专利名称：利用点缺陷间干涉的二维光子晶体光学共振器和光学反射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以被用作波分多路复用通信所用光源的光学共振器和光学反射器。
背景技术：
近来，光子晶体作为一种光学器件已经引发关注。光子晶体是一种具有周期性折射率分布的光学功能材料，它具有关于光子能量的带状结构。它的一个特点是具有一个不允许光传播的能量区域(称为光子禁带)。
光子晶体应用领域的一个实例是光通信。目前的光通信使用波分多路复用器(WDM)代替通常被称为时分多路复用(TDM)的方法。波分多路复用作为一种通信方法，其中通过信号传输线传送多波长的光，每种波长携带不同的信号。这种方法使每单位时间能够传送的信息量极大地增多。
波分多路复用需要关于每一种波长的光源。当前所用各种光源中间，一类光源是使用半导体激光器，每个半导体激光器具有与每种光波长相应的不同振荡波长，另一类光源使用与光多路分用器结合的白光源。但这些方法不可避免地会增大器件的尺寸，而且效率低下。
已经知道光子晶体可以用作光学共振器。由于光学共振器能够限制光，所以，适宜的发光装置能够被用作光源。把光学晶体用作光源将明显地减小波分多路复用光通信设备的尺寸。
已经对光学晶体，特别是各种二维光学晶体用作光学共振器进行了研究(比如日本未审专利公开No.2001-272555所述的那样)。按照该文，造成光学晶体周期性方面混乱的点缺陷(point defect)和线缺陷(line defect)的引入造成光子禁带内的缺陷所引起的能级(缺陷能级)。这就使得光只能出射与光子禁带相应的波长范围内与缺陷能级能量对应的波长。所述线缺陷的作用像是波导，而点缺陷的作用像是光学共振器。当白光内所含的特定共振波长的光线被引导通过波导进入光学共振器时，光在光学共振器中共振，并从二维表面发射到外面。因而，可将二维光学晶体用作发射特定波长光的光源。二维光学晶体的应用并不限于光学共振器(或光源)，也可以考虑它对波长多路复用器件/波分多路分用器件的应用。
对于上述普通二维光子晶体而言，假设所述光学共振器对每种波长只使用单一的点缺陷。然而，这种只包含单一点缺陷的简单结构使部分光能够通过波导和光学共振器，以便在波导周围受到反射，或者通过波导而不进入光学共振器(即穿过光学共振器)。因而，本文将反射的光称为“反射光”，而将透过的光称为“透射光”。反射光和透射光的存在，使光学共振器的发光的效率变差。具体地说，发光率可能不会高过大约50％，所述发光率被定义为从光学共振器发射到外面的光量与引入波导中的白光中具有共振波长的光组分的量之比。
提出本发明，用以解决这样的问题，它的目的在于提供一种具有较高发光效率的二维光子晶体的光学共振器。本发明还要论证可将同样的结构应用于光学反射器。
发明内容
为解决上述问题，本发明第一种形式利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，包括a)呈板状的主体；b)多个具有与所述主体不同折射率的变折射率区域，它们以周期性的方式排布在所述主体中；c)由各变折射率区域的缺陷以线性方式在所述主体内形成的一个波导；d)由两个同一类型的点状缺陷构成的点状缺陷对，它们位于波导附近，并沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之(2n-1)/4倍那样长的一段距离，其中n是正整数。
本发明第二种形式利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，包括
a)呈板状的主体；b)多个具有与所述主体不同折射率的变折射率区域，它们以周期性的方式排布在所述主体中；c)通过以线性方式制造各变折射率区域的缺陷在主体内形成的波导；d)由两个同一类型的点状缺陷构成的点状缺陷对，它们位于波导附近，并沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之n/2倍那样长的一段距离，其中n是正整数。
利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光反射器，包括a)呈板状的主体；b)多个具有与所述主体不同折射率的变折射率区域，它们以周期性的方式排布在所述主体中；c)通过以线性方式制造各变折射率区域的缺陷在主体内形成的波导；d)由两个同一类型的点状缺陷构成的点状缺陷对，它们位于波导附近，并沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之m/2倍那样长的一段距离，其中m是正整数。
利用上述光反射器可还以构成组成第二种光学共振器中的点状缺陷对的每个点状缺陷。
按照本发明，一种厚度充分地小于沿平面方向尺寸的平面形的板被用作利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的主体。在这种主体内，具有不同于主体折射率的变折射率区域是以周期性的方式排布的。这种变折射率区域的周期性排布产生光子禁带，它不允许能量落入该光子禁带区域内的光存在。这意味着具有与这种能量相应波长的光不能通过所述主体。
变折射率区域的折射率可能高于或者低于主体的折射率。但从容易选择材料的观点看，可取的是由具有低折射率的材料制成所述变折射率区域，因为所述主体通常是用具有高折射率的材料制造的。
可以通过将具有低折射率的材料插入所述主体中，或者只是在所述主体中形成孔，而形成所述低折射率区域。在后一种情况下，空气构成所述变折射率区域。具体地说，空气是具有低折射率的材料。因此，形成孔有利于增大变折射率区域与主体之间的折射率差别。作为共振器或反射器，这给出较高的Q因子值。此外，形成孔要比插入不同材料容易。
下面的描述中将这样的点称为晶格点，在这样的点处，变折射率区域是按周期性方式排布的。晶格点可能排布成各种图样。典型的例子包括方形晶格图样或三角形晶格图样。
在具有上述周期性的光子晶体中，位于一定晶格点处的变折射率区域中形成的缺陷造成所述周期性的混乱。如果适当地确定缺陷的参数，则所述周期性方面的混乱引起光子禁带内的缺陷能级，它们产生允许主体内的光存在的点，在所述主体内基本上不允许光出射。这就被称为点缺陷。沿着一条线造成的点缺陷在主体内形成波导，光可以通过它。这被称为线缺陷。线缺陷可以使得形成弯线或曲线以及直线。一条线缺陷可以包含单独一排晶格点或者一侧接一侧的多排晶格点。
在由多个孔形成变折射率区的情况下，在晶格点处最容易形成缺陷的方法是用主体的材料填充晶格点处的孔，也就是说，省去在晶格点处钻孔。作为选择，增大孔的直径制成孔形缺陷。通过不在晶格点处钻孔而形成的缺陷被称为施主型缺陷，而通过增大孔的直径形成缺陷称为受主型缺陷。
下面描述施主型缺陷和受主型缺陷。这种说明要涉及折射率，因为本发明涉及的光包含红外线和紫外线。但就一般而言，利用介电常数的周期性差异造成光子晶体。因此，为了造成缺陷，应该改变在所述主体内周期性排布的各变折射率区(或晶格点)之一的介电常数。介电常数高于其它各点的晶格点被称为施主型缺陷，而低于其它各点之介电常数的晶格点被称为受主型缺陷。有如前面所描述的那样，当在由一定材料制成的主体内排布各孔而不在一定的晶格点处钻孔(或者以主体的材料填充孔)，以造成缺陷时，所述点处的介电常数比空气的高，以致所述的点成为施主型缺陷。相反，增大晶格点处孔的直径将使所述点处的介电常数减小，并且该点将成为受主型缺陷。
按照本发明，具有同样形状和大小的两点型缺陷排列在波导附近，并且它们沿着波导的导引方向彼此间隔一段距离L。这种由两点型缺陷构成的结构被称为点型缺陷对。这里的“波导附近”意味着这样的区域，即所述两点型缺陷与波导有某种明显的相互作用。从对称的观点，虽然两点型缺陷与波导的距离应该是相同的，但可以允许它们略有不同。所述各个点型缺陷包括单独一个晶格点构成的点缺陷和多个彼此相邻的晶格点构成的簇缺陷(cluster defect)。点型缺陷可以是受主型缺陷或施主型缺陷。
确定每个点型缺陷(以及在簇缺陷情况下构成该簇缺陷之各点缺陷的排列)的尺寸，使共振波长等于目标共振波长；在所述共振波长下，由两点型缺陷(以及位于其附近的波导)构成的共振器应该共振。
迄今所述的结构对于本发明光学共振器的第一和第二两种形式基本上是共用的。为什么这里使用“基本上”一词的理由在于，有如后面有述的那样，按照第二种形式，可以用彼此间隔一段距离L′(L＞L′)两个点状缺陷(或点状缺陷对)代替每一个点状缺陷。
按照第一种形式，两个点状缺陷之间的距离L是目标共振波长λ的(2n-1)/4倍那样长，这里的n是正整数。也就是说，它等于目标共振波长的四分之一乘以一个奇数整数。换句话说，所述距离等于把四分之一波长与一个整数相乘后的目标波长相加，或者从与一个整数相乘后的目标波长减去四分之一波长所得到的值。这里的λ是穿过所述主体的光的波长，它与主体的折射率有关。
设定λ＝(2n-1)/4的理由如下。为了说明的方便，将透过波导的光首先遇到的点状缺陷称为“缺陷1”，而把其它的点状缺陷称为“缺陷2”。当按这种方式确定距离L时，在缺陷1处反射的光与在缺陷2处反射的光之间的光程差是2L＝(2n-1)λ/2，也即半波长乘以一个奇数，使两条反射光线互相干涉并抵销。于是，反射光以及透射光同时受到抑制，波导内出射的光有效地进入共振器，因而被留住。
每个点状缺陷与波导之间的距离并不影响光程差。为了抑制反射光和透射光，所需要的是设计点状缺陷与波导之间的距离，使得表示波导与每个点状缺陷之间Q因子的Qp以及表示每个缺陷与外面之间Q因子的Qv彼此接近，或者最好是彼此相等。
按照第二种形式，两个点状缺陷之间的距离L是目标共振波长λ的n/2倍那样长，这里的n是正整数。也就是说，距离L等于目标共振波长之半乘以一个整数。当按这种方式确定距离L时，在缺陷1和缺陷2处反射的光线在两个缺陷之间形成驻波并共振。也就是说，按照第二种方式，位于两个点状缺陷之间的波导起共振器的作用。以下将这种共振器方式被称为波导光学共振器。
在这种波导光学共振器中，可以从波导或者沿与二维表面垂直的方向发出共振光。可以按照用户的目的或条件从这两种方式选择发出光的方法。
可以通过在波导中包含激光介质使波导方式的共振器构成激光光源。
按照第二种形式，利用点状缺陷反射光。点状缺陷只反射与缺陷能级相应的特定波长的光。因此，这种共振器只允许单一波长的光共振，而不受高次谐波的影响。为了增强在各点状缺陷处的反射，可以考虑第二种形式，以使Qv适当地大于Qp。
如上所述，可将第二种形式的光学共振器用作光学反射器。当把注意力放在波导中行波的行程入口一侧时，从缺陷1反射的光与从缺陷2反射的光之间的光程差2L等于波长乘以整数，使两条反射光线彼此增强。这意味着光在波导的进口侧受到有效的反射。这就使所述光学反射器被用作反射特定波长光的光学滤波器，而不使它通过。
在上述光学反射器中，可将另一组两个点状缺陷(或点状缺陷对)加到波导的相对侧。在这种情况下，沿波导宽度方向的距离可能略有不同，但纵向位置必须相同。在这种情况下，四个点状缺陷作为一组，构成光学反射器。这种结构比使用两个点状缺陷作为一组的光学反射器给出更高的光反射效率。
使用上述光学反射器将加强第二种反射光学共振器中的共振。在第二种形式下，上述两个或四个点状缺陷组分别排布在缺陷1和缺陷2的位置。两个或四个点状缺陷组比单独一个点状缺陷更有效地反射光，以致第二种形式的光学共振器中发生的共振得到加强，并且发光效率也得到提高。
在本发明采用点缺陷之间干涉的第一种方式二维光子晶体光学共振器中，使引起普通类型使用点缺陷之二维光子晶体光学共振器的发光效率变差的反射光和透射光得到抑制。这导致从点状缺陷发射到外面的光强增强，并提高发光效率。
在本发明采用点缺陷之间干涉的第二种方式二维光子晶体光学共振器中，各点状缺陷处反射的光肯定被用于在两个点状缺陷之间的波导内部产生光的共振。这是一种新型的光学共振器，与普通二维光子晶体光学共振器不同，在普通的二维光子晶体光学共振器中，各点状缺陷本身起光学共振器的作用。
此外，按照本发明第二种方式，可将利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的结构用作光学反射器。这使得能够构成一种滤波器，阻碍从一端传送的光内所含特定波长的光，并反射所述的光。
图1表示本发明利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的实例，其中将受主型点缺陷用作所述点状缺陷；图2表示本发明利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的实例，其中将施主型点缺陷用作所述点状缺陷；图3表示第一种方式共振器的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的光输出效率；图4表示普通类型的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的光输出效率；图5以示意方式表示利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器结构的实例；图6表示利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器的反射率；图7以示意方式表示利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器结构的实例；图8(a)，8(b)和8(c)以示意方式表示利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器结构的其它实例。
具体实施例方式
(1)第一种方式的结构实例图1和2表示本发明利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器结构的实例。图1和2中所示板形物体是板(主体)11。当考虑将1.5μm波带的红外光用于光通信时，可用InGaAsP制成所述板11，它对于该波带是透明的。
在这种板11上，按周期a排布着多个孔12。这些孔12是变折射率区域，从而形成光子禁带。图1和2表示一种实例，其中将各孔12排布成三角形晶格图样。也可以采用其它周期性排列图样，比如方形晶格图样。
前述日本未审专利公开No.2001-272555教导上述波带对应于0.27c/a至0.28c/a的频率范围，其中c是光速，或者对应于a/0.28至a/0.27的波长范围。因此，为了在光子禁带内形成与波长λ对应的缺陷能级，以产生波长为λ的光的共振，必须选择周期a在0.27λ至0.28λ范围。对于波长为1.5μm的红外光而言，譬如周期a约为0.41μm至0.42μm。
通过设置不钻孔的线性区域而形成波导13。
在图1所示的实例中，两个受主型点缺陷14具有相同的形状和尺寸，沿波导的纵长方向彼此间隔距离L＝(2n-1)/4。通过增大孔12的半径形成受主型点缺陷14。在图2所示的实例中，通过不钻两个或多个位置相邻的孔12形成两个施主型簇缺陷15。在图2所示的实例中，施主型簇缺陷成三角形。另外，可取其它各种形式，如成四个或多个缺陷构成的直线形状。
(2)第一种方式的发光效率以下描述对于采用图1所示受主型点缺陷情况下的发光效率研究结果。第一步，确定晶格点的周期a和前述距离L。当使多个孔有如图1所示那样排布时，使两个受主型点缺陷中的每一个位于一个晶格点处，以使L等于周期a乘以一个整数，即L＝ma，其中m为整数。由这个公式以及前述的条件L＝(2n-1)λ/4，得到公式a＝λ(2n-1)/4m。然后，在用于在前述光子禁带内形成与波长λ相应之缺陷能级的0.27λ＜a＜0.28λ条件下，通过适当选择整数m和n，可以确定a和L。
在本例中，以a＝0.410μm和L＝16.0μm(n＝26，m＝39)计算发光效率；这一设定满足上述当λ＝1.255μm时的条件，这等价于空气中λ＝1.5μm的波长。按照上述从波导来的特定波长光的强度为1的假设，计算从缺陷1发射的光的强度，从缺陷2发射的光的强度，从缺陷1和缺陷2反射的光的强度，以及通过缺陷1和缺陷2的光的强度。分别对Qp＝Qv和Qp＜Qv实现计算，其中，Qp是波导与每个缺陷之间的Q因子，而Qv是每个缺陷与外面之间的Q因子。结果被示于图3中。它表明当Qp＝Qv时，有接近引入光的70％按λ＝1.5μm从缺陷1被发射(或发出)到外面。
作为比较，图4表示普通类型的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器的光输出效率。图4中的横轴表示用中心角频率ω0除光的角频率ω。该图表明，在普通情况下，最大的光输出效率约为50％。将这个值与前述的百分数相比表明，本发明的共振器提高了光的输出效率。(3)利用点缺陷间干涉之二维光子晶体光学共振器结构的实施例图5表示按照本发明第二种方式波导光学共振器结构的一种实例。该例中，两个点状缺陷位于波导的一侧，彼此沿与波导平行的方向间隔开距离L＝nλ/2。有如粗箭头所示者，波导内的光受到两个点状缺陷的反射，并被限制于它们之间的波导内。为了提高这种限制的效果，考虑使Qv或向外方向的每个点状缺陷处的Q因子尽可能地大，并使Qp或与波导平行方向上的Q因子尽可能地小。以下的部分研究各种情况。
(4)利用点缺陷间干涉之二维光子晶体光学反射器结构的实施例图7以示意方式表示利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器结构的一种实例。将此图与图5相比较清楚地表明，这种光学反射器与图5所示的波导光学共振器结构相同。有如前面所说的那样，点状缺陷对固有地满足共振条件，同时，对从外面来到这点的光满足反射条件。因此，有如图7中粗箭头所表示的那样，满足波长λ＝2L/m的光受到所述点状缺陷对的反射，而不能进一步传送。
图8(a)，8(b)和8(c)表示上述波导光学共振器和光学反射器结构的其它实例。在图8(a)所示的例子中，施主型簇缺陷被用作所述点状缺陷。在图8(b)所示的例子中，点状缺陷对位于波导的两侧。在图8(c)所示的例子中，点状缺陷对位于波导的两侧，并且每个点状缺陷对也是由一个点状缺陷对构成的。对于这种结构而言，有如图6所示那样计算所述反射率。这表明具有图8(c)所示四个缺陷的结构比图5所示每个点状缺陷由一个单独点缺陷给出的结构给出尤好的反射率。
权利要求
1.一种利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，它包括a)呈板状的主体；b)多个具有与所述主体不同折射率的变折射率区域，它们以周期性的方式排布在所述主体中；c)由各变折射率区域的缺陷以线性方式在所述主体内形成的波导；d)由两个同一类型的点状缺陷构成的点状缺陷对，它们位于波导附近，并沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之(2n-1)/4倍那样长的一段距离，其中n是正整数。
2.如权利要求1所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，所述点状缺陷对的每个缺陷是包含两个或多个彼此相邻缺陷的簇缺陷。
3.一种利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，它包括a)呈板状的主体；b)多个具有与所述主体不同折射率的变折射率区域，它们以周期性的方式排布在所述主体中；c)由以线性方式制造各变折射率区域的缺陷在主体内形成的波导；d)由两个同一类型的点状缺陷构成的点状缺陷对，它们位于波导附近，并沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之n/2倍那样长的一段距离，其中n是正整数。
4.如权利要求3所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，所述点状缺陷对的每个缺陷是包含两个或多个彼此相邻缺陷的簇缺陷。
5.如权利要求3所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，由点状缺陷对构成的每个缺陷是一个由两个同样类型点缺陷构成的光学反射器，所述两个点缺陷沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之m/2倍那样长的一段距离，其中m是正整数，且n＞m。
6.如权利要求5所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，另一个光学反射器跨越波导并沿波导宽度方向位于与前述光学反射器相对的位置。
7.如权利要求5或6所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，所述构成光学反射器的点状缺陷是簇缺陷。
8.如权利要求3至7任一项所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，所述波导内包含激光介质。
9.如权利要求1至8任一项所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，构成点状缺陷对的每个缺陷位于离波导相同距离的位置。
10.如权利要求1至9任一项所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学共振器，其特征在于，由在主体内钻的多个孔构成所述变折射率区域。
11.一种利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器，其特征在于，它包括a)呈板状的主体；b)多个具有与所述主体不同折射率的变折射率区域，它们以周期性的方式排布在所述主体中；c)通过以线性方式制造各变折射率区域的缺陷在主体内形成的波导；d)由两个同一类型的点状缺陷构成的点状缺陷对，它们位于波导附近，并沿波导的纵长方向彼此间隔开有如所关注的共振波长之m/2倍那样长的一段距离，其中m是正整数。
12.如权利要求11所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器，其特征在于，所述反射器包括另一个相同类型的点状缺陷对，跨越波导并沿波导宽度方向位于与前述点状缺陷对相对的位置。
13.如权利要求11或12所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器，其特征在于，构成点状缺陷对的每个缺陷位于离波导相同距离处。
14.如权利要求11至13任一项所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器，其特征在于，由在主体内钻的多个孔构成所述变折射率区域。
15.如权利要求11至14任一项所述的利用点缺陷之间干涉的二维光子晶体光学反射器，其特征在于，所述点状缺陷对的每一个缺陷是由两个或多个彼此相邻的缺陷构成的簇缺陷。
全文摘要
一种具有高发光效率的二维光子晶体光学共振器和光学反射器；结构如下。一种二维光子晶体包括呈板状的主体(11)，由多个具有与主体(11)不同折射率的周期性排布的区域(或孔)(12)形成所述主体。通过提供不钻孔(12)的线性区域形成波导(13)。通过沿波导的纵长方向加长两个孔(12)彼此间隔的距离L形成两个受主型点缺陷(14)。在这种结构中，适当选择距离L抑制在点缺陷(14)处光的反射和传输，同时允许在点缺陷(14)处共振的光有效地发出。适当选择距离L将增大在点缺陷(14)处光的反射率。这使主体(11)可被用作光学共振器，在两个点缺陷(14)之间产生光的共振，或者用作反射器，在两个点缺陷(14)处反射光。
文档编号H01S3/06GK1643415SQ0380674
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月26日 优先权日2002年3月26日
发明者野田进, 浅野卓 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构