基于光子晶体的超宽带光二极管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光二极管技术领域，具体涉及一种基于二维光子晶体的超带宽全光二极管。
【背景技术】
[0002]光子晶体类似于半导体材料具有电子能带，也具有导带和禁带(光子带隙)。光子晶体又称光子带隙材料，是由一种或者多种介电材料所构成的、介电常数在空间周期性变化的一种人工设计的晶体。空间周期性分布的介电常数对入射光波的调制作用就形成了光子带隙(禁带)，波长(或者频率)落入光子带隙的光将被全部反射回去而不能透过光子晶体。利用光子晶体的光子带隙，能够实现对光的传输过程进行有效的人为控制，因而在集成光子器件和光通信领域具有非常广泛的应用。基于光子晶体的光二极管是一种重要的集成光子器件，在光通讯、光计算和光信息处理等领域有着非常重要的应用。当前，许多研究者利用一种非对易光子晶体单向传输波导来研制全光二极管。基于磁光效应、光非线性、光声效应以及间接能带间光子跃迀等，打破了波导的对易性和时间反演对称，实现了光子晶体波导的单向传输(专利1，CN1812211A ;文献1，K.Liu, L.Shen, andS.He, “One-way edge mode in a gyromagnetic photonic crystal slab，，，OpticsLetters, V.37，4110(2012)，即 K.Liu, L.Shen, and S.He, “在旋磁平板光子晶体平板中的单向边界模”，光学快报，V.37,4110(2012)文献 2，H.Lira, Z.Yu, S.Fan, “Electricallydriven nonreciprocity induced by interband photonic transit1n on a siliconchip”, Phys.Rev.Lett.109，033901 (2012)，即 H.Lira, Z.Yu, S.Fan, “基于硅芯片的能带间光子跃迀诱导电驱动非对易”物理评论快报.109，033901 (2012);文献3，F.Li, J.Wang, LeoT.Varghese, “An all-silicon passive optical d1de”，Science,335，447(2012)，BP F.Li, J.Wang, Leo T.Varghese, “一个全光的无源光二极管”，科学，335，447 (2012);文南犬 4，H.Zhu, C.Jiang, “Optical isolat1n based on non-reciprocal micro-ringresonator”，IEEE J.Lightwave Technol.V29, 1647 (2011)，即朱海滨，姜淳，“基于非对易微环共振的光学隔离”，IEEE光波技术杂志.V29，1647(2011))尽管这些设计实现了完全的光隔离，但是由于制作限制或者带宽太窄等缺点，这些设计至今难以实现单片集成的全光二极管。Li Zhiyuan等基于两种晶格常数不同的硅基光子晶体(异质结)结构实现了一种全光二极管，其操作机理在于打破空间反演对称导致的方向性带隙差异(文献5，C.Wang, C.Zhou, Z.Li, ^On-chip optical d1de based on silicon photonic crystalhetero-junct1ns", Opt.Express, vl9, 26948 (2011).即 C.Wang, C.Zhou, Z.Li, 〃 基于异质结硅光子晶体的单片光二极管〃，光学学报，vl9, 26948(2011))，但是其波长带宽仅仅只有几十个纳米。在另外一种设计中(专利2，CN101692148)，通过在多层介质材料中加入一定周期的金属狭缝和金属层实现全光二极管，明显的该结构不易集成。Feng Shuai等提出了一种基于二维光子晶体的方形缺陷实现了全光二极管，其操作机理在于缺陷和波导模的匹配与否(文南犬 6，S.Feng, Y.Wang, “Unidirect1nal reciprocal wavelength filtersbased on the square—lattice photonic crystal structures with the rectangulardefects", Optics Express, v 21, 220 (2013).即冯帅，王义全，“基于方形光子晶体方缺陷的单向对易波长滤波器〃，光学学报，V 21,220(2013).)。这种结构不仅制作困难，而且带宽很窄。S.Fan等提出了一种尺寸超级微小的模式转化二极管结构，但其耦合区内介质柱子的半径尺寸优化后的数量级非常小，给器件的半导体制作带来极大的挑战(文南犬 7, V.Liu, David A.B.Miller, S.Fan, “Ultra-compact photonic crystal waveguidespatial mode converter and its connect1n to the optical d1de effect", Opt.Express, v20, 28388 (2012).即 V.Liu, David A.B.Miller, S.Fan, “超级微小的光子晶体波导空间模式转化器及其光学二极管效应〃，光学学报，V 20, 28388 (2012).)。Amin Khavasi等人提出了基于光子晶体波导的宽带全光二极管结构(文献8，A.Khavasi, M.Rezaei, A.P.Fard, K.Mehrany, 〃A heuristic approach to the realizat1n of the wide-bandoptical d1de effect in photonic crystal waveguides, "Journal of Optics,v15, 075501 (2013).即 A.Khavasi, M.Rezaei, A.P.Fard, K.Mehrany, 〃 基于光子晶体波导实现宽带光二极管的一种探索方法，〃光学杂志，V 15，075501 (2013).)。在这种结构中，有效的模式转化和模式滤波基于光子晶体缺陷波导设计。其中模式转化结构复杂，需要多条光子晶体波导才能实现，而且要取得高的模式转化效率需要介质柱子的不规则移动，这种结构会带来相当的实际制作难度。
【发明内容】
[0003]为了克服已有技术中光二极管的制作技术不成熟，结构复杂且带宽较窄的不足，本发明提供一种基于二维光子晶体的超宽带光二极管，结构较为简单，仅由三根光子晶体波导，一个模式转化和滤波区域以及一个波导匹配区域构成，具有相当大的带宽且易于集成和制备。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种基于光子晶体的超宽带光二极管，包括二根光子晶体多模线缺陷波导、一根光子晶体单模线缺陷波导、一个模式滤波与转化区域和一个波导匹配区域，二根光子晶体多模线缺陷波导分别作为输入波导和输出波导，所述模式滤波与转化区域包括一个光子晶体定向耦合器和二个90°光子晶体弯曲波导，所述输入波导与光子晶体定向耦合器的一侧连接，其中一个90°光子晶体弯曲波导的始端与所述光子晶体定向耦合器的另一侧连接，所述其中一个90°光子晶体弯曲波导的末端与另外一个90°光子晶体弯曲波导的始端相连；所述另外一个90°光子晶体弯曲波导的末端与一根沿着平行方向的光子晶体单模线缺陷波导相连，所述光子晶体单模线缺陷波导与波导匹配区域连接，所述波导匹配区域与输出波导相连。
[0006]进一步，所述光子晶体多模线缺陷波导通过在二维光子晶体中去除多列光子晶体介质柱获得。
[0007]再进一步，所述定向耦合区域是基于光子晶体多模线缺陷波导的中心水平放置一列介质硅柱获得，所述90°光子晶体弯曲波导通过在垂直方向去除的一列介质柱半径而获得。
[0008]所述单模线缺陷波导通过在二维光子晶体中去除一列光子晶体介质柱获得。
[0009]所述输入波导位于该光二极管的最左侧，所述输出波导位于该光二极管的最右侦U，所述输入波导与光子晶体定向耦合器的左侧连接，其中一个90°光子晶体弯曲波导的始端与所述光子晶体定向耦合器的右侧连接。
[0010]本发明的技术构思为:在本发明中，模式滤波与转化区域由一个光子晶体定向耦合器和二个90°光子晶体弯曲波导构成，它完成模式滤波功能和奇偶模相互转化功能。模式滤波功能由一个光子晶体定向耦合器完成，它仅允许奇模通过，阻止偶模通过。模式转化功能由该定向耦合器和二个90°光子晶体弯曲波导完成，它能够实现奇偶模之间的相互转化。
[0011]在本发明中，该光二极管的功能描述如下:在工作频段，光子晶体多模线缺陷波导仅支持基模(偶模)和一个高阶模(奇模)，输入波导和输出波导采用光子晶体多模线缺陷波导。而光子晶体单模先缺陷波导仅支持基模(偶模)。若高阶奇模从该光二极管左侧输入波导入射，它将能够通过模式滤波和转化区域，转化为偶模，因为光子晶体单模线缺陷波导仅支持偶模传输，经波导匹配区域之后，偶模将从输出波导输出。若偶模从该二极管左侧输入波导入射，则根本不能通过模式滤波和转化区域，因为该区域的定向耦合器仅支持奇模传输，偶模不能通过该定向耦合器。若高阶奇模从输出波导侧输入，则不能通过该光二极管，因为光子晶体单模线缺陷波导不支持奇模传输，仅仅支持偶模传输。若偶模从输出波导侧输入，则偶模能够通过光子晶体单模线缺陷波导传输，经模式滤波与转化区域后转化为奇模后，从输入波导输出。
[0012]在本发明的光二极管中，所用二维光子晶体由II1-V组普通介质材料(如硅)构成，该光子晶体能够基于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行制作，易于集成。该基于二维光子晶体的光二极管，结构较为简单、易于集成和制备、具有相当大的带宽。通过设置光子晶体晶格常数的大小，可以自由选定某个下路波长在1550nm附近整个通信窗口处。这种光二极管提供了一种调控空间模的有效手段，能够在多空间模的光系统中得到应用。
[0013]本发明的有益效果主要表现在:简化结构、带宽较大。
【附图说明】
[0014]图1为一种基于二维光子晶体波导的光二极管结构示意图。
[0015]图2为光子晶体多模线缺陷波导的模式色散图。
[0016]图3为光子晶体定向耦合器的模式色散图。
[0017]图4为奇模从光二极管的左侧入射时的传输强度谱。
[0018]图5为奇模从光二极管的右侧入射时的传输强度谱。
[0019]图6为波长1550nm时，奇模从光二极管的左侧入射时的稳态光波传播模式图。
[0020]图7为波长1550nm时，偶模从光二极管的左侧入射时的稳态光波传播模式图。
[0021]图8为波长1550nm时，奇模从光二极管的右侧入射时的稳态光波传播模式图。
[0022]图9为波长1550nm时