專(zhuān)利名稱(chēng)：光子晶體矩形耦合腔零色散慢光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光子晶體零色散慢光波 導(dǎo)。
背景技術(shù)：
光子晶體慢光波導(dǎo)以其潛在帶寬大、可在室溫下實(shí)現(xiàn)和二維陣列集成等優(yōu)勢(shì)，在 光通信、光存儲(chǔ)、光互聯(lián)和生物傳感等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，引起了人們的濃厚興趣和密切關(guān) 注。在眾多應(yīng)用場(chǎng)合都要求光子晶體慢光波導(dǎo)的群速度足夠小，采用單線(xiàn)缺陷的光子晶體 波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)較大的帶寬，但是對(duì)應(yīng)的群速度很難減少，有如文獻(xiàn)1 :“Mao XY, Zhang G Y， Huang YD et al. . Chin. Phys. Lett.，2008，25 (12) :4311”中的平板光子晶體單缺陷波導(dǎo)群 速度減少到 c/118，而文獻(xiàn)2 :“Falco A D，0，F(xiàn)aolain L，and Krauss T F. Applied Physics Letters, 2008,92 :083501 ”中的光子晶體條形介質(zhì)波導(dǎo)也只是能夠把群速度降低到c/100 左右。而采用光子晶體耦合腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以較容易的降低群速度，但是它的問(wèn)題在于難以 在三維情況下保證零色散點(diǎn)位于光線(xiàn)區(qū)以下，難以實(shí)現(xiàn)單模慢光。為了實(shí)現(xiàn)光子晶體耦合腔波導(dǎo)零色散點(diǎn)處的單模慢光，基于耦合腔模式和光子晶 體單線(xiàn)缺陷波導(dǎo)模式的耦合機(jī)制?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)耦合腔的尺寸的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)能帶零色散點(diǎn)向光 線(xiàn)區(qū)下方移動(dòng)，同時(shí)利用光線(xiàn)區(qū)域?qū)δＪ降妮椛渥饔脤?shí)現(xiàn)光線(xiàn)區(qū)下方的單模慢光。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種光子晶體耦合腔零色散慢光波導(dǎo)，以 克服光子晶體耦合腔慢光波導(dǎo)零色散點(diǎn)位于光線(xiàn)區(qū)域的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)三維情況下的慢光單 模輸出。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種介質(zhì)柱光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，包括一襯底；多個(gè)耦合腔，該耦合腔為矩形柱體，該耦合腔成一排直線(xiàn)豎立制作在襯底中間部 位的上面，用于對(duì)慢光模式的調(diào)節(jié)；多個(gè)介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為圓柱體，該介質(zhì)柱成多排直線(xiàn)豎立制作在襯底的上面，而 位于耦合腔的兩側(cè)，用于對(duì)光場(chǎng)的側(cè)向限制；一激發(fā)源，該激發(fā)源位于上述襯底的一側(cè)，與成排的耦合腔相對(duì)，激勵(lì)慢光模式的產(chǎn)生。其中所述介質(zhì)柱是呈四方晶格排列的光子晶體介質(zhì)柱。其中所述四方晶格排列光子晶體介質(zhì)柱，其原胞為方形介質(zhì)柱型。其中所述耦合腔為矩形腔。其中所述矩形耦合腔是單列沿光子晶體單線(xiàn)缺陷波導(dǎo)方向排列。其中該激發(fā)源位于離襯底一預(yù)定距離處。其中該激發(fā)源位于離襯底預(yù)定的距離為耦合腔高度的1/2。
其中所述光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的光傳播方向垂直于耦合腔。其中所述光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的工作波長(zhǎng)在零色散點(diǎn)位置。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)采用介質(zhì)柱形式，可以實(shí)現(xiàn)三維情 況下的慢光傳播，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。2、本發(fā)明提供的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，可以利用三維情況下的模式ζ向 輻射，實(shí)現(xiàn)單模輸出，避免了一般光子晶體慢光波導(dǎo)利用此種能帶結(jié)構(gòu)，不能在零色散點(diǎn)處 實(shí)現(xiàn)單模輸出的問(wèn)題。3、本發(fā)明提供的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，可以有效的減少在零色散點(diǎn)處的 群速度。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1為本發(fā)明提供的這種光子晶體慢光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中ζ坐標(biāo)方向代表 波導(dǎo)垂直方向；x、y坐標(biāo)方向代表波導(dǎo)水平方向；光脈沖沿著χ方向傳播；圖2為本發(fā)明提供的這種光子晶體慢光波導(dǎo)的二維結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明提供的介質(zhì)柱半徑為0. 2a。矩形耦合腔在χ方向尺度為0. 4a，y方 向尺度為1. Ia和1. 4a的情況下沿光脈沖傳播方向上的能帶結(jié)構(gòu)；圖4為本發(fā)明提供的介質(zhì)柱半徑為0. 2a。矩形耦合腔在χ方向尺度為0. 4a，y方 向尺度為1. Ia和1. 4a的情況下的群速度以及群速度色散；圖中，1為襯底，2為耦合腔，3為介質(zhì)柱，4為激發(fā)源。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)三維結(jié)構(gòu)圖，該光 子晶體零色散慢光波導(dǎo)由襯底1、耦合腔2、介質(zhì)柱3構(gòu)成，激發(fā)源4位于襯底上方h處。其中一襯底 1 ；多個(gè)耦合腔2，該耦合腔2為矩形柱體，該耦合腔2成一排直線(xiàn)豎立制作在襯底1 中間部位的上面，其中所述耦合腔2為矩形腔；矩形耦合腔2是單列沿光子晶體單線(xiàn)缺陷波 導(dǎo)方向排列，對(duì)于普通的光子晶體單線(xiàn)缺陷波導(dǎo)，禁帶內(nèi)的模式是單調(diào)的，而由于矩形耦合 腔的存在，可以有效的調(diào)節(jié)光子晶體單線(xiàn)缺陷波導(dǎo)內(nèi)的模式，獲得特性較好的慢光；多個(gè)介質(zhì)柱3，該介質(zhì)柱3為圓柱體，該介質(zhì)柱3成多排直線(xiàn)豎立制作在襯底1的 上面，而位于耦合腔2的兩側(cè)；其中所述介質(zhì)柱3是呈四方晶格排列的光子晶體介質(zhì)柱；四 方晶格排列光子晶體介質(zhì)柱，其原胞為方形介質(zhì)柱型，由于介質(zhì)柱在兩側(cè)周期性的排列，可 以對(duì)一對(duì)頻率內(nèi)的光波實(shí)現(xiàn)側(cè)向的限制；一激發(fā)源4，該激發(fā)源4位于上述襯底1的一側(cè)，與成排的耦合腔2相對(duì)；該激發(fā) 源4位于離襯底1 一預(yù)定距離處；該激發(fā)源4位于離襯底1預(yù)定的距離為耦合腔2高度的 1/2，用于激勵(lì)慢光的產(chǎn)生。
其中光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的光傳播方向垂直于耦合腔2，該光子晶體零色散 慢光波導(dǎo)的工作波長(zhǎng)在零色散點(diǎn)位置。所述介質(zhì)柱3中的介質(zhì)柱是四方晶格排列的光子晶體介質(zhì)柱。所述四方晶格排列光子晶體介質(zhì)柱，其原胞是四方介質(zhì)柱型。所述耦合腔2采用矩形耦合腔。所述光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的矩形耦合腔2是單列沿光子晶體單缺陷波導(dǎo)方 向排列。所述光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的襯底1只在介質(zhì)柱的一個(gè)方向上存在。所述光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的激發(fā)源4位于離襯底一定距離h處。所述光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的光傳播方向垂直于介質(zhì)柱方向。該設(shè)計(jì)中的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的工作波長(zhǎng)在零色散點(diǎn)位置。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)垂直于ζ軸的俯 視圖。圖中2為矩形耦合腔，3為光子晶體介質(zhì)柱，4為激發(fā)源。其中，矩形耦合腔2在χ和 y方向上長(zhǎng)度分別為w和1。光子晶體介質(zhì)柱3半徑為r?；趫D1和圖2所述的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì) 本發(fā)明提供的這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)的慢光特性作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例中這種光子晶體零色散慢光波導(dǎo)設(shè)計(jì)的工作波長(zhǎng)在零色散點(diǎn)處。本實(shí)例 所采用的襯底1為Si，矩形耦合腔2采用Si，介質(zhì)柱3也采用Si，介質(zhì)柱3半徑r = 0. 2a, 矩形耦合腔2的χ方向?qū)挾葁 = 0. 4a, y方向的高度1 = 1. Ia和1. 4a，矩形耦合腔2在χ 方向上的周期與光子晶體的周期相同。由于矩形耦合腔2可以在χ和y兩個(gè)方向上對(duì)光場(chǎng) 進(jìn)行限制，因此可以更有效的降低群速度，同時(shí)，由于參數(shù)較多，對(duì)能帶的調(diào)節(jié)也就相對(duì)更 廣。本實(shí)施例的模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3是依照本發(fā)明的實(shí)例提供的這種 光子晶體慢光波導(dǎo)的能帶結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算方法采用平面波展開(kāi)法。圖4是對(duì)應(yīng)能帶結(jié)構(gòu)的群 速度和群速度色散曲線(xiàn)。能帶對(duì)應(yīng)于圖3中的平帶。對(duì)于相同的光子晶體周期結(jié)構(gòu)，增大 矩形耦合腔2的面積將降低能帶，由于耦合機(jī)制，能帶之間會(huì)相互交叉耦合形成反交叉點(diǎn)， 通過(guò)參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以控制反交叉點(diǎn)的位置，對(duì)應(yīng)的能帶模式的慢光特性也發(fā)生改變，當(dāng)矩 形耦合腔2在χ和y方向上的尺寸為0. 5a, 1. Oa時(shí)存在反交叉點(diǎn)，但是該點(diǎn)位于光線(xiàn)的上 方，通過(guò)矩形耦合腔2的幾何參數(shù)的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)反交叉點(diǎn)的移動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減小矩 形耦合腔2在χ方向的尺寸可以更迅速的調(diào)節(jié)反交叉點(diǎn)向光線(xiàn)區(qū)域下方移動(dòng)，當(dāng)矩形耦合 腔2橫向尺寸固定為0. 4a的時(shí)候，y方向尺寸為1. Oa-1. 4a的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的反交叉點(diǎn)位于 光線(xiàn)區(qū)的下方，并且形成慢光特性較好的平帶。如圖3所示為對(duì)應(yīng)兩種幾何尺寸的矩形耦 合腔的能帶結(jié)構(gòu)，可以看出隨著y方向尺寸的增大，能帶下移，這主要是由于增大了結(jié)構(gòu)的 幾何面積，同時(shí)反交叉點(diǎn)向右移動(dòng)。我們對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的光子晶體矩形耦合腔波導(dǎo)的慢光 特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，如圖4。對(duì)于W = 0.4a，1 = 1. Ia的矩形耦合腔2，在歸一化波長(zhǎng) 為2. 68785a處的色散為零，對(duì)應(yīng)的群速度為c/91，通訊波段1.55 μ m(a = 576. 7nm)對(duì)應(yīng) 帶寬為180GHz，在該頻率處的另外一個(gè)模式位于光線(xiàn)區(qū)域，對(duì)應(yīng)輻射模。從而實(shí)現(xiàn)了慢光 在三維情況下的單模輸出。而對(duì)于W = 0.4a，1 = 1.4a的矩形耦合腔2，在歸一化波長(zhǎng)為 2. 94055a處的色散為零，對(duì)應(yīng)的群速度小于c/184。通訊波段1. 55ym(a = 527. Inm)對(duì)應(yīng)帶寬為28GHz?？梢钥闯鲭S著矩形耦合腔2在y方向尺寸的增加，對(duì)應(yīng)的歸一化波長(zhǎng)增加， 通訊波段帶寬減少，群折射率增加，正符合慢光和色散之間矛盾的關(guān)系。此種結(jié)構(gòu)避免了傳統(tǒng)的光子晶體耦合腔慢光波導(dǎo)在三維情況下難以在零色散點(diǎn) 工作的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單模慢光的產(chǎn)生，同時(shí)也保留光子晶體耦合腔波導(dǎo)低群速度的性質(zhì)。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種介質(zhì)柱光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，包括一襯底；多個(gè)耦合腔，該耦合腔為矩形柱體，該耦合腔成一排直線(xiàn)豎立制作在襯底中間部位的上面，用于對(duì)慢光模式的調(diào)節(jié)；多個(gè)介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為圓柱體，該介質(zhì)柱成多排直線(xiàn)豎立制作在襯底的上面，而位于耦合腔的兩側(cè)，用于對(duì)光場(chǎng)的側(cè)向限制；一激發(fā)源，該激發(fā)源位于上述襯底的一側(cè)，與成排的耦合腔相對(duì)，激勵(lì)慢光模式的產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中所述介質(zhì)柱是呈四方晶格排 列的光子晶體介質(zhì)柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中所述四方晶格排列光子晶體 介質(zhì)柱，其原胞為方形介質(zhì)柱型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中所述耦合腔為矩形腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中所述矩形耦合腔是單列沿光 子晶體單線(xiàn)缺陷波導(dǎo)方向排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中該激發(fā)源位于離襯底一預(yù)定 距離處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中該激發(fā)源位于離襯底預(yù)定的 距離為耦合腔高度的1/2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中所述光子晶體零色散慢光波 導(dǎo)的光傳播方向垂直于耦合腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，其中所述光子晶體零色散慢光波 導(dǎo)的工作波長(zhǎng)在零色散點(diǎn)位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種介質(zhì)柱光子晶體零色散慢光波導(dǎo)，包括一襯底；多個(gè)耦合腔，該耦合腔為矩形柱體，該耦合腔成一排直線(xiàn)豎立制作在襯底中間部位的上面，用于對(duì)慢光模式的調(diào)節(jié)；多個(gè)介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為圓柱體，該介質(zhì)柱成多排直線(xiàn)豎立制作在襯底的上面，而位于耦合腔的兩側(cè)，用于對(duì)光場(chǎng)的側(cè)向限制；一激發(fā)源，該激發(fā)源位于上述襯底的一側(cè)，與成排的耦合腔相對(duì)，激勵(lì)慢光模式的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)G02B6/122GK101887145SQ20101020174
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者曲連杰, 楊躍德, 黃永箴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所