可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构的制作方法

本发明属于微纳光电器件研究技术领域，具体是指一种可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构。

背景技术：

光通信的发展趋势为光量子技术微型化和集成化，而可集成的高性能光子二极管作为光量子技术的关键部件不可或缺。光子晶体是以光子为信息载体的新型材料。基于方向带隙失配设计的光子晶体异质结构，可实现光波单向传输，但正向透射率较低，带宽较窄，不能满足实际应用的要求。

2011年，李志远等(on-chipopticaldiodebasedonsiliconphotoniccrystalheterojunctionsopt.express.2011,vol:19,26948-26955)设计了方向带隙不匹配的空气孔型光子晶体异质结构，实现了光波单向传输，但正向透射率仅为21.3%、带宽为50nm，透射率较低、带宽较窄。

2013年，冯帅等(unidirectionallightpropagationcharactersofthetriangular-latticehybrid-waveguidephotoniccrystals,opt.mater.2013,vol:35,1455-1460)利用混合波导实现了光子晶体的单向光传输特性，传输范围为65nm，带宽较窄。

2015年，李琳等（基于全反射的二维光子晶体异质结的光波单向传输研究，山西大学学报.2015，vol:38，104-110）利用全反射原理，突破方向带隙限制，实现了te模式下的光波单向传输，在1560nm处正向透射率为0.5，正向透射率较低。

2018年，刘辉阳等（基于全反射的波导异质结构单向传输性能研究，actaoptica.sinica.2018，vol:38，3）设计了三角晶格光子晶体波导异质结构，实现了在异质结构一中，te模式光波在1458-1517nm波长范围内正向透射率高于0.8，透射对比度高于0.9的单向传输，带宽较窄。

技术实现要素：

本发明的目的是设计出一种能够在较宽的频带内实现高透射率和高对比度的光子晶体结构，以满足光学领域的实际需求。

本发明的原理是利用广义全反射原理，设计了一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构，利用波导结构提高光波的单向传输效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构，包括衬底层和设置在衬底层上的二氧化硅基底和锗基底，所述二氧化硅基底和锗基底分别设置在异质结界面两侧；所述二氧化硅基底内填充有多个周期性排列的锗圆柱，形成第一光子晶体，所述锗圆柱的轴向与二氧化硅基底平面垂直；所述锗基底内填充有多个周期性排列的二氧化硅圆柱，形成第二光子晶体，二氧化硅圆柱的轴向与锗基底平面垂直；光线从第一光子晶体一侧入射，入射方向与所述异质结界面呈60°夹角。

所述第一光子晶体和第二光子晶体中心分别设置有沿光束入射方向的第一无填充区和第二无填充区。

所述第一光子晶体中，锗圆柱的填充率为r1/a1=0.32，r1表示锗圆柱的半径，a1表示相邻两个锗圆柱圆心之间的距离。

锗圆柱的半径r1=0.256μm。

所述第二光子晶体中，二氧化硅圆柱的填充率为r2/a2=0.4，r2表示二氧化硅圆柱的半径，a2表示相邻两个二氧化硅圆柱的圆心之间的距离。

二氧化硅圆柱的半径r2=0.334μm。

所述衬底层为二氧化硅材料，其厚度大于1000nm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的原理是利用广义全反射原理，设计了一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构，在波导中加入了缺陷结构，利用波导结构提高光波的单向传输效率，在1450nm~1650nm范围内，te偏振态下正向透射率达0.78以上和透射对比度达0.86以上。在光通信中心波长1550nm处，te偏振态下正向透射率为0.90，透射对比度为0.98。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可实现光波宽带单向高透射的波导型光子晶体异质结构的结构示意图；

图2为图1的aa剖视图；

图3为本发明实施例中光子晶体pc1在te模式下的能带图；

图4为本发明实施例中光子晶体pc2在te模式下的能带图；

图5为本发明在te模式下透射率与透射率对比图；

图6本发明在te模式下，1550nm处正入射场强分布图；

图7本发明在te模式下，1550nm处反入射场强分布图。

图中：1为异质结界面，2为二氧化硅基底，3为锗基底，4为锗圆柱，5为二氧化硅圆柱，6为波导。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~2所示，本发明实施例提供了一种可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构，包括衬底层和设置在衬底层上的二氧化硅基底2和锗基底3，所述二氧化硅基底2和锗基底3分别设置在异质结界面1两侧，其厚度相同；所述二氧化硅基底2内周期性填充有多个锗圆柱4，形成第一光子晶体，所述锗圆柱4的轴向与二氧化硅基底2平面垂直；所述锗基底3内周期性填充有多个二氧化硅圆柱5，形成第二光子晶体，二氧化硅圆柱5的轴向与锗基底3平面垂直；光线从第一光子晶体一侧入射，入射方向与所述异质结界面1呈60°夹角。

此外，本实施例中，所述第一光子晶体和第二光子晶体中心分别设置有沿光束入射方向的第一无填充区7和第二无填充区6。第一无填充区7和第二无填充区6的形成波导结构。

具体地，本实施例中，所述第一光子晶体中，锗圆柱4以等边三角形的排布方式均匀布置，且靠近波导位置上下两行中，锗圆柱4为隔列去掉一个；其填充率为r1/a1=0.32，r1表示锗圆柱4的半径，a1表示相邻两个锗圆柱4的圆心之间的距离。所述第二光子晶体中，二氧化硅圆柱也是以等边三角形的排布方式均匀排列，并且仅为靠近波导位置的下行中，二氧化硅圆柱5为隔列去掉一个；二氧化硅圆柱5的填充率为r2/a2=0.4，r2表示二氧化硅圆柱5的半径，a2表示相邻两个二氧化硅圆柱5的圆心之间的距离。

具体地，本实施例中，衬底层为二氧化硅衬底，其厚度大于1000nm。

具体地，本实施例中，锗圆柱4的半径r1=0.256μm，二氧化硅圆柱5的半径r2=0.334μm。

本发明实施例提供的一种光子晶体可以基于剥离技术进行加工，其加工过程分为以下几个步骤：首先选取sio2晶片作为衬底，在上面涂覆低折射率聚合物，然后使用化学气相沉积的方法在衬底上生长材料sio2材料；然后使用旋转涂胶的方法在材料表面涂上光刻胶，并使用光刻的方法在光刻胶上制作sio2材料对应的图形。之后以光刻胶为掩模，使用感应耦合等离子体（icp）刻蚀的方法在sio2材料上将锗材料所对应的位置刻蚀成空白。之后在空白处使用cvd方法生长锗材料。洗去光刻胶之后多余的材锗材料（在sio2材料顶端）的锗材料被移除。其中，异质结界面可以直接由图形控制。通过上述方法制备出能实现单向传输的光子晶体异质结构。异质结构的厚度由sio2材料的厚度决定，考虑到衍射极限的要求，sio2材料的厚度必须大于1550nm波长的衍射极限为。在刻蚀的过程中，要求将sio2完全刻蚀穿透。沉积要求圆柱高度与sio2材料厚度相同。因此，在孔洞中完全为异质材料。

如图3和4所示：光子晶体pc1和光子晶体pc2在te模式下，同时属于禁带的归一化频率在0.525~0.556（a/λ）。其中a是晶格常数，λ是波长。因此光子晶体在禁带区，为实现较宽频带高透射率高对比度单向传输提供了条件。

利用透射对比公式：c=（tf—tb）/（tf+tb）得到透射对比度c，其中tf代表正向透射率，tb代表反向透射率，c代表透射对比度。如图5所示，通过二维时域有限差分法（fdtd)计算模拟出在1450nm~1650nm范围内，te偏振态下正向透射率达0.78以上和透射对比度达0.86以上。

如图6所示，为本发明实施例在1550nm处得到在te模式下的正向入射场场强分布图，如图7所示，为本发明实施例在1550nm处得到在te模式下的反向入射场场强分布图。从图中可以看出正向入射光源可以通过，反向入射光源被截至，实现了光子晶体异质结构的光波单向传输。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。