一种基于二维光子晶体的偏振无关慢光波导装置的制作方法

本发明涉及一种基于二维光子晶体的偏振无关慢光波导装置，可用于光学技术领域。

背景技术：

在未来全光通信中，慢光在信息的采集、传输和储存等各个环节中都将发挥着举足轻重的作用。经过十几年的发展，慢光的实现手段包括电磁感应透明、相干布居振荡、受激布里渊散射以及光子晶体波导。

一方面，这些不同的慢光技术各有特点，但是在工作性能上都朝着室温、宽带方向发展。电磁诱导透明法是最早实现慢光的实验方法，以1999年哈佛大学harris等人的研究成果为代表，他们首次在冷冻na原子蒸汽中实现了17m/s的慢光，但这种方法的明显缺点是需要超低温条件，并且带宽较窄，难以实用化。为了在室温下实现宽带慢光，2001年，日本ntt公司首次在实验室验证了在一定频率处，二维光子晶体平板波导中可以实现群速度为真空光速0.01倍的慢光。随后，大量的研究人员都致力于设计工作带宽更宽、群速度色散更小的二维光子晶体慢光波导，并提出很多方法，如通过增加或减少波导宽度、调整临近波导单元的尺寸、位置，引入啁啾结构或异质结构等等。

另一方面，由于大部分的光子晶体慢光波导都是基于基本结构光子晶体(即空气孔阵列光子晶体和介质柱阵列光子晶体)，只能在tm偏振(横磁模)或te偏振(横电模)方式下工作。当入射光的偏振态未知，或者偏振态随时间而变化时，就需要在光路中加入偏振预处理器件，使入射光的偏振态符合光子器件的偏振态，这样做无疑增加了成本和应用的难度。

为了实现偏振无关慢光，文献一(appliedoptics，52(26)，2013，6523-6528)公开了一种二维光子晶体波导结构，其特点是采用几何投影优化法构造一种新型gaas介质柱阵列光子晶体，中间引入缺陷。通过优化结构参数，计算结果表明，te和tm慢光模式的最小群折射率分别为137.9和126.4，而且这两种偏振模式在归一化频率0.8531(2πc/a)和0.8524(2πc/a)处分别有相同的群折射率204.6和137.9。

在光子晶体慢光波导中，群折射率与带宽通常存在“此消彼长”的矛盾。为了更全面地评价慢光性能，引入归一化延迟带宽积(normalizeddelaybandwidthproduct(ndbp))，其计算方法为：

其中为在带宽δω范围内的平均群折射率，其计算公式为：

ω0为这个带宽内的归一化中心频率。经计算可得，te模与tm模在δω范围内群折射率变化不超过±10％的ndbp分别为0.1156和0.1487。

此方案提出的光子晶体波导对于te模与tm模在同一频带范围内实现了相近的群折射率慢光，即偏振无关慢光，但是te模式和tm模式慢光的归一化延迟带宽积(ndbp)分别为0.1156和0.1487，工作带宽窄，ndbp较小，是其主要缺点。

文献二(appliedphysicsletters102，141112(2013))提出一种环形光子晶体波导结构。环形光子晶体是在电介质材料(硅)背景下的三角晶格排列的环形空气孔阵列，其内、外半径分别为r和r。当r＝0.45a，r＝0.16a时，采用二维平面波展开法计算得到0.3986-0.4316(2πc/a)范围的完全光子带隙。移除γk方向的一排环形空气孔单元，得到宽度为的单排线缺陷波导。为了使设计优化过程尽可能简化，定波导宽度a，临近波导的两排环形空气孔的内半径为r＝0.16a，而只有外半径r1和r2成为待调整参数。经优化，当r1＝0.403a，r2＝0.412a时，te模与tm模的群折射率相同，约为50，te模的慢光归一化带宽δω/ω0为0.07％，tm模的慢光归一化带宽δω/ω0为0.2％。

此设计方案实现了偏振无关慢光，即对te模与tm模在同一频带范围内实现了相近群折射率的慢光。但是，工作带宽窄，归一化延迟带宽积(ndbp)较小(te：ndbp＝0.035，tm：ndbp＝0.1)是其主要缺点。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于二维光子晶体的偏振无关慢光波导装置。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于二维光子晶体的偏振无关慢光波导装置，包括方形结构硅片，在所述方形结构硅片的表面上沿硅片长边的方向顺序排列刻蚀以硅片中心线为对称轴的八排圆形空气孔，

每排圆形空气孔均以三角晶格排列，各空气孔之间的间距为三角晶格常数a；

在硅片的对称轴上设有一排未刻蚀的圆形空气孔，该排圆形空气孔形成线缺陷，线缺陷宽度为w＝1.9a；

临近线缺陷的两排圆形空气孔半径r＝0.4a，其余六排圆形空气孔半径rout＝0.47a；

在圆形空气孔圆心处填充各向异性材料形成圆形介质柱，所述圆形介质柱的半径为rin＝0.33a。

优选地，所述各向异性材料为碲。

优选地，所述晶格常数a＝394nm，圆形空气孔半径rout＝0.47a＝185.2nm，圆形介质柱半径rin＝0.33a＝130nm。

优选地，临近波导两排圆形空气孔半径r＝0.4a＝157.6nm，线缺陷宽度w＝1.9a＝748.6nm。

优选地，所述晶格常数a＝76.4μm，圆形空气孔半径rout＝0.47a＝35.9μm，圆形介质柱半径rin＝0.33a＝25.2μm。

优选地，临近波导两排圆形空气孔半径r＝0.4a＝30.6μm，线缺陷宽度w＝1.9a＝145.2μm。

优选地，所述晶格常数a＝ω×λ，其中，ω为慢光工作频带的中心频率，λ为慢光工作中心波长。

优选地，评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，由公式(2)求得：

在光子晶体慢光波导中，引入归一化延迟带宽积：normalizeddelaybandwidthproduct(ndbp)，其计算方法为：

其中为在带宽δω范围内的平均群折射率，其计算公式为：

优选地，由平面波展开法计算得，在1515nm～1582nm波长内，te偏振与tm偏振的入射光信号在波导内传播时，都将获得约为10的群折射率，带内群速度色散系数为β2＜10⁴(ps²/km)，归一化延迟带宽积为te：ndbp＝0.354；tm：ndbp＝0.346，波导具有良好的延迟慢光性能。

优选地，由平面波展开法计算得，在293.8μm～306.8μm波长，即1thz频率附近内，te偏振与tm偏振的入射光信号在波导内传播时，都将获得约为10的群折射率，带内群速度色散系数为β2＜10⁴(ps²/km)，归一化延迟带宽积为te：ndbp＝0.354；tm：ndbp＝0.346，波导具有良好的延迟慢光性能

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明首次将各向异性材料引入二维环形光子晶体中，研究了这种新型线缺陷波导的偏振无关慢光特性，通过调节结构参数，对te模和tm模都实现了较大归一化延迟带宽积的慢光，对拓宽慢光在光缓存、光存储、光传感领域的应用具有重要作用。

本技术方案将环形结构与各向异性材料结合，通过优化波导宽度与临近波导第一排环形孔单元的尺寸，在同一工作频段内，对te模与tm模都实现了大带宽、低色散、大归一化延迟带宽积的慢光，对拓宽慢光在光缓存、光存储、光传感领域的应用具有重要作用。

根据光子晶体导光特性的相似性，光子晶体的色散曲线是对晶格常数归一化的，光子晶体慢光波导所支持的慢光频率(波长)位置与晶格常数成正比，本发明提出的方法可以根据实际需要的频段(波长)，设计所需的晶格常数a，对应着相应的作为散射元的环形空气孔的半径、波导宽度等，无需改变材料。

附图说明

图1为本发明的环形光子结构示意图。

图2为本发明的实施例结构中慢光导模的色散曲线图。

图3为本发明的实施例结构中群折射率和归一化频率的关系曲线图。

图4为本发明的实施例结构中群速度色散系数和归一化频率的关系曲线图。

图5为本发明的实施例结构中群速度色散系数和归一化频率的关系曲线图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种基于二维光子晶体的偏振无关慢光波导装置，如图1所示，该光子晶体慢光波导装置包括：在方形结构硅片的表面上沿硅片长边的方向顺序排列刻蚀以硅片中心线为对称轴的8排圆形空气孔，空气孔以三角晶格排列，孔间距为三角晶格常数a。在硅片的对称轴上设有一排未刻蚀的圆形空气孔，形成线缺陷，其宽度为w＝1.9a；临近线缺陷的两排空气孔圆孔半径r＝0.4a，其余6排圆孔半径rout＝0.47a；在圆形空气孔圆心处填充各向异性材料(碲)圆形介质柱，介质柱半径为rin＝0.33a。

根据实际所需的慢光波长(频段)，设计实际的晶格常数a，a＝ω×λ，其中，ω为慢光工作频带的中心频率，λ为慢光工作中心波长。

采用平面波展开法对光子晶体波导的色散特性进行计算，群折射率和色散的关系由公式(1)求得：

a＝ω×λ(1)

其中，c为光速，vg为群速度。

获得宽带低色散的慢光效应需ng在±10％的频率范围内保持稳定，色散曲线呈线性变化。评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，由公式(2)求得：

在光子晶体慢光波导中，群折射率与带宽通常存在“此消彼长”的矛盾。为了更全面地评价慢光性能，引入归一化延迟带宽积(normalizeddelaybandwidthproduct(ndbp))，其计算方法为：

其中为在带宽δω范围内的平均群折射率，其计算公式为：

构建一种工作于光纤通信波段的偏振无关慢光波导装置，取晶格常数a＝394nm，环形空气孔外半径rout＝0.47a＝185.2nm，内半径rin＝0.33a＝130nm，临近波导两排空气孔外径r＝0.4a＝157.6nm，线缺陷宽度w＝1.9a＝748.6nm。由平面波展开法计算得，在1515nm～1582nm波长内，te偏振与tm偏振的入射光信号在波导内传播时，都将获得约为10的群折射率，带内群速度色散系数为β2＜10⁴(ps²/km)，归一化延迟带宽积为(te：ndbp＝0.354；tm：ndbp＝0.346)，波导具有良好的延迟慢光性能。

构建一种工作于低频(长波)区的偏振无关慢光波导装置，取晶格常数a＝76.4μm，环形空气孔外半径rout＝0.47a＝35.9μm，内半径rin＝0.33a＝25.2μm，临近波导两排空气孔外径r＝0.4a＝30.6μm，线缺陷宽度w＝1.9a＝145.2μm。由平面波展开法计算得，在293.8μm～306.8μm波长(1thz频率附近)内，te偏振与tm偏振的入射光信号在波导内传播时，都将获得约为10的群折射率，带内群速度色散系数为β2＜10⁴(ps²/km)，归一化延迟带宽积为(te：ndbp＝0.354；tm：ndbp＝0.346)，波导具有良好的延迟慢光性能。

图2为本发明的实施例结构中慢光导模的色散曲线图，图中黑色实线表示te偏振，黑色虚线表示tm偏振。曲线中灰色标注区为线性平坦慢光区。图2横坐标表示波导传输方向的波矢，纵坐标表示归一化频率。

图3为本发明的实施例结构中群折射率和归一化频率的关系曲线图，图3横坐标表示归一化频率，纵坐标表示波导群折射率。图4为本发明的包含各向异性材料的二维环形光子晶体波导的群速度色散随频率变化曲线图，图中实线表示te偏振，虚线表示tm偏振。图5为本发明的包含各向异性材料的二维环形光子晶体波导的群速度色散随频率变化曲线图，图中实线表示te偏振，虚线表示tm偏振。图4和图5的横坐标表示归一化频率，纵坐标表示群速度色散。

本发明提供了一种偏振无关、宽带、低色散慢光的实现方法，可解决现有基于光子晶体的偏振无关慢光结构中慢光带宽窄、归一化延迟带宽积小的问题。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。