专利名称：具有对称模场的非对称光子晶体波导元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于波导电磁辐射的元件。具体来说，本发明涉及平板波导元件，它限制光子晶体层中横向的电磁辐射以及通过折射率(index)引导的纵向的电磁辐射。更具体来说，本发明涉及保存波导模的对称性的结构非对称波导元件。
背景技术：
近来，注意力集中于开发能够以大体上与半导体控制电子传播相同的方式控制光传播的材料。在过去的十年中，朝着这个目标已经取得了极大的进展，并且出现了光子晶体的新领域。在光子晶体拥有定义不能在晶体中于一个或多个方向上传播的电磁频率范围的光子带隙的意义上，光子晶体起到用于光的半导体的作用。
半导体控制电子传播的能力源于构成半导体的原子的周期点阵排列。原子的精确排列和间距最终规定了成为半导体的带结构、带隙和电子态的基础的电子势能。周期性也在光子晶体中用来取得光子带隙以及控制不同频率下光子态的密度。然而，不是源自周期排列原子的周期性电子势能，而是源自另一个中的一种电介质的周期排列的折射率的周期性成为光子带隙形成的基础。由于光子应用中受关注的电磁辐射具有比半导体中限制的电子更长的波长，所以光子晶体中折射率变化的周期性间距比半导体中原子的周期性间距更大。当光子带隙形成时，带隙中的电磁辐射的波长是可与折射率中的周期性间距相比拟的那些波长。
具有光子带隙中的能量并在光子带隙所定义的方向上传播的电磁辐射被阻挡，并且不能在光子晶体中传播。当具有光子带隙中的能量和传播方向的外部光入射到光子晶体时，它不能传过晶体。相反，它完全被反射。另一方面，具有光子带隙外部的能量或传播方向的光自由通过晶体(当然经历了通常的吸收和反射过程)。这个特征使光子晶体实质上成为光子带隙所包含的波长范围和传播方向范围内的入射波长的理想反射体。
实际光子晶体的一个实例是一种由包含在薄方向上延伸并沿平板的侧向尺寸对齐的孔的周期排列的介质平板组成的材料。这种材料可看作由空气组成的棒的周期性排列，并且对应于其中空气是宏观电介质以及平板是周围媒体的光子晶体。光子晶体的另一个实例是由衬底支撑的介质材料制成的圆柱形棒的周期阵列，其中棒之间的空间由与制作棒的材料不同的空气或介质材料填充。在这个实例中，棒对应于周期分布的宏观电介质，以及填充棒之间的空间的材料对应于周围矩阵。棒(或另外的形状)的周期性图案的准确细节以及周期性宏观电介质与其围绕物之间的折射率对比影响光子晶体的性质。
光子晶体可由大量宏观电介质形成，只要可取得与周围媒体的适当折射率对比。作为一个实例，以上实例中的孔或棒的成分不限于空气。提供与周围介质平板的充分大的折射率对比的其它材料可用来形成棒。例如，气孔的周期点阵可在介质平板上钻出，然后填充另一种材料，从而形成光子晶体。棒的材料可具有比平板的材料更高或更低的折射率。作为另一个实例，由作为周围媒体的空气中的宏观电介质(如硅)所组成的棒的周期性阵列表示一种光子晶体。
重要的材料设计考虑因素包括大块周围材料中的宏观电介质的大小、间距和排列以及介质和周围材料的折射率。宏观电介质的周期性可在一维、二维或三维中延伸。这些考虑因素影响光子带隙的量值、属于光子带隙的光或其它电磁能量(例如红外线、微波等)的频率范围以及光子带隙是完全(在这种情况中，光子带隙的作用表明与入射光的传播方向无关)还是部分(在这种情况下，光子带隙的作用表明针对某些而不是全部的传播方向)。其它实际的考虑因素也是相关的，例如可制造性、成本、制作棒的周期阵列的能力等。
与半导体中的掺杂或缺陷相似的作用也可在光子晶体中实现。半导体中的掺杂剂或缺陷的固有结果是构成半导体的原子点阵的周期性的破裂或中断。与掺杂剂或缺陷关联的电子态是给予半导体点阵的周期性中局部扰动的直接结果。光子晶体可同样地以类似于在半导体中加入掺杂剂和缺陷的方式受到扰动。缺陷可用于在空间上把光限制在光子晶体内。点缺陷可用于局限具有光子带隙内的波长的电磁辐射。这种情况发生是因为，根据受局限的波长处于光子带隙内的事实，由于不能传进或传过周围的光子晶体，受局限的电磁辐射无法从缺陷中逸出。线性和平面缺陷可同样用于把电磁辐射限制在光子晶体内的一维或二维上。
光子晶体的周期性是周围煤体中宏观电介质的规则且有序排列的结果。中断宏观电介质的排列的效应可用来破坏周期性，以便产生光子带隙内受局限或延长的缺陷光子态。例如通过相对于阵列中的其它棒来扰动一个或多个棒，缺陷可在棒阵列光子晶体中形成。例如，扰动周围介质平板中的棒的可能的方式包括改变一个或多个棒的大小、位置、光学常数、化学成分，或者由两种或两种以上材料来组成棒。单个棒的扰动提供可用来局限光的点缺陷。一排棒的扰动提供用于把光限制在通道中的线性缺陷。这样的缺陷可用来有效地使光传过晶体而毫无损失。
随着光子晶体领域的发展，对于新的光子带隙材料的需求不断增加。光子晶体的应用的一个重要的潜在领域是波导。在理想波导中，电磁辐射的传播束完全被限制在波导所规定的方向。三维光子晶体提供一种用于实现光的总限制和无损传播的方法。通过在晶体内部包括线性缺陷，可在三维光子晶体中实现波导。如果波长处于周围光子晶体的光子带隙内，则局限于缺陷中的光被限制在该缺陷中。这种情况发生是由于光无法射出缺陷并进入周围的光子晶体。三维光子晶体对于波导应用是符合需要的，因为在光子带隙的作用表明与具有带隙内的波长的光的传播方向无关的意义上，光子带隙是完全的。在全范围的传播方向上光子带隙的完全三维限制是可实现的，并且避免了传输损耗。因此，三维光子晶体对于必然要求锐角弯曲以使系统尺寸为最小的小型集成光学系统来说是极有价值的目标。在没有三维光子带隙的情况下，当传播光在超出带隙之外的方向上行进时，会在弯曲处出现禁止损耗。
但是，当前突出的问题是实现全三维光子晶体的实际困难。完全光子带隙要求构造三维光子晶体。周期排列具有大约传播光的波长大小的宏观介质对象的严格要求已经证明是既具有挑战性且高成本的。
存在有对其性能接近对于三维光子晶体所预计的性能并且其制造是不太严格的光子晶体的需求。已经提出的一种解决方案是平板光子晶体。平板光子晶体包括光子晶体层，它具有有限的厚度，并包括具有不同成分的周围介质材料内的一种介质材料的二维周期阵列。平板光子晶体的分层结构使其结构经得起普遍可用的分层沉积和处理技术的检验。
平板光子晶体的周期性在横向二维中(在平板的平面中)出现，但是在垂直于平板的方向(即厚度方向)上不存在。由于这种类型的光子晶体层在三维中不是周期性的，所以它缺少完全带隙。这意味着，光子带隙相对于所包括的波长仅在特定范围的传播方向上是可使用的。通常在带隙内的波长从超出带隙所包含的之外的传播方向的带隙中被排除。在这个意义上，通过光子晶体层中的缺陷进行的光的限制是不完全的，因为限制仅对于有限范围的传播方向才有效。
在平板光子晶体中，通过在两个更低折射率(index)介质覆盖层之间插入光子晶体层，使光的限制是完全的。覆盖层的目的是提供超出光子晶体层的光子带隙之外的常规的光的折射率(index)限制。这样，光可保持在层的组合之内，而没有引起大的损耗。平板光子晶体层提供侧向传播方向(光子晶体层的周期性的方向)的限制，而覆盖层则提供平板垂直方向上的限制。
平板光子晶体制造中普遍遇到的实际问题是在垂直于平板的方向上周期排列的电介质的形状的非对称性。在典型实例中，平板光子晶体的光子晶体层包括由第二介质材料的周围矩阵内的第一介质材料组成的宏观棒的周期性阵列。在这样的光子晶体层的平面处理中，通过在一块固体的第二(周围)介质材料上蚀刻孔，然后用第一介质材料填充这些孔，来进行处理。由于蚀刻过程的性质，形成的孔不是正好是圆柱的，而是略微锥形或楔形的，使得孔的顶部比孔的底部更宽。楔形是孔的上部更易于被蚀刻剂接近、而孔的下部则更难接近这一事实的结果。因此，蚀刻在顶面最有效地进行，并且由于从表面到孔底的蚀刻剂的禁止接近而逐渐不太有效。
楔形的结果在于，周期排列的介质区域的截面形状和/或面积在平板垂直方向上不均匀。这种不均匀对波导具有有害影响，因为它表示相对于平板的中间平面的镜像对称的破坏。对称性的这种损失导致不同奇偶性的波导模的混合，并且结果排除了单模波导。相反，伴随着因反射导致的损失增加，模式耦合和多模传输发生。为了改进平板光子晶体的传输效率，希望设计一种保存镜像对称性以使可实现单模操作的系统。
发明内容
本发明提供了一种结构非对称的平板光子晶体，它保存模式对称性以便允许单模操作以及波导模的有效传输。本平板光子晶体波导包括在周围的第二介质材料内具有第一介质材料的不连续区域的周期排列的光子晶体层，其中，在优选的实施例中，第一介质材料的不连续区域彼此等效，其中的每个区域在平板垂直方向上具有楔形或以其他的方式具有不均匀截面。光子晶体层被插入介电常数不同的两个介质覆盖层之间。覆盖层提供平板垂直方向上波导模的限制，并且覆盖层的介电常数的差异按照下列方式来选择覆盖层补偿周期排列的介质区域的形状的非对称性，以便提供波导模的对称限制。
在优选的实施例中，光子晶体层包括在与光子晶体层对齐的平面上具有基本上圆形截面的楔形棒的二维的周期性排列，其中圆形的直径在平板垂直方向上改变。楔形棒排列在具有比楔形棒更低的介电常数的周围介质材料中。在这个实施例中，与楔形棒的较窄端相邻的覆盖层具有比与楔形棒的更宽端相邻的覆盖层更高的介电常数。
图1示意性说明了平板光子晶体波导。
图1是光子晶体层的侧视图。
图1是光子晶体层的顶视图。
图2C是平板光子晶体波导的侧视图。
图2D是侧视图中的平板光子晶体波导内的模场分布。
图3A是非对称平板光子晶体波导的侧视图。
图3B是侧视图中的非对称平板光子晶体波导内的模场分布。
图4A是包括具有不同介电常数的上和下介质层的平板光子晶体的侧视图。
图4B是包括具有不同介电常数的上和下介质层的平板光子晶体内的模场分布的侧视图。
图5A是包括具有不同介电常数的上和下介质层的非对称平板光子晶体的侧视图。
图5B是图5A所示的实施例的光子晶体层的顶视图。
图5C是图5A所示的实施例的光子晶体层的底视图。
图5D是包括具有不同介电常数的上和下介质层的非对称平板光子晶体内的模场分布的侧视图。
具体实施例方式
图1提供了侧视图中的平板光子晶体波导的示意性说明。平板波导包括上介质层100、下介质层200和光子晶体层300。所示的z方向是垂直于光子晶体层300的方向，并且在本文中可称作平板垂直、垂直、厚度或垂直方向。侧向包括在与图1页面的平面垂直的xy平面(图中未示出)内。x和y方向在本文中可称作平板内、水平或侧向方向。平板内方向上波导模的限制由光子带隙来设置，并且平板垂直方向上波导模的限制由介质层100和200来设置。介质层100和200在本文中又可称作覆盖层。平板垂直方向上的限制要求覆盖层的介电常数小于光子晶体层的介电常数。
在理想化的平板光子晶体波导中，第一介质材料的不连续区域在第二介质材料的周围矩阵内呈二维周期性排列，其中周期排列的不连续区域的形状和大小相同。不连续区域在两个平板内方向上周期排列，并在上与下覆盖层之间的平板垂直方向上连续延伸。为了保存模式对称性，上和下覆盖层具有相同的介电常数，并且周期排列的不连续区域具有相对于光子晶体层的中间平面是对称的形状。(光子晶体层的中间平面是通过光子晶体层并位于光子晶体层的上与下表面之间中部的平面。例如，在图1所示的平板光子晶体波导中，光子晶体层的中间平面是平分光子晶体层的水平平面。)在图2A中以侧视图描述了用于理想化平板光子晶体波导的光子晶体层的代表性实施例的放大。在这个实施例中，光子晶体层310包括由介质材料315围绕的周期排列的介质区域305。图2B示出的是理想化光子晶体层的顶视图。该顶视图示出了周围介质材料315内介质区域305的周期性排列。该顶视图表示xy平面(在平板平面中；与平板垂直方向垂直的平面)的透视图。介质区域305的底视图匹配图2B所示的顶视图。图2A和图2B所示的视图表明，在这个实施例中，介质区域305是具有相对于光子晶体层310的中间平面为对称的圆柱形的棒。
图2C示出的是包括图2A和图2B所示的光子晶体层310的平板光子晶体波导320的侧视图。除了包括在周围介质材料315内周期分布的对称棒形介质区域305的光子晶体层310之外，平板波导还包括上介质层325和下介质层335。上和下介质层325和335又可称作覆盖层。中间平面345也被示出，并且对应于水平平分光子晶体层310的平面。中间平面345位于光子晶体层310与上介质层325的接触面和光子晶体层310与下介质层335的接触面之间的中部。中间平面345与上介质层325和下介质层335平行。棒形介质区域305相对于中间平面345的对称性在图2C中是显而易见的。可按照镜像对称来查看对称性，其中中间平面345之上的棒形区域305的部分通过中间平面345的反射把棒形区域305的上部映射到下部(中间平面345之下的部分)。相对于中间平面345的对称性还可按照棒形区域305的上部在棒形区域305的下部之上的可叠加性来查看。具有中间平面之上和之下的部分的可叠加性的周期排列的介质区域是对称的，而缺少相对于中间平面的可叠加性的周期排列的介质区域是非对称的。
平板光子晶体波导320中的模式局限性取决于波导的不同区域的介电常数的相对值。基本上，不同的材料可用于对称棒形区域305、周围介质材料315、上介质层325和下介质层335。结果，不同区域的相对介电常数可通过多种方式改变，以便控制波导中的模场分布。在本发明中，优选地是把波导模限制在光子晶体层310之内并且通过光子晶体层310的光子带隙实现侧向(水平)限制以及通过上和下介质层325和335实现平板垂直(垂直)限制。
在光子晶体层310中，对称棒形区域305的介电常数可大于或小于周围介质材料315的介电常数。波导模将优先局限在具有较高介电常数的无论哪一个区域中。通过确保上和下介质层325、335具有比其中模式被局限的光子晶体层内的区域(对称棒形区域305对周围介质区域315)更低的介电常数，实现平板垂直(垂直)方向上的限制。
通过要求覆盖层325、335具有相同的介电常数，光子晶体层310内支持的波导模具有相对于与波导结构的水平中间平面345一致的镜像对称的内平面是对称的模场分布。取决于对称棒形区域305或周围介质区域315哪一个具有更高的介电常数，支持模式的模场分布相对于对称的内平面可具有偶数奇偶性(区域315的介电常数＞区域305的介电常数)或者奇数奇偶性(区域305的介电常数＞区域315的介电常数)。
图2D示出的是图2C所示的平板光子晶体波导的实施例420的侧视图中的模场分布。在这个实施例中，上介质层425和下介质层435的介电常数相等并表示为εc。上和下介质层425和435又可称作覆盖层。周围介质区域415的介电常数也选择为εc，而对称棒形介质区域405的介电常数则选择成εr，其中εr＞εc。模场分布455表示平板光子晶体所支持的波导模的电场强度的空间分布。由于εr＞εc，模场集中在棒形区域405。利用为这个实施例所选的介电常数的相对值，模场分布相对于平分光子晶体层410的对称445的水平中间平面具有奇数奇偶性。如图2D所示的模场分布455表示平板光子晶体所支持的模式的局限性的主要区域。本领域的技术人员会理解，模场包括延伸到介质区域405的边界之外的渐逝作用。
在平板光子晶体波导的实际制造中，常常难以保持包括在光子晶体层内的周期分布介质区域的对称形状。在典型的制造过程中，处理始于下介质层上的沉积或者以其它方式形成光子晶体层的周围介质材料层。为了把周期排列的介质区域加入光子晶体层，有必要移去周围介质材料层的若干部分，以便产生其中添加了周期排列的介质区域的空间。移去周围介质材料层的若干部分的目的是为了在周围介质材料内产生孔或洞，在所述孔或洞中可添加或沉积第二材料以产生光子晶体层。孔必须有必要周期设置，并且优选地在大小和形状上相同。为了得到对称形状的周期排列的介质区域，必要的是，在周围介质材料层中的孔或洞的形成在深度方向上是均匀的。
从处理的观点来看，许多加工环境中用于产生孔的优选方法是蚀刻。通过遮蔽周围介质材料层的顶面，未遮蔽区域的周期排列分布可在此表面定义，并且这些未遮蔽区域可暴露于适当的蚀刻剂，以便在周围介质材料层内产生孔或洞。遮蔽也可用来定义孔或洞的横截面形状(例如圆形、正方形、凹槽)，所述孔或洞将填充不同的介质材料，从而提供光子晶体层的周期排列的介质区域。为了得到对称形状的孔(因为这是形成如图2D所示的平板光子晶体波导所必需的)，必要的是，蚀刻在深度方向上均匀地进行，使得横截面形状和面积在深度方向上保持恒定。当满足这些条件时，周期排列中的各个介质区域相对于平分光子晶体层的对称的水平平面是对称的。
实际上，由于作为深度的函数出现的曝光时间的差异，深度方向上的均匀蚀刻难以实现。蚀刻开始于周围介质材料层的顶面，并朝着与下介质材料的接触面继续进行到该层的内部。结果，蚀刻剂的接触时间在周围介质材料层的顶面为最大，在离开顶面的深度方向上逐渐减小，并且在与下介质材料的接触面上为最小。由此产生的在深度方向上对蚀刻剂的曝光时间的差异趋向于在周围介质材料层中产生作为深度的函数的楔形或以其他方式的非对称或者不均匀的洞的横截面。横截面的形状和/或尺寸可在深度方向上改变，并破坏相对于上文所述的水平平面的对称性。
在典型的情况中，其中加入了周期排列的介质区域的洞为楔形，并且在周围介质材料层的顶面(最终形成与上介质层的接触面的表面)具有更大的横截面，以及在周围介质材料层的底面(形成与下介质层的接触面的表面)具有更小的横截面。这样的洞(以及对其填充的周期排列的介质材料)缺少相对于光子晶体层的水平中间平面的对称性，并且在本文中可称作周期排列的介质材料的非对称洞或非对称区域等。包含非对称形状的周期排列介质材料的平板光子晶体在本文中可称作非对称平板光子晶体。
非对称平板光子晶体的典型实例如图3A的侧视图所示。非对称平板光子晶体520包括上介质层525、下介质层535、以及包括有周围介质材料515和周期排列的介质区域505的光子晶体层510。上和下介质层525、535又可称作覆盖层。周期排列的区域505缺少相对于光子晶体层510的中间平面的对称性，并且因此称作非对称的。上介质层525、下介质层535和周围介质材料515的介电常数选择成相等的，并且在图3A中表示为εc。周期排列的区域505的介电常数表示为εr，其中，在图3A所示的实施例中εr＞εc。周期排列的介质区域505的楔形形状是明显的，并且说明了产生于典型蚀刻过程的形状。
周期性介质区域505的楔形、非对称形状影响光子晶体层510所支持的波导模的模场分布。由于周期性介质区域505具有比周围介质区域515更高的介电常数，所以模式优先局限在周期性区域505中，并且由于周期性区域505是非对称的，所以模场分布是非对称的。模场优先局限在周期性区域505的更宽的上部，并且结果，模场分布相对于光子晶体层510的水平中间平面是非对称的。图3A所示的实施例的侧视图中的模场的示意性描述如图3B所示。模场555优先局限在周期性区域505的更宽的上部，并且相对于水平中间平面545是非对称的。如图3B所示的模场分布555表示平板光子晶体所支持的模式的局限性的主要区域。本领域的技术人员会理解，模场包括附加的渐逝作用。
模场非对称性的有害结果在于，波导模的奇偶性不再如对称模场的情况中那样纯粹是偶数或者纯粹是奇数的。在光子晶体层中而是可支持奇数以及偶数两种奇偶模式，并且不同奇偶性的模式的混合或耦合是可能的。如果具有明确的奇偶状态的模式被加入非对称平板光子晶体，则晶体允许该奇偶状态转换到其它奇偶状态，并且奇偶性的纯度或确定性丢失。例如，被加入非对称平板光子晶体的偶数奇偶性模式可变换为奇数奇偶性模式或者偶数和奇数奇偶性模式的线性组合。不是通过晶体的单模传输，当来自输入模式的功率耦合到因其非对称条件而在晶体中变成是可支持的多个模式时，发生多模传输。结果，纯粹模式(具有纯粹或明确的奇偶状态的模式)的功率重新分布到多个模式，并且在初始模式状态下发射功率显著减小。实际上，非对称的存在通过耦合到其它奇偶状态的模式作为相对于特定的模式奇偶状态的功耗来源来操作。
本发明提供了一种在光子晶体层的非对称周期排列的介质区域的表面上保存模式奇偶性的平板光子晶体。本平板光子晶体提供了补偿机构，它用于抵消在楔形或以其他方式的非对称周期排列的介质区域的更宽的高横截面面积部分中出现的模场的优先局限性。通过改变由非对称平板光子晶体中包括具有不同介电常数的上和下介质层所产生的模场局限性的独立机构，来实现补偿。通过设计上和下介质层的介电常数的相对值，产生与光子晶体层相邻的介电常数的非对称性，它抵消了由楔形或以其他方式的不均匀周期性介质区域产生的模场分布中的非对称性。通过这种补偿机构，对称模场分布在包括非对称的周期排列的介质区域的平板光子晶体中是可实现的。
平板光子晶体的上和下介质层的介电常数的差异的影响的说明如图4A的侧视图所示。光子晶体620包括上介质层625、下介质层635以及包括有周围介质材料615和周期排列的介质区域605的光子晶体层610。上和下介质层625、635又可称作覆盖层。上介质层625和周围介质材料615的介电常数选择成相等的，并且表示为εc1。周期排列的区域605的介电常数表示为εr。下介质层635的介电常数表示为εc2，其中，介电常数的相对值为εr＞εc2＞εc1。这种相对排序维持了垂直限制，并且还允许在控制光子晶体层610中的模场分布方面的附加自由度。
在图4A的实施例中，周期性区域605是非对称的，但是上和下介质层625、635的不同介电常数引起模场分布相对于上文的图2D所示的对称分布的偏移。图4A所示的平板光子晶体的模场分布655如图4B中的侧视图所示，其中表明模场分布655变为非对称的，并且在下介质层的方向上偏置。如图4B所示的模场分布655表示平板光子晶体所支持的模式的局限性的主要区域。本领域的技术人员会理解，模场包括附加的渐逝作用。
相对上介质层的下介质层更高的介电常数引起模场分布655的非对称性，并使模场优先局限在周期性区域605的下部。上和下介质层的介电常数的差异越大，则越优先使模场局限于具有更高介电常数的介质层附近。通过调节平板光子晶体的上和下介质层的介电常数的差异，模场分布的非对称程度可因此连续改变并被控制。
图4B所示的模场分布655相对于光子晶体层610的内部水平平面缺少对称性。结果，在平板光子晶体620中没有保存模式奇偶性。偶数和奇数奇偶性而是被平板光子晶体620混合或耦合，并且具有明确奇偶状态的模式在加入平板光子晶体620时经历了较大的功耗，因为模式功率被重新分布到具有不同奇偶状态或者其线性组合的其它模式。
图4A和图4B所示的实例证明，上和下介质层的相对介电常数的变化可用作影响模场局限性的独立机构。在本发明中，提供了非对称平板光子晶体，其中光子晶体层中非对称周期性排列的介质区域所产生的模场非对称性由通过上和下介质层的介电常数的相对值的变化所产生的补偿模场非对称性来抵消。
如上文的图3B所示，非对称形状的周期排列的介质区域的存在引起楔形的周期排列的介质区域的更宽部分中的模场的优先局限。图4B所示的平板光子晶体表明，模场局限性可在具有更高介电常数的介质层的方向上被单独偏置。图5A示出的是本发明的侧视图中的实施例，它利用上和下介质层的介电常数的差异来抵消或补偿由平板光子晶体的光子晶体层中非对称形状的周期排列的介质区域产生的模场分布的非对称性。平板光子晶体720包括上介质层725、下介质层735以及包括有周围介质材料715和周期排列的介质区域705的光子晶体层710。上和下介质层725、735又可称作覆盖层。上介质层725和周围介质材料715的介电常数选择成相等的，并且表示为εc1。周期排列的区域705的介电常数表示为εr。下介质层735的介电常数表示为εc2，其中，介电常数的相对值为εr＞εc2＞εc1。这种相对排序维持了垂直限制，并且还允许在控制光子晶体层710中的模场分布方面的附加自由度。
光子晶体层710的顶视图和底视图分别如图5B和图5C所示。各视图包括光子晶体层710以及周期排列的介质区域705和周围介质区域715。周期排列的区域705的横截面因周期排列的介质区域705的非对称楔形形状而在图5B所示的顶视图中比图5C所示的底视图中更大。
图5A、图5B和图5C描述的实施例的模场分布被示出在图5D的侧视图中。图5D示出了平板光子晶体720、上介质层725、下介质层735、光子晶体层710、周期排列的区域705以及周围介质区域715。图5D还示出了模场分布755和水平平面745。如图5D所示的模场分布755表示平板光子晶体所支持的模式的局限性的主要区域。本领域的技术人员会理解，模场包括附加的渐逝作用。
模场755对称地分布在水平平面745周围，其中在平面745之上和之下具有相等的模场755的局限性。对称的平面745包含在光子晶体层710中，但是被移离中间平面位置。如图5D所示，在这个实施例中，对称的平面745的位置距离下介质层735比距离上介质层725更近。在下介质层735的方向上的对称的平面745的移动是由于下介质层735相对于上介质层725具有更高的介电常数造成的。
模场755对称地局限在对称平面745周围。模场分布755的对称性是平衡与周期排列的介质区域705的非对称形状以及上介质层725与下介质层735之间的介电常数的差异有关的影响的结果。模场局限于光子晶体层的楔形周期排列的介质区域的更宽部分的趋势被模场局限于具有更高介电常数的下介质层附近的趋势所抵消。通过相对于周期排列的介质区域的形状的非对称性来适当地调节平板光子晶体的上和下介质层的介电常数的差异，可使平板光子晶体支持对称模场。对称的平面周围的模场分布的对称性的保存得以实现并防止模式的混合或耦合。结果，具有非对称形状的周期排列的平板光子晶体可利用本发明保持波导模的奇偶状态的纯度。具有明确的奇偶状态的模式(例如偶数模式或奇数模式)在通过图5A-5D所示的实施例被引导时保持其奇偶性，并且因能量发散到其它模式而未遭受功率损耗。
图5A-5D所示的实施例是对本发明的一般原理的说明。本发明提供了平板光子晶体，它们包括非对称形状的周期排列的介质区域，同时因补偿上和下介质层的介电常数的差异所设置的模式局限性效应而提供了对称模场分布。模场分布的对称性是相对于光子晶体层的内平面的，其中内平面可能或者不可能与光子晶体层的中间平面一致。
本发明的一个优选实施例是其中光子晶体层的周围介质材料和周期排列的介质区域由固体介质材料组成的一个实施例。在另一个优选实施例中，周围介质材料是固体介质材料并且周期排列的区域由气体(例如空气)组成，使得本发明包括其中光子晶体层包含周围固体介质材料中的孔(填充了空气或另一种气体的介质区域)的周期排列的实施例。本发明的其它实施例包括其中周期排列的介质区域和/或周围介质材料是液体介质材料的实施例。
如上文所述，取决于光子晶体层的周期排列的介质区域和周围介质材料的介电常数的相对值，本平板光子晶体波导所支持的波导模可优先局限在周期排列的介质区域或者周围介质材料中。在包括周围固体介质材料内的孔的周期性排列的实施例中，模场将优先局限于周围介质材料中。在这样的实施例中，如果孔是向下的楔形(即，孔在与上介质层的接触面上比在与下介质层的接触面上具有更大的横截面)，则周围介质材料的区域必然在与下介质层的接触面上比在与上介质层的接触面上具有更大的横截面面积，并且结果所支持的模式将优先局限在更接近下介质层的周围介质材料的部分中。在这个实施例中，上文所述的补偿作用因此通过相对于下介质层的介电常数增加上介质层的介电常数来实现。
虽然上文所述的实施例考虑了具有圆形横截面的周期排列的介质区域，但是本发明的原理一般扩展到任何横截面形状的非对称形状的周期排列的介质区域，包括三角形、正方形、矩形、椭圆形、卵形和多边形。本发明范围内的非对称周期排列的介质区域包括具有大小或形状在光子晶体层的深度(厚度)方向上改变的横截面的区域。如图5A-5D所示的实施例中所述，非对称介质区域的一个实例是具有大小(直径)在上和下介质层之间的光子晶体层的厚度方向上改变的圆形形状横截面的区域。非对称介质区域可同样地由其它横截面形状形成。在其它实施例中，周期排列的介质区域因在深度方向上的横截面形状的变化而成为非对称的。周期排列的介质区域的横截面形状在光子晶体层与下介质层的接触面上和在光子晶体层与上介质层的接触面上可以是不同的，其中从一种横截面形状到另一种横截面形状的变换在光子晶体层中发生。
本平板光子晶体的上和下介质层可以是具有所期望的介电常数的同质材料或者是具有提供依照本发明的限制和模场局限性作用的平均或有效介电常数的异质或复合材料。上和下介质层由介质材料组成。介质材料可以是固体(例如硅石、玻璃、氧化钛、硅等)、液体(例如水或其它极性液体、碳氢化合物或者其它非极性液体等)或者气体(例如空气、氮、氩等)。
本发明的其它实施例包括其中模场优先局限在周围介质材料中而不是如上文所选的说明性实例所述的优先局限在周期排列的介质区域中的那些实施例。通过包括具有比光子晶体层的周期排列的介质区域更高的介电常数的周围介质材料，同时保持通过上和下介质层的限制，来实现这些实施例。
在上文所考虑的实施例之中，是其中本平板光子晶体波导所支持的奇数奇偶模式的奇偶性相对于单节面来定义的实施例。本发明的其它实施例包括平板光子晶体波导，它们支持对称偶数或奇数模式，其中模式奇偶性相对于两个或两个以上节面来定义。在这些其它实施例中，对称的偶数或奇数奇偶模场分布的对称的平面可能或者不可能与节面一致。
本发明还包括一种用于传输电磁辐射的系统，它包括耦合到本平板光子晶体波导的电磁辐射源，其中源把电磁辐射引入平板光子晶体波导并且所引入的电磁辐射经由对称模场分布被引导通过波导。在优选实施例中，平板光子晶体接收具有特定奇偶状态和/或特定模场分布的入射电磁束，并且在传输期间引导电磁束时保存该奇偶状态和/或模场分布，以便产生具有基本上匹配入射束特性的特性的输出电磁束。
本文阐述的公开内容和讨论是说明性的，而不是要限制本发明的实施。虽然已经描述了被认为是本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员会知道，在没有背离本发明精神的情况下，可对其进行其它及进一步的变更和修改，并且意在要求落入本发明的全范围之内的所有这类变更和修改的权益。以下权利要求书、包括所有等效物并且结合前面的公开内容和本领域的技术人员普遍可得到的知识定义了本发明的范围。
权利要求
1.一种平板波导，包含第一覆盖层；光子晶体层，其在所述第一覆盖层上形成，所述光子晶体层包括周期排列在第二介质材料中的第一介质材料的区域；以及第二覆盖层，其在所述光子晶体层上形成，其中，所述周期排列的介质区域的每一个相对于所述光子晶体层的中间平面是非对称的。
2.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述第一覆盖层的介电常数不同于所述第二覆盖层的介电常数。
3.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述周期排列的介质区域具有圆形横截面。
4.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述周期排列的区域具有多边形横截面。
5.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述周期排列的区域为楔形。
6.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述周期排列的介质区域的横截面面积在所述第一覆盖层与所述第二覆盖层之间改变。
7.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述周期排列的介质区域的横截面形状在所述第一覆盖层与所述第二覆盖层之间改变。
8.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述第一介质材料的介电常数大于所述第二介质材料的介电常数。
9.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述第二覆盖层的介电常数与所述第二介质材料的介电常数相同。
10.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述周期排列的介质区域从所述第一覆盖层连续延伸到所述第二覆盖层。
11.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述波导所支持的所述模场分布是对称的。
12.如权利要求11所述的波导，其特征在于，所述模场分布的对称的平面与所述光子晶体层的中间平面一致。
13.如权利要求11所述的波导，其特征在于，所述对称模场具有偶数奇偶性。
14.如权利要求11所述的波导，其特征在于，所述模场分布优先局限在所述周期排列的介质区域中。
15.一种电磁辐射传输系统，包含电磁辐射源，所述源产生输入电磁束；以及如权利要求1所述的波导，所述波导接收所述输入电磁束，所述电磁束形成所述波导中的波导模，所述波导模具有所述波导中的模场分布，所述波导传输所述波导模以便提供电磁辐射的输出束。
16.如权利要求15所述的传输系统，其特征在于，所述模场分布是对称的。
17.如权利要求15所述的传输系统，其特征在于，所述波导模具有偶数奇偶性。
18.如权利要求15所述的传输系统，其特征在于，所述输出束具有与所述输入束相同的奇偶性。
全文摘要
一种保存波导模的奇偶性的平板光子晶体波导。波导包括插入两个介质层之间的光子晶体层。光子晶体层包括周围介质材料内的非对称形状的介质区域的周期排列。波导通过保持对称模场分布来排除引入的输入模式的奇偶状态的转换。通过补偿与光子晶体层内非对称的周期排列的介质区域相关联的非对称模式局限趋势的介质层的介电常数的变化来获得对称模场分布。
文档编号G02B6/10GK101052904SQ200580036351
公开日2007年10月10日 申请日期2005年8月1日 优先权日2004年8月30日
发明者R·O·米勒 申请人:能源变换设备有限公司