专利名称：一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，属于微型光电子器件设计技术领域。
背景技术：
近年来，尺寸为光波波长量级的光子晶体及其器件受到了广泛的研究。其中，基于光子晶体波导的慢光产生技术更是引起了人们的广泛关注。相比传统的慢光产生方法而言，光子晶体慢光波导具有更小的器件体积，能在室温下产生任意波长的慢光，产生的慢光特性可控等优点(文献I. T. Baba. “Slow light in photoniccrystals. ” Nature Photonics, 2008, 2 (8) :465-473.)。目前光子晶体大都是在绝缘体上娃(Silicon-on-insulator, SOI)材料上加工的，可以兼容当前主流的半导体制造技术。然而，在普通的光子晶体波导中，光被限制在高折射率材料中，这就限制了光子晶体波导的应用。光子晶体槽波导是2008年提出的一种新型结构(文献2. A. Di Falco, L.0’Faolain, T. F. Krauss. “Photonic crystal slotted slab waveguides.，，Photonicsand Nnostructures-Fundamentals and Applications, 2OO8,6 :38_41.),它结合了光子晶体波导与普通槽波导的优点，空气槽内可以填充电光或低折射率待测材料，慢光被束缚在很窄的低折射率介质槽内，空间上增加了信号的强度，进一步加强慢光与槽内低折射率物质的相互作用，可以用来实现小体积、高灵敏度的各种全光器件(文献3. J. D. Ryckman,
5.M. Weiss. “Localized field enhancements in guided and defect modes of aperiodic slot waveguide.，，IEEE Photonics Journal, 2011, 3 (6) :986-995.)。然而，在光子晶体槽波导的制备材料中，硅具有热光效应和热膨胀效应，导致光子晶体槽波导的群折射率会随温度发生漂移。同时，由于在常规光子晶体槽波导中，群折射率会随波长的变化而变化，光子晶体槽波导产生慢光将存在很强的群速度色散现象，导致光脉冲信号展宽，波形发生畸变。因此，设计一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构具有十分重要的意义，它可以减小温度和群速度色散的影响。2011年，伊朗学者(文献 4. H. Aghababaeian, M. H. Vadjed-Samiei, N. Granpayeh. “Temperature stabilizationof group index in silicon photonic crystal waveguides.，，Journal of the OpticalSociety of Korea，2011，15 (4) :398-402.)通过改变光子晶体槽波导中空气槽两侧的空气孔半径，将群速度提高到40时，带宽可达到10nm。同年，法国学者(文献5. C. Caer，X. L.Roux, V. K. Do, M. M. Delphine, N. Izard, L. Vivien, D. S. Gao and E. Cassan. “Dispersionengineering of wide slot photonic crystal waveguides by Bragg-like corrugationof the slot. ” IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23 (18) 1298-1300.)提出了一种布拉格光栅结构的空气槽，仿真结果表明，这种光子晶体槽波导结构可以产生群速度为140，带宽为I. 5nm的慢光现象。但是由于光子晶体的孔形状和尺寸很难精确控制(文献
6.J. Li,T. P. White,L. O^Faolain,A. Gomez-Iglesias,T. F. Krauss. “Systematic designof flat band slow light in photonic crystal waveguides.，，OpticalExpress，2008，16(9) :6227-6232.)，以上两种方法虽然在一定程度上改善了光子晶体槽波导的慢光特性，但却增加了制备的复杂性。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明的目的在于克服已有光子晶体槽波导结构优化方法的不足，提出一种结构简单、易于制备且能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构。( 二 )技术方案为了达到上述目的，本发明提出一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，研究了这种新型光子晶体槽波导结构的慢光特性。该慢光波导结构是在普通硅介质背景空气孔结构的光子晶体槽波导基础上引入斜体结构并调整最靠近空气槽的两排空气孔位置，从 而有效的改善光子晶体槽波导的色散曲线，以实现宽带、低群速度的慢光效果。上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构可以在半导体材料基板绝缘体上硅(Silicon On Insulator, SOI)上利用掩膜、电子束曝光、离子刻蚀、干法刻蚀、湿法腐蚀等技术形成空气桥结构的光子晶体槽波导。上述方案中，所述的光子晶体结构采用的是三角晶格结构，空气孔的半径r =0. 32a (其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，为保证光子晶体器件工作在传输损耗比较小的1550nm波段，一般晶格常数a取400nm左右。上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构中，背景介质采用纯硅，折射率n =
3.48，硅厚度h = 400nm ;所有空气孔中均是空气，折射率均为Iitl = I。上述方案中，所述的光子晶体槽波导，是指在普通的硅介质背景空气孔结构光子晶体的基础上，去掉中间的一排空气孔形成Wl结构的光子晶体波导，再在缺陷中心处放置一个宽度为《 = 0. 3a的空气槽。上述方案中，所述的斜体光子晶体槽波导，是指在原本三角晶格排列的空气孔结构中，三个空气孔所构成的图形为正三角形，三角形的边长均等于晶格常数a，但在斜体光子晶体结构中将沿波导方向的晶格常数增加为I. 06a，使之变为等腰三角形，其中槽波导方向与等腰三角形的底边平行。上述方案中，所述的改变空气孔位置是将靠近空气槽的第一排空气孔沿远离空气槽的方向移动0. 05a,同时将靠近空气槽的第二排空气孔沿远离空气槽的方向移动0. 13a。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I)利用光子晶体波导实现慢光要比其他慢光产生方法具有更大的带宽、更小的体积、更好的可实现性，且结构参数多样，产生的慢光可控，更适用于实际应用。2)光子晶体槽波导产生的慢光会被束缚在很窄的低折射率介质槽内，空间上增加信号的强度，进一步加强慢光与槽内低折射率物质的相互作用，可以用来实现小体积、高灵敏度的各种全光器件。3)本发明提供的这种产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，通过引入斜体结构以及调整空气槽两侧空气孔位置的方法来调整光子晶体槽波导的慢光特性，可以产生群速度降至c/100时，带宽可达2. 85nm的慢光。解决了基于光子晶体槽波导的光器件由于受温度、群速度色散的影响，导致其应用范围受限的问题。4)本发明提供的这种产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，整个设计过程中只需要移动空气孔的位置，与传统的实现方法相比结构更为精简，降低了工艺探索难度。
以下各图所取的光子晶体槽波导的结构参数均与具体实施方式
中相同。图I为斜体二维三角晶格光子晶 体槽波导的结构示意图，其中PU P2代表了最靠近空气槽的两排空气孔的移动大小和方向；图2(a)为光子晶体槽波导的色散曲线与Pl之间的关系；图2(13)为光子晶体槽波导的色散曲线与P2之间的关系；图3为普通光子晶体槽波导与斜体光子晶体槽波导的色散曲线对比图；图4为光子晶体槽波导经过结构优化设计后的群折射率曲线。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及结构优化过程作进一步的详细说明。本发明提出了一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，如图I所示为斜体结构的二维三角晶格光子晶体槽波导结构示意图，它是通过在普通三角晶格光子晶体中引入空气槽和斜体结构而形成的。在普通的三角晶格光子晶体中，将中间一排空气孔换成宽度为0. 3a的空气槽，形成光子晶体槽波导结构，同时将波导方向的晶格常数(即，空气孔间距)增加为I. 06a，形成斜体光子晶体槽波导结构。在图I所示的结构中，a为晶格常数，空气孔的半径为r = 0.32a，沿波导方向的晶格常数为I. 06a。所有空气孔的折射率均为I，介质背景采用纯硅，折射率为n = 3. 48，硅厚度为h = 400nm，空气槽宽度为《 = 0. 3a。图中红色虚线是最靠近空气槽的两排空气孔的中心连线，其中Pl和P2分别表示靠近空气槽的第一排和第二排空气孔中心位置的位移，并且以图中箭头方向为正方向，即当空气孔的位移与箭头一致时记为正位移，反之为负位移，Pl和P2的大小代表了移动量的大小。根据群速度的定义公式，对于一个中心频率为Oci的光波，群速度为
do) cvS=JT =—(I)
dk ns式中，Co为光波角频率；k为波矢；ng为慢光群折射率，反应了慢光减慢的程度。光子晶体波导内的慢光现象是通过导模与周期性晶格之间不断发生布拉格反射现象而形成的。光子晶体波导慢光的核心思想就是通过调整光子晶体波导的结构，得到比较平坦的缺陷模式色散曲线。图2为利用麻省理工学院的MPB软件仿真得到的光子晶体槽波导色散曲线与PU P2之间的关系。可以很明显的看出，随着Pl的增加，色散曲线逐渐向低频方向移动的同时逐渐趋于平坦。而随着P2的增加，色散曲线先是向低频方向移动，然后以P2 = 0. Ia为转折点向高频方向移动。根据公式(I)，对光子晶体槽波导的导模色散曲线进行求导，可以得到群折射率随频率的变化关系。如果设计增加Pl来减小尾部的色散曲线斜率，同时选择合适的P2以减小中间部分色散曲线的斜率，这样就可以在很大带宽范围内提高群折射率，同时也可以降低群速度色散。图3所示为普通光子晶体槽波导与斜体结构光子晶体槽波导的色散曲线对比图。从图中可以看出，光子晶体的能带曲线可以分为折射率效应为主导的导光模式和光子禁带效应主导的导光模式。而通常所说的慢光的群折射率是在光子禁带效应下得到的。本发明在光子晶体槽波导结构中引入斜体结构，即在原光子晶体槽波导的基础上只增加沿槽波导方向的晶格常数，这样就把波导模式的能量尽可能多的挤压到两侧光子晶体晶格区域，也就会增加由光子禁带效应主导的导光模式。但是，引入斜体结构的同时，会导致能带曲线的交叉点往光锥线的上方移动，这样会导致更大的损耗。所以，综合考虑这两方面的影响，本发明选用I. 06a作为沿槽波导方向的晶格常数。根据以上的分析，调节斜体光子晶体槽波导空气槽两侧的空气孔位置使Pl =0.05a，P2 = 0. 13a，得到斜体光子晶体槽波导的群折射率曲线如图4所示。为保证慢光工作在1550nm波段，利用归一化频率推出晶格常数a = 1550X0. 2443 = 378. 665nm。根
据慢光带宽的定义，设定群折射率上下波动量在带宽范围内不超过中心值10%为慢光的带宽，则本发明所设计的这种新型光子晶体槽波导可以在归一化频率从0. 24405 Co a/2 c到0. 2445 a/2 Ji c范围内(即在带宽为2. 85nm的波长范围内)，将慢光群折射率提高到100 (即将光群速度减慢至c/100)。
权利要求
1.一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，其特征在于该光子晶体槽波导结构是在普通的硅介质背景(折射率为3.48)空气孔(折射率为I)结构的光子晶体槽波导基础上引入斜体结构并调整最靠近空气槽的两排空气孔位置，从而有效的改善光子晶体槽波导的色散曲线，实现宽带、低群速度的慢光效果。
2.如权利要求I所述的一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，其特征在于光子晶体结构采用的是三角晶格结构，空气孔的半径r = 0. 32a(其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，背景介质采用纯硅材料，硅厚度h = 400nm ;所有空气孔中均是空气。
3.如权利要求I所述的一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构，其特征在于在普通的硅介质背景空气孔结构光子晶体的基础上，去掉中间的一排空气孔形成Wl结构的光子晶体波导，并在缺陷中心处放置宽度为《 = 0.3a的空气槽，形成光子晶体槽波导；同时将沿波导方向的晶格常数增加至I. 06a,以形成斜体结构的光子晶体槽波导；再将靠近空气槽的第一排空气孔沿远离空气槽的方向移动0. 05a,同时将靠近空气槽的第二排空气 孔沿远离空气槽的方向移动0. 13a，最终实现一种可以产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构。
全文摘要
本发明提出了一种能产生宽带慢光的光子晶体槽波导结构。光子晶体结构采用的是三角晶格结构，晶格常数为a，空气孔的半径r，通过去掉中间的一排空气孔形成W1结构的光子晶体波导，并在缺陷中心处放置宽度为ω＝0.3a的空气槽，形成光子晶体槽波导。本发明通过将沿波导方向的晶格常数增加为1.06a，形成斜体结构的光子晶体槽波导，并将靠近空气槽的第一排空气孔沿远离空气槽的方向移动0.05a，同时将靠近空气槽的第二排空气孔沿远离空气槽的方向移动0.13a。仿真结果表明，利用本发明提出的光子晶体槽波导结构，当群速度为c/100时，慢光带宽达到2.85nm。
文档编号G02B6/122GK102759775SQ20121023668
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者张亚男, 赵勇 申请人:东北大学