专利名称：复合结构光子晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体行业光电子技术领域，尤其涉及一种用于实现三维光波调控的复合结构光子晶体。
背景技术：
光子晶体是不同介电性能的材料在空间中周期排列的结构，可以对光子在该材料中的传播行为起到强烈的调制作用。光子晶体的一个典型特征，就是光子带隙的存在，处于禁带内的光子态不能在光子晶体中传播。根据介电材料在空间维度的分布，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体。1991年，美国科学家制作出了世界上第一个具有全方位光子带隙的光子晶体结构。随后，世界各地的科学家设计制作了各种各样的光子晶体结构。如果在光子晶体材料中引入扰动或者缺陷，就会在光子晶体能带中引入缺陷态。点缺陷中产生的光子将被局域在这个缺陷周围，形成缺陷腔。利用这种缺陷模式，世界各地的科学家制作了各种各样的光子晶体点缺陷激光器。同样，也可以在光子晶体中引入线缺陷，形成光子晶体光波导。在实现本发明的过程中，申请人意识到现有技术存在如下技术缺陷虽然三维光子晶体具有全带隙，在各个方向都能对光子进行限制，但是制作工艺复杂，成本较高；同三维光子晶体相比，二维光子晶体具有制作简单，实用性强的优点，不过它的缺点在于只能在三维空间的两个维度调控光子，在第三个维度上对光子的调控能力较弱。
发明内容
(一)要解决的技术问题为解决上述缺陷，本发明提供了一种基于二维平板光子晶体的复合结构光子晶体，以解决通常的二维光子晶体平板在垂直于平板方向对光波调控能力较弱的问题。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种复合结构光子晶体。该复合结构光子晶体包括叠层设置的三层二维光子晶体板；其中中间层的二维光子晶体板水平设置，用于实现在X-Y平面上对光波的调控；上层和下层的二维光子晶体板竖直设置，分别位于中间层的二维光子晶体板的上下两侧，其法线方向与中间层的二维光子晶体板法线方向垂直，用于实现在Z方向上对光波的调制。优选地，本发明复合结构光子晶体中，上层、中间层、下层的二维光子晶体板的带隙均覆盖待调制光波的波长；上层和下层的二维光子晶体板的带隙偏振相同，并且与中间层的二维光子晶体板的带隙偏振相反。优选地，本发明复合结构光子晶体中，在中间层的二维光子晶体板上设置缺陷结构；上层和下层的二维光子晶体板的厚度至少能覆盖该缺陷结构。该缺陷结构为线缺陷结构或点缺陷结构。优选地，本发明复合结构光子晶体中，上层、中间层、下层的二维光子晶体板的材料由预设的能带特征及缺陷态特征确定，为半导体材料或介质材料；上层、中间层、下层的二维光子晶体板的光子晶体参数由预设的能带特征及缺陷态特征确定。优选地，本发明复合结构光子晶体中，上层、中间层、下层的二维光子晶体通过以下方式中的一种固定一体成型方式；镶嵌到预置支架方式；键合方式；或缓冲层压接方式。(三)有益效果本发明具有下列有益效果1、本发明实现了对光波的三维调控，解决了通常的二维光子晶体平板在垂直于平板方向对光波调控能力较弱的问题；2、本发明的通用性较强，通过对三个光子晶体周期，空气孔半径的调节，可以设计不同的带隙。带隙可以从可见光范围跨越到红外，在很大波长范围内实现对光波调控；3、在本发明中，通过在中间层光子晶体中引入缺陷，可以制作特定功能的光电子器件，比如光波导，光学微腔，三维光学调控的实现，极大提高这些器件的光学性能。
图Ia为本发明实施例复合结构光子晶体)(Z平面的示意图；图Ib为本发明实施例复合结构光子晶体^平面的示意图；图Ic为本发明实施例复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板XY平面的示意图；图加为本发明实施例一复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板的TE能带图；图2b为本发明实施例一复合结构光子晶体上/下层二维光子晶体板的TE能带图；图3为本发明实施例一复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板缺陷波导的示意图；图4为本发明实施例二复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板缺陷腔的示意图；图5为本发明实施例二复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板缺陷腔的共振波长图。
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，对本发明进一步详细说明。本发明公开了一种基于二维平板光子晶体的复合结构光子晶体。该复合结构光子晶体包含三个二维晶格光子晶体，它们叠层放置，处于中间位置的光子晶体的空气孔方向与处于两端的光子晶体的空气孔方向垂直，三个二维光子晶体的参数(材料、周期、空气孔半径、板的厚度)根据各自预设的能带参数和缺陷态特征确定。利用本发明，可以在三个维度实现对光的调控。在本发明的一个基础的实施例中，公开了一种复合结构光子晶体。该复合结构光子晶体包括叠层设置的三层二维光子晶体板。其中，中间层的二维光子晶体板水平设置，用于实现在X-Y平面上对光波的调控；上层和下层的二维光子晶体板竖直设置，分别位于中间层的二维光子晶体板的上下两侧，其空气孔的方向与中间层的二维光子晶体板空气孔的方向垂直，用于实现在Z方向上对光波的调制。优选地，本实施例中，上层、中间层、下层的二维光子晶体板的带隙均覆盖光波的波长；上层和下层的二维光子晶体板的带隙偏振相同，并且与中间层的二维光子晶体板的带隙偏振相反。本实施例可以在三个维度实现对光的调控。与传统的二维光子晶体板相比，本实施例提高了对垂直于光子晶体板方向的光的调控。而与传统三维光子晶体相比，本实施例利用了成熟的二维光子晶体制备技术，制作工艺相对简单。为了更加清楚地了解本发明复合结构光子晶体的组成，给出本发明的另一个实施例。图Ia为本发明实施例复合结构光子晶体)(Z平面的示意图。图Ib为本发明实施例复合结构光子晶体^平面的示意图。图Ic为本发明实施例复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板XY平面的示意图。如图la、图Ib及图Ic所示，该复合结构光子晶体包括叠层设置的三层二维光子晶体板。其中，上层二维光子晶体板为在)(Z平面的二维光子晶体，其厚度沿Y方向，厚度为D1。中间层的二维光子晶体板为XY平面的二维光子晶体，其厚度沿Z 方向，厚度为D2。下层的二维光子晶体板为TL平面的二维光子晶体，其厚度沿Y方向，厚度为D3。需要说明的是，在本实施例中，光子晶体均为圆形晶格，而在实际应用中，三个光子晶体结构的材料、周期、空气孔半径、平板厚度可以分别设计，以便实现特定的功能。为了实现特定的功能，经常会在光子晶体中引入缺陷结构。在本发明进一步的实施例中，提供了一种复合结构光子晶体。该复合结构光子晶体中，在中间层的二维光子晶体板上设置缺陷结构；上层和下层的二维光子晶体板的厚度至少能覆盖该缺陷结构。典型地， 缺陷结构为线缺陷结构或点缺陷结构。当该缺陷结构为线缺陷结构时，上层和下层的二维光子晶体板的厚度大于线缺陷结构的横向长度，并沿缺陷结构的纵向覆盖线缺陷结构。优选地，线缺陷结构可以为在中间层的二维光子晶体板上去掉一排空气孔所形成缺陷波导；上层和下层的二维光子晶体板沿缺陷波导的纵向覆盖缺陷波导。当该缺陷结构为点缺陷结构时，上层和下层的二维光子晶体板的厚度大于点缺陷结构的直径，并覆盖该点缺陷结构。优选地，点缺陷结构在在中间层的二维光子晶体板中去掉一个空气孔所形成光子晶体缺陷腔；上层和下层的二维光子晶体板覆盖光子晶体缺陷腔。本发明复合结构光子晶体中，从构成二维光子晶体的各种参数，包括晶格周期及空气孔形状、尺寸等而言，由预设的能带特征及缺陷态特征确定。从构成二维光子晶体的材料而言，三层二维光子晶体板的材料由预设的能带特征及缺陷态特征确定，三层二维光子晶体板的材料可以相同，也可以不同，材料的选择种类也很多，可以是半导体材料，如GaAs、 hP、Si，也可以是常见的介质材料，如Si02。本发明复合结构光子晶体中，从上层和下层二维光子晶体板与中间层的二维光子晶体板的结合方式而言，为了保持三个平板的相对位置，组合结构的固定方式，可以灵活选择，如果三层板的材料相同，可以用微纳米加工技术直接加工出这种三层板结构；如果材料
6不同，可以将三块板分别镶嵌在已经固定好的支架中，或者通过键合或缓冲层压接等方式
固定在一起。因此，在具体设计该复合结构光子晶体时，首先根据需要调控的光波的频率和偏振态，确定三个光子晶体板的带隙范围和偏振态，然后选择合适的晶格周期和空气孔半径。 例如，需要调控的光波具有的电磁分量为Hy，Ex, Ez，波长为1550nm。中间层光子晶体的设计原则是能够产生包含1550nm的TE带隙，上下层光子晶体的设计原则是能够产生包含 1550nm的TM带隙。以下将在上述实施例的基础上，给出本发明的最优实施例。需要说明的，该最优的实施例仅用于理解本发明，并不用于限制本发明的保护范围。并且，在无特别注明的情况下，在相同或不同实施例中出现的技术特征在不相互冲突的情况下可以组合使用。实施例一中间层的二维光子晶体的材料选用GaAs，折射率为η = 3. 5，光子晶体为三角晶格，周期为a = 380nm，空气孔半径r = 0. 3a，厚度为D2 = a。上下层光子晶体的材料选用 Si，折射率为η = 3. 4，光子晶体为三角晶格，周期b = 1070nm，空气孔半径r = 0. 4b，厚度为 D1 = D3 = 3a。用平面波方法计算得到中间层光子晶体的TE能带图如图加所示。如图加所示， 空气孔半径与周期的比值(r/a)为0.3，垂直方向的坐标为周期/波长(a/λ)，水平方向的坐标表示晶格方向，该光子晶体的TE带隙覆盖了 1550nm的波长。用平面波方法计算得到上下两层光子晶体的TM能带图如图2b所示。如图2b所示，空气孔半径与周期的比值(r/a)为0.4，垂直方向的坐标为周期/波长(a/λ)，水平方向的坐标表示晶格方向，该光子晶体的TM带隙也覆盖了 1550nm的波长。在中间层二维光子晶体板中去掉一排空气孔，也就是将其中的一排空气孔用GaAs 材料填充，形成如图3所示的缺陷波导。波导的宽度为a。将上/下层二维光子晶体板正对着波导放置，平板的方向沿着波导的方向。因为上/下层二维光子晶体板的厚度为3a，所以平板除了覆盖缺陷波导之外，还可以覆盖波导最邻近的两排空气孔。在上述设计中，TE偏振的波长为1550nm的光波，可以在中间层缺陷波导中传播。 中间层的TE偏振，恰好是上下层的TM偏振，1550nm波长刚好处于上下层的TM禁带中。所以在TL平面不能传播，这样光波就能很好地被限制在中间层的二维光子晶体板缺陷波导中。实施例二中间层二维光子晶体板的材料选用hP，折射率为η = 3. 4，光子晶体为三角晶格， 周期为a = 420nm,空气孔半径r = 0. 3a,厚度设计为D2 = a。上/下层二维光子晶体板的材料选用Si，折射率为η = 3. 4，光子晶体为三角晶格，周期b = 1220nm，空气孔半径r = 0. 4b，厚度设计为D1 = D3 = 3a。在中间层二维光子晶体板中去掉一个空气孔，即在一个空气孔中填充InP材料， 形成光子晶体缺陷腔，如图4所示。图5为本发明实施例二复合结构光子晶体中间层二维光子晶体板缺陷腔的共振波长图。在图5中，横坐标为波长，纵坐标为相对共振强度。如图5所示，中间层缺陷腔的 TE偏振共振波长为1765nm，该1765nm波长刚好处在上下层光子晶体的TM禁带中，这样缺陷腔在三个维度都能够受到很好的约束。综上所示，本发明具有下列有益效果1、本发明实现了对光波的三维调控，解决了通常的二维光子晶体平板在垂直于平板方向对光波调控能力较弱的问题；2、本发明的通用性较强，通过对三个光子晶体周期，空气孔半径的调节，可以设计不同的带隙，带隙可以从可见光范围跨越到红外，在很大波长范围内实现对光波调控。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种复合结构光子晶体，其特征在于，该复合结构光子晶体包括叠层设置的三层二维光子晶体板；其中中间层的二维光子晶体板水平设置，用于实现在X-Y平面上对光波的调控； 上层和下层的二维光子晶体板竖直设置，分别位于所述中间层的二维光子晶体板的上下两侧，其法线方向与所述中间层的二维光子晶体板法线方向垂直，用于实现在Z方向上对光波的调制。
2.根据权利要求1所述的复合结构光子晶体，其特征在于所述上层、中间层、下层的二维光子晶体板的带隙均覆盖所述待调制光波的波长； 所述上层和下层的二维光子晶体板的带隙偏振相同，并且与中间层的二维光子晶体板的带隙偏振相反。
3.根据权利要求1所述的复合结构光子晶体，其特征在于 在所述中间层的二维光子晶体板上设置缺陷结构；所述上层和下层的二维光子晶体板的厚度至少能覆盖该缺陷结构。
4.根据权利要求3所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述缺陷结构为线缺陷结构；所述上层和下层的二维光子晶体板的厚度大于所述线缺陷结构的横向长度，并沿所述缺陷结构的纵向覆盖所述线缺陷结构。
5.根据权利要求4所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述线缺陷结构为在所述中间层的二维光子晶体板上去掉一排空气孔所形成缺陷波导；所述上层和下层的二维光子晶体板沿所述缺陷波导的纵向覆盖所述缺陷波导。
6.根据权利要求5所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述中间层的二维光子晶体板的材料为GaAs，光子晶体为三角晶格，周期为％，其空气孔的半径0. 3 ，厚度 ；所述上层和下层的二维光子晶体板的材料为Si，光子晶体为三角晶格，周期Sb1，其空气孔的半径0. 4bi，厚度3ai。
7.根据权利要求3所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述缺陷结构为点缺陷结构；所述上层和下层的二维光子晶体板的厚度大于所述点缺陷结构的直径，并覆盖该点缺陷结构。
8.根据权利要求7所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述点缺陷结构在在所述中间层的二维光子晶体板中去掉一个空气孔所形成光子晶体缺陷腔；所述上层和下层的二维光子晶体板覆盖所述光子晶体缺陷腔。
9.根据权利要求8所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述中间层的二维光子晶体板的材料为^Ρ，光子晶体为三角晶格，周期为％，其空气孔的半径0. 3 ，厚度 ；所述上层和下层的二维光子晶体板的材料为Si，光子晶体为三角晶格，周期为Iv其空气孔的半径0. 4b2，厚度3 。
10.根据权利要求3所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述上层、中间层、下层的二维光子晶体板的材料由预设的能带特征及缺陷态特征确定，为半导体材料或介质材料；所述上层、中间层、下层的二维光子晶体板的光子晶体参数由预设的能带特征及缺陷态特征确定。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的复合结构光子晶体，其特征在于，所述上层、 中间层、下层的二维光子晶体通过以下方式中的一种固定一体成型方式；镶嵌到预置支架方式；键合方式；或缓冲层压接方式。
全文摘要
本发明公开了一种复合结构光子晶体。该复合结构光子晶体包括叠层设置的三层二维光子晶体板；其中中间层的二维光子晶体板水平设置，用于实现在X-Y平面上对光波的调控；上层和下层的二维光子晶体板竖直设置，分别位于所述中间层的二维光子晶体板的上下两侧，其法线方向与所述中间层的二维光子晶体板法线方向垂直，用于实现在Z方向上对光波的调制。本发明实现了对光波的三维调控，解决了通常的二维光子晶体平板在垂直于平板方向对光波调控能力较弱的问题。
文档编号G02B6/12GK102213793SQ20111011977
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者晏新宇, 郑婉华 申请人:中国科学院半导体研究所