专利名称：一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法
技术领域：
本发明涉及一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，属于微型光 电子器件设计技术领域。
背景技术：
慢光效应是1999年提出的新概念，它是指光脉冲的传播速度远小于光速的现 象。由于慢光可实现对光信号在时域上的处理以及对光能量在空间上的局域，而逐渐成为 光学领域的研究热点(文献1. T. F. Krauss. “Why do we need slow light.” Nature Photonics, 2008, 2(8) : 448-450.)。相比传统的慢光产生方法而言，光子晶体波导由于 具有独特的光子带隙特性，能控制光子的运动状态，可以在常温下产生慢光，而且可以通 过改变结构参数实现任意波长上的慢光，从而极大地推动了慢光技术的发展(文献2. T.F.Krauss. “Slow light in photonic crystal waveguides. ” Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40(9): 2666-2670.)。而光子晶体槽波导是2008年在光子晶 体波导的基础上提出的一种新型结构，它结合了光子晶体波导与普通槽波导的优点，空气 槽内可以填充低折射率的待测物质，这样，慢光就会被束缚在很窄的低折射率介质槽内，不 仅在空间上增加了信号的强度，还可以进一步加强慢光与槽内低折射率待测物质的相互 作用(文献 3. C. Caer, X. Le Roux, E. Cassan. “Enhanced localization of light in slow wave slot photonic crystal waveguides. ” Optics Letters, 2012, 37 (17): 3660-3662.)，为小体积、高灵敏度的各种全光器件的实现提供了可能(文献4. ff. C. Lai,S.Chakravarty, X. L. Wang, C. Y. Lin, R. T. Chen. uOn-chip methane sensing by near-1R absorption signatures in a photonic crystal slot waveguide. ” Optics Letters, 2011, 36(6): 984-986·)。
然而，在常规光子晶体槽波导中，群折射率会随波长的变化而变化，其产生的慢光 将存在严重的群速度色散现象，导致光脉冲信号展宽，波形发生畸变。考虑到实际应用，光 子晶体槽波导慢光的带宽和群速度色散问题成为了很多学者研究的重点。2010年，J. Wu 等人(文献5. J. Wu, Y. P. Li, C. Peng, Z. Y. Wang. “Wideband and low dispersion slow light in slotted photonic crystal waveguide. ” Optics Communications, 2010，283(14) : 2815-2819.)通过改变光子晶体槽波导中空气槽两侧的空气孔位置实现 了宽带、低群速度色散的慢光，仿真结果表明，这种光子晶体槽波导结构可以产生群速度 为54，带宽可达3.3nm的慢光现象。2011年，伊朗学者(文献6. H. Aghababaeian, M. H. Vadjed-Samiei, N. Granpayeh. “Temperature stabilization of group index in silicon photonic crystal waveguides. ” Journal of the Optical Society of Korea, 2011，15(4) : 398-402.)通过改变光子晶体槽波导中空气槽两侧的空气孔半径，将慢光 的群速度提高到40时，带宽为10nm。但是由于光子晶体的孔形状和尺寸很难精确控制 (文献 7. J. Li, T. P. White, L. O’ Faolain, A. Gomez-1glesias, T. F. Krauss. “Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides. ”Optical Express, 2008, 16(9): 6227-6232;文献 8. ff. ff. Song, R. A.1nteglia, ff. Jiang. “Slow light loss due to roughness in photonic crystal waveguides: An analytic approach.” Physical Review B, 2010, 82(3): 235306.),以上两种方法 虽然在一定程度上改善了光子晶体槽波导的慢光特性，但却增加了光子晶体槽波导制备的 复杂性。而且，在实际应用中，光子晶体槽波导的慢光特性还不可避免地会受到环境温度 以及光子晶体槽波导空气孔半径制备误差的影响，这将严重限制光子晶体槽波导慢光的 应用范围。J. Wu 等人(文献 9. J. Wu, Y. P. Li, C. Peng, Z. Y. Wang. “Numerical demonstration of slow light tuning in slotted photonic crystal waveguide using microfluidic infiltration.，，Optics Communications, 2011, 284(8): 2149-2152.)于 2011年提出在光子晶体槽波导的空气槽中填充不同折射率的液体，实现了对慢光工作波长 的调谐，但其慢光特性并没有得到改善。
本发明提出通过选择一定折射率的液体填充在光子晶体槽波导空气槽两侧的空 气孔内以实现宽带、低群速度色散的慢光特性。由于液体填充操作可以在光子晶体槽波导 制备后进行，能够更加灵活地控制光子晶体槽波导的慢光特性，所以，环境温度以及光子晶 体槽波导空气孔半径的制备误差对光子晶体槽波导慢光特性的影响可以通过调节填充液 体的折射率来消除或减小，不仅降低了光子晶体槽波导制备的复杂性，而且提高了光子晶 体槽波导慢光的应用范围。此外，本发明所设计的光子晶体槽波导具有可重复利用性，可以 根据实际应用需要在同一块光子晶体槽波导中填充不同折射率的液体，以实现不同的慢光 特性，大大提高了光子晶体槽波导的利用率。发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的在于克服已有光子晶体槽波导慢光特性优化方法的不足，提出一种简 单、可行、易于实现的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，其产生的慢光具有高群折射率、 宽带宽、低群速度色散、不受环境温度干扰以及空气孔半径制备误差影响等优点。
(二)技术方案为了达到上述目的，本发明提出一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方 法。该优化方法是在光子晶体槽波导中最靠近空气槽的第一排空气孔内填充一种折射率的 液体，并在最靠近空气槽的第二排空气孔内填充另一种折射率的液体，通过调节两种填充 液体的折射率大小，从而有效地改善光子晶体槽波导的色散曲线，以实现高群折射率、宽带 宽、低群速度色散的慢光特性。当外界环境温度发生变化或者光子晶体槽波导的空气孔半 径与预期之间存在误差时，可以再对这两种填充液体的折射率进行微调，以保证预期要实 现的光子晶体槽波导的慢光特性不发生变化。
上述方案中，所述的光子晶体槽波导为空气桥结构，可以在半导体材料基底绝缘 体上娃(Silicon On Insulator, SOI)上利用掩膜、电子束曝光、离子刻蚀、干法刻蚀、湿法 腐蚀等工艺制备而成。
上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构是先在普通的硅介质背景上刻蚀等边三 角形排列的空气孔形成二维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿X方向的空气孔替换为一 个宽度为=0. 32a的空气槽而构成的，空气孔的半径r=0. 30a (其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，背景介质硅厚度A=220nm，硅的有效折射率为/7=2. 87，所有 空气孔在未填充前的折射率均为1.0。为保证光子晶体槽波导器件工作在传输损耗比较小 的1550nm波段，本方案设定晶格常数a为442nm。
上述方案中，在光子晶体槽波导中填充的液体折射率随液体种类的不同，可以在1. 33到2. O之间变化，将填充有液体的光子晶体槽波导放在装有甲苯的容器中浸泡5分钟 左右后取出，即可将液体移除，并可继续填充其它不同折射率的液体。
上述方案中，所述的调节两种液体的折射率大小，是指当光子晶体槽波导的工作 温度为290K时,在靠近空气槽的第一排空气孔内填充折射率为1. 416的液体，同时在靠近 空气槽的第二排空气孔内填充折射率为1. 645的液体。可以产生群速度降至c/150时，带 宽可达1. 35nm的慢光现象，同时，在慢光带宽范围内，群速度色散值均小于5X10_6ps2/km (相比液体填充前降低了 10倍以上)。
上述方案中，外界环境温度变化，是指光子晶体槽波导的工作温度从290K变化到 300K时，只需将靠近空气槽的第一排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 408的液体，同 时将靠近空气槽的第二排空气孔内填充的液体变为折射率为1.634的液体，这样就可以稳 定光子晶体槽波导的慢光特性，使其不随温度的变化而变化。
上述方案中，光子晶体槽波导的空气孔半径与预期之间存在误差，是指在光子晶 体槽波导的制备过程中，由于人为或者机器误差而引起的空气孔半径从预期的O. 30a变为O.29a或者O. 31a。当空气孔半径为O. 29a时，可以将靠近空气槽的第一排空气孔内填充的 液体变为折射率为1. 347的液体，同时将靠近空气槽的第二排空气孔内填充的液体变为折 射率为1. 615的液体；而当空气孔半径为O. 31a时，可以将靠近空气槽的第一排空气孔内填 充的液体变为折射率为1. 452的液体，同时将靠近空气槽的第二排空气孔内填充的液体变 为折射率为1.701的液体，这样，光子晶体槽波导的慢光特性亦不会发生变化。
(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1)利用光子晶体波导实现慢光要比其他慢光产生方法具有更大的带宽、更小的体积、 更好的可实现性，且结构参数多样，产生的慢光可控，更适用于实际应用；2)光子晶体槽波导产生的慢光会被束缚在很窄的低折射率介质槽内，空间上增加了 光信号的强度，进一步加强了慢光与槽内低折射率物质的相互作用，可以用来实现各种小 体积、高灵敏度的全光器件；3)本发明提出的这种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，通过在最 靠近空气槽两侧的空气孔内填充不同折射率的液体来调整光子晶体槽波导的慢光特性，可 以产生群速度降至c/150时，带宽可达1. 35nm的慢光现象，同时，在慢光带宽范围内，群速 度色散值均小于5X10_6ps2/km (相比液体填充前降低了 10倍以上)，进一步扩大了光子晶 体槽波导产生慢光技术在光电领域中的应用范围；4)本发明提出的这种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，可以在光 子晶体槽波导已经制备完成的情况下，通过微调填充液体的折射率大小，使其产生的慢光 特性不受环境温度干扰以及空气孔半径制备误差的影响。解决了基于光子晶体槽波导的光 器件由于受温度、空气孔半径制备误差的影响，而导致其应用范围受限的问题；5)本发明提出的这种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，不需要改变光子晶体槽波导的结构参数，与传统的实现方法(改变光子晶体槽波导中局部空气孔的半径或者位置)相比，该方法所采用的光子晶体槽波导结构更为精简，降低了工艺的复杂性。而且，光子晶体槽波导的慢光特性对结构参数的依赖性较小(当外界环境的温度或者空气孔半径发生微小变化时，可以通过调节填充液体的折射率，来保持慢光特性不发生变化)，降低了工艺探索难度。
以下各图所取的光子晶体槽波导的结构参数以及填充液体的折射率大小均与具体实施方式
中相同。
图1为二维三角晶格光子晶体槽波导的结构示意图，最靠近空气槽的第一排空气孔用I标记，折射率为nl，最靠近空气槽的第二排空气孔用2标记，折射率为nl ；图2为光子晶体槽波导在yz横截面上的模场分布图；图3(a)为光子晶体槽波导的色散曲线与nl之间的关系；图3(13)为光子晶体槽波导的色散曲线与n2之间的关系；图4为光子晶体槽波导经过填充优化后的群折射率和群速度色散曲线；图5为光子晶体槽波导在工作温度为290Κ和300Κ时的群折射率曲线；图6为光子晶体槽波导的空气孔半径为O. 29a,O. 30a和O. 31a时的群折射率曲线。
具体实施方式
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，对本发明的具体结构、原理以及优化过程作进一步的详细说明。
本发明提出了一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，如图1所示为二维三角晶格光子晶体槽波导结构示意图，它是通过在普通三角晶格光子晶体中去掉中间一排沿X方向的空气孔形成Wl结构的光子晶体波导，再在缺陷中心处放置一个宽度为O.32a的空气槽而形成的。最靠近空气槽的第一排空气孔用I标记，最靠近空气槽的第二排空气孔用2标记，这两种数字标记的空气孔内将分别填充两种不同折射率的液体以实现对光子晶体槽波导慢光特性的优化。
在图1所示的结构中，a为晶格常数(S卩相邻空气孔之间的间距)， 空气孔的半径为r=0.3(fe，未填充前所有空气孔的折射率均为1.0，介质背景材料采用纯娃，硅厚度为A=220nm，有效折射率为η=2· 87，空气槽宽度为% =0. 32a。本发明设计在图1中数字I和2标记的空气孔内填充折射率分别为nl和n2的液体，其中nl代表数字I标记的空气孔内液体的折射率大小，n2代表了数字2标记的空气孔内液体的折射率大小。
根据群速度的定义公式，对于一个中心频率为崎的光波，群速度七为
权利要求
1.一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，其特征在于在光子晶体槽波导中最靠近空气槽的第一排和第二排空气孔内分别填充两种折射率的液体，通过调节这两种填充液体的折射率大小，从而有效地改善光子晶体槽波导的色散曲线，以实现高群折射率、宽带宽、低群速度色散的慢光特性，而且当光子晶体槽波导的工作温度变化或者空气孔半径制备误差对其慢光特性产生影响时，均可以通过调节填充液体的折射率大小来稳定光子晶体槽波导的慢光特性。
2.如权利要求1所述的ー种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，其特征在于光子晶体槽波导结构是先在半导体材料基底绝缘体上娃(Silicon On Insulator,SOI)上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成ニ维三角晶格光子晶体，再将中间ー排沿X方向的空气孔替换为ー个宽度为％=0. 32a的空气槽而构成的，空气孔的半径r=0. 30a (其中a=442nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，硅厚度A=220nm，硅的有效折射率/7=2. 87，在未填充前所有空气孔的折射率均为1. O。
3.如权利要求1所述的ー种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，其特征在于当光子晶体槽波导的工作温度为290K时，在最靠近空气槽的第一排空气孔内填充折射率为1. 416的液体，同时在最靠近空气槽的第二排空气孔内填充折射率为1. 645的液体，可以产生群折射率为150，带宽可达1. 35nm的慢光现象，同时，在慢光带宽范围内，群速度色散值均小于5X 10_6ps2/km。
4.如权利要求3所述的ー种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，其特征在于当光子晶体槽波导的工作温度从290K变化到300K时，如果将最靠近空气槽的第一排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 408的液体，同时将最靠近空气槽的第二排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 634的液体，这样光子晶体槽波导的慢光特性便不会随温度的变化而变化。
5.如权利要求3所述的ー种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法，其特征在于当光子晶体槽波导的空气孔半径从0. 30a变为0. 29a时，可以将最靠近空气槽的第ー排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 347的液体，同时将最靠近空气槽的第二排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 615的液体；而当光子晶体槽波导的空气孔半径从0. 30a变为0. 31a时，可以将最靠近空气槽的第一排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 452的液体，同时将最靠近空气槽的第二排空气孔内填充的液体变为折射率为1. 701的液体，这样，光子晶体槽波导的慢光特性亦不会因空气孔半径的制备误差而发生变化。
全文摘要
本发明提出了一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法。通过在光子晶体槽波导中最靠近空气槽的第一排和第二排空气孔内分别填充折射率为1.416和1.645的液体对光子晶体槽波导的慢光特性进行优化。仿真结果表明，当群折射率为150时，慢光带宽可达1.35nm，群速度色散可降至5×10-6ps2/km。而且，当光子晶体槽波导的工作温度变化或者空气孔半径制备误差对其慢光特性产生影响时，均可以通过调节填充液体的折射率大小来稳定光子晶体槽波导的慢光特性。
文档编号G02B6/122GK103048844SQ20131001064
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月12日 优先权日2013年1月12日
发明者赵勇, 张亚男 申请人:东北大学