的優(yōu)值數(shù)據(jù)，從多個光子結(jié)構(gòu)中選擇一種光子結(jié)構(gòu)；和(i)制作選擇的光子結(jié)構(gòu)。
12.按照權(quán)利要求11的方法，還包括如下步驟已經(jīng)在步驟(h)選擇光子結(jié)構(gòu)后，選擇至少又一個定義陣列的參數(shù)；和在陣列上系統(tǒng)地改變該又一個參數(shù)，調(diào)整光子結(jié)構(gòu)的光子能帶結(jié)構(gòu)。
13.按照權(quán)利要求11或12的方法，其中的子區(qū)陣列形成多個行和列；其中，每一行中每一子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，和每一行上子區(qū)的性質(zhì)，都由第一類參數(shù)定義；每一行相對于相鄰行的位置，和沿每一列的子區(qū)的性質(zhì)，都由第二類參數(shù)定義；和其中，步驟(c)中選擇的參數(shù)，包括至少一個第一類參數(shù)和至少一個第二類參數(shù)。
14.按照權(quán)利要求11到13任一項的方法，其中的基本光子結(jié)構(gòu)有方形或三角形的子區(qū)晶格。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光子結(jié)構(gòu)，包括由有第一折射率的材料形成的第一區(qū)(3)；和在第一區(qū)中形成的子區(qū)陣列(5)，每一子區(qū)的折射率不同于第一折射率；其中，子區(qū)陣列(5)可以用許多行及列定義，其中，每一行中每一子區(qū)相對于相鄰子區(qū)的位置，和在每一行上子區(qū)的性質(zhì)，由第一類參數(shù)定義，而每一行相對于相鄰行的位置，和沿每一列的子區(qū)的性質(zhì)，由第二類參數(shù)定義，和其中，至少一個第一類參數(shù)和至少一個第二類參數(shù)，系統(tǒng)地并獨(dú)立地在陣列上變化。本發(fā)明產(chǎn)生具有光子能帶結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，該光子能帶結(jié)構(gòu)可以為適應(yīng)特定應(yīng)用而修改。第一類參數(shù)的變化與第二類參數(shù)的變化有不同的作用。第一類參數(shù)的變化，改變一疊行中每一行的衍射性質(zhì)。第二類參數(shù)的變化，影響該結(jié)構(gòu)的反射性質(zhì)。按照本發(fā)明的另一個方面，是提供一種制作光子結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在設(shè)計階段的計算機(jī)優(yōu)化處理過程。
文檔編號G02B6/10GK1902517SQ200480039206
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月4日
發(fā)明者瑪杰德·祖羅布, 馬丁·查爾通, 格萊格·帕克爾, 西門·詹姆斯·考克斯 申請人:Meso光子學(xué)有限公司