专利名称：三维光子晶体波导结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及波导，具体地说，涉及采用光子晶体的波导结构和方法。
背景技术：
电子的波动性质以及原子的周期性点阵排列使得固体中的电子能量分布分为容许电子的能带和禁止电子的能隙。禁隙起因于对电子某些波长和方向的破坏性干扰。如果某禁隙对所有的方向都存在，则它就称为完全带隙。半导体在价带和导带之间存在一条完全带隙。
光学上的类比物就是光子晶体，它具有介质结构(即不同的各个折射率)呈周期性变化的点阵结构，为光提供了周期性地与原子作用而影响电子的可能性。可以将光子晶体想象为衍射光栅(即，一维光子晶体)的延伸，或在X射线晶体检测仪中自然出现的晶体。与衍射光栅交互作用的光或X射线晶体与周期性结构交互作用，并被重新分布成”容许的”方向和被拒绝进入的”禁止”方向。被禁止的方向就是所述结构的”光子带隙”。
光子晶体可以设计成具有光子带隙，用以阻止具有某种波长和方向的光在光子晶体中传播。如果所述光子晶体不允许某个波长范围内所有极化方式和方向的光在其中传播，就可以说它具有”完全的光子带隙”。完全的光子带隙的必要条件是对比电介质点阵在三维(3D)方向上是周期性的。
对光子晶体及其性状的研究是由Yablonovitch的一篇题为”在固态物理和电子学中被禁止的自然发射”(发表在 Phys.Rev.Lett，1987年58卷20期，2059-2062页)所激发起来的。在这个崭新的领域内，许多研究工作者在所述理论的基础上提出了许多新型光学器件，从性能更佳的激光器到极小型的光开关和波导。
在光子晶体展现出制造新型器件无限前景的同时，在制造带有预先确定结构的光子晶体方面却停滞不前。Yablonovitch等人的题目为”光子带结构采用非球体原子的面心立方体结构”(发表在Phys.Rev.Lett，1991年67卷17期，2295-2298页)文章中描述了通过在电介质材料中钻相互交叉的、毫米级直径的小孔阵列来形成第一例人造3D光子晶体的过程。所述光子晶体在光谱的毫米波段范围内有带隙，但其实用价值有限。
自早期Yablonovitch的开拓性工作之后，大量的研究工作集中在制造和研究红外和可见光的光子晶体上。Bimer等人的，题目为”以硅为衬底的光子晶体”(发表在Adv.Mater.，2001年3月16日，13卷6期)的文章，对制造二维(2D)和3D的光子晶体作了描述。2D光子晶体在二维上有周期性，而在第三维是均匀的，且比起3D光子晶体来，2D光子晶体容易制造得多。虽然，在最严格的意义上说，2D光子晶体不可能有完全的带隙，但对严格局限于周期平面传播的所有方向和极化的波来说，它可能有禁隙。从这种更为狭窄的意义来说，禁隙可以称为”完全的2D带隙”。
具有完全带隙的3D光子晶体的一种应用是引导光。做法是在这种光子晶体中刻出一条路径，作为充空气的波导。在这条充气波导上，在完全禁隙之内以某种频率传播的光将全部被光子晶体所反射，因而被完全局限于波导之内，被波导引导着传播。在绕过急速拐弯的地方，它比常规的波导(例如光纤)对光的束缚更为严密，其中对光的导向作用取决于在具有较高折射率芯核与具有较低折射率外套的交界面处的全内反射所限定的角度范围。
在2D光子晶体领域已经做了许多工作。例如，正如在Bimer等人的题目为”微多孔硅适用于近红外光谱范围的二维光子带隙材料”(phys.Status Solids，A 165，111(1998))文章中所述，已经通过电化学刻蚀的方法在硅的衬底上造出直径约1微米的二维阵列的非常小的圆柱形孔。正如在Johnson等人的文章”在光子晶体片中的导向模式”[phys.Rev，B，60，5751(1998)]中所描述的经过进一步发展，所述技术已经可以造出间距为0.5微米、直径为0.36微米的三角形点阵孔的阵列，从而产生出具有”完全2D带隙的”、自由空间波长为1.25微米的2D光子晶体。
Loncar等人的文章”平面光子晶体的波导”(Appl.Phys.Lett，77卷13期，2000年9月25日，2813-2815页)描述了在硅的氧化物表面设计和制造2D光子晶体回路的过程。所述回路包括能够导过1.5微米的平面波导，并使用用化学方法、辅以用离子束蚀刻在硅中形成的三角形的圆柱形孔阵列的2D光子晶体，如该文的图2所示。通过删除一行2D光子晶体中的圆柱形孔来形成硅片波导。片状波导的上下表面和光子晶体是与空气接触的。所述结构利用了2D光子晶体的2D侧面束缚，而在垂直面(即第3维)的束缚来自顶部和底部的硅/空气界面的常规全内反射。所述文章讨论了沿着直线部分和拐弯60°和90°的传播。
一方面2D光子晶体波导对如平面电路和分布式反馈(DFB)激光器这样一些应用来说是有用的，许多其它应用(例如制造超小型光学和电光集成电路和器件)则需要3D光子晶体波导。然而，到目前为止，业已证明制造3D光子晶体是十分困难的。当所需带隙波长处于可见或红外波段时，这种情况特别严重，这是因为要求点阵的尺寸必须是带隙波长的分数。
虽然现在已经开发出一些技术来制造3D光子晶体，但它们涉及非常严格的处理条件，例如逐一形成一些电介质层，然后堆叠起来将各层粘结在一起形成晶体。在这种晶体上制造3D波导的复杂性更大。
特定的3D晶体是否具有完全的或不完全的光子带隙取决于具体的点阵类型及其参数(例如，空位的尺寸、形状和间距)。所庆幸的是，给定点阵类型(例如钻石型)所形成的光子晶体的带隙性质是可以计算的。其中一种确定基于点阵参数的3D光子晶体带隙性质的技术可以在Ho等人的题目为”周期性电介质结构中光子带隙的存在”(Phys.Rev.Lett.，65卷25期，3152-3155页(1990))文章中找到。这篇文章已收录于此供参考。Ho的文章表明一些晶体点阵(如钻石型)可以形成取决于上面所说的点阵参数的具有完全或不完全带隙的3D光子晶体。
由此可见，客观上需要有一种用3D带隙晶体来制造波导以及基于波导的器件的改进的方法。
发明综述本文描述波导结构和制造波导结构的方法。所述波导结构包括第一三维(3D)光子晶体区和第二三维(3D)光子晶体区，二者结合起来形成具有完全光子带隙的单一的3D光子晶体区。所述波导结构还包括穿过单一3D光子晶体区的通道，所述通道具有这样的尺寸，以便接收和引导对应于完全光子带隙的波长的辐射。
第一和第二三维(3D)光子晶体区的每一个都包括由具有不完全光子带隙的第一空位形成的晶胞的第一周期性阵列，而各第一空位由虚拟键连接。第一和第二三维(3D)光子晶体区的每一个还都包括第二空位的第二周期性阵列，其中，每一个第二空位沿着所述各虚拟键之一排列，以便修改每一个晶胞以形成具有完全光子带隙的3D光子晶体区。
这种形成波导结构的方法包括形成第一3D光子晶体区和第二3D光子晶体区。在第一3D光子晶体区中形成一条通道。第一和第二3D光子晶体区对接而形成3D波导，所述波导由通道和覆盖所述通道的第二3D光子晶体区的一部分形成。
本发明的这些和其它实施例、各个方面、优点和特征将部分地在以下的描述中阐述，并且本专业的技术人员通过参考本发明的下列说明并参阅附图或通过实践本发明将明白本发明的这些和其它实施例、各个方面、优点和特征。本发明的各个方面、优点和特征是通过各种技术手段、工艺过程、和所附权利要求书中特别指出的各种组合来实现和完成的。
附图的简要说明
图1表示14个具有代表性的晶胞，其中的空位被视为”原子”，这些晶胞是作为晶胞的示例，它们可以作为构造本发明的具有完全带隙的3D光子晶体波导结构的基础；图2A摘自Ho等人的文章，它画出了在固态介质衬底中形成的由空心球体组成的钻石型晶体结构中作为填充比函数的隙/半隙比；图2B是从Ho等人的文章中摘录出来的，它画出了由空心球体组成的钻石型晶体结构中的隙/半隙比，所述隙/半隙比作为空心球体和衬底折射率之间折射率比(比率)的函数，其中填充比是81％；图3A是由在衬底中形成的钻石型晶胞阵列构成的光子晶体立体图；图3B表示用来形成图3A所示光子晶体的钻石型晶胞之一，其中每一个钻石型晶胞是由在固体衬底中形成的球形空位”原子”构成的，而原子间由虚拟的四面体”键”连接；图3C是表示在图3B的钻石型晶胞中球形空位透射到立方表面时的位置，分数表示衬底以上高度，用点阵常数(a0)作为计量单位；图4表示自上而下的衬底透视图，衬底上已经形成了长度为L、直径为R、间隔为S的圆柱形孔，然后经过表面变换成为球面空位；图5A是由在衬底中形成的修改的钻石晶胞阵列组成的光子晶体的立体图；图5B表示经过修改图3A所示钻石型晶胞而形成的改性钻石型晶胞，其修改的方法是在沿着四面体键现存的球型空位的中间增加额外的球型空位；
图5C表示图3C同样的视图，但这里是针对图5A所示的改性钻石型晶胞的；图6A表示第一和第二衬底的截面图，其中每个衬底都具有已经形成的实质等同的3D光子晶体区域。
图6B是图6A所示的第一衬底截面图，在其3D光子晶体区域已经形成一条通道；图6C是第一衬底的自上而下的透视图，在其3D光子晶体区域已经形成一条有弯曲的通道；图6D是第一衬底的自上而下的透视图，在其3D光子晶体区域已经形成一条带锥面的通道；图6E是第一和第二衬底的截面图，二者相互对准并结合成通道型波导；图6F是类似于图6E那样的截面图，但其中第二3D光子晶体区域也具有通道；图6G是图6E的粘合的衬底的截面图，其中第二(上)衬底的底部一直抛光到第二衬底的3D光子晶体区域或刚好到所述区域的上方；以及图7是3D光子晶体波导的光学系统截面图，包括图6E所示3D光子晶体波导。
在这些附图中，标号的第一位数字对应于图号。因而类似的元件在不同的附图中的标号仅仅是标识附图序号的第一位数字不同。
最佳实施例的详细说明在下面对本发明的最佳实施例进行详细说明的过程中，要参考作为本说明的一部分的附图。这些附图所要图解的可能是在实践本发明时的具体实施例。对这些实施例的说明将足够详细，以便使本专业的技术人员能够实践本发明。应该说明的是，可以使用其它实施例，也可以作出修改而不会脱离本发明的范畴。因此，不应该从狭窄的意义上来理解下面的详细说明，本发明的范畴应该由所附的权利要求书来限定。
在下面的说明中所用到的术语”衬底(substrate)”包括任何材料、结构或材料/结构的组合，它们的光学的、电子的、或声学的特性可以通过形成或重新安排这些材料、结构或材料/结构组合的光子能带来修改。这样，术语”衬底(substrate)”应理解为包括，例如，线性和非线性的光学材料、金属、半导体和绝缘体/电介质，其中有声学材料、磁性材料、铁电材料、压电材料，和超导体材料等。而且，术语”衬底(substrate)”还应理解为包括在硅、绝缘体上的硅、涂覆或非涂覆的半导体、由半导体衬底支撑的硅的外延层以及其他半导体结构。还有，当在下面的说明中提及半导体”衬底”时，先前可能已经使用一系列处理步骤以便在半导体结构或衬底上形成各种区域或结。
形成具有完全带隙的3D光子晶体本发明涉及形成具有完全带隙的3D光子晶体以建立具有全封闭3D光子晶体波导结构。用来形成这种波导结构的具有完全带隙的3D光子晶体是通过在固态衬底上制造出周期性的空位阵列来形成的。一种用来建立这些空位的优选技术叫做”无物空间的表面转换”(或简称”表面转换”)，其详细说明可以从序列号为No.09/861,770的，在2001年5月22日提交的，题目为”在固体材料中形成三维光子带结构的方法”的美国专利申请中找到。现将上面所述的专利申请收录于此供参考。
使用表面转换技术，可以制造任何点阵对称的3D光子晶体。通过表面转换，在几乎任何固态材料的衬底上都可以形成许多空间群对称中的任何一种，从而控制它的光学的和电磁的性质。空间群对称包括在衬底上形成的多个空位，形成所述空位的方法是在预定的点阵位置钻预定深度的孔，然后以接近该衬底材料熔点的温度加热此材料，以便在所需点阵位置上形成空位图案。这些空位可以具有各种不同的对称性(例如，球面型的、圆柱形的，平板型等等)，并且可以利用例如图1所示的有代表性的晶胞(详情可见C.Kittel”固体物理学导言”(J wiley & Sons 出版，1966年第3版))以不同周期性和各种各样的空间群对称来形成这些空位。
作为一般的规律，光子带隙的波长约为光子晶体周期(即点阵常数a0)的两倍。这样，为了获得所需波长(例如，X射线、紫外光、可见光、红外光、微波等)的带隙，点阵常数a0应该是所需波长的分数。波长和光子带隙的宽度还取决于填充比，它是晶胞内空位的体积与晶胞的总体积的比。
根据本发明的指引，恰当地选择点阵常数a0和”原子”(即空位)的形状和尺寸，各种3D光子晶体和由此而及的3D光子晶体波导的结构都可以在感兴趣的波长区域中产生。光子带隙波长的下限主要由最小的点阵常数a0和在特定衬底上可以形成什么空位来决定。
改性3D光子晶体的波导结构如上所述，本发明的3D光子晶体的波导结构需要形成具有完全带隙的3D光子晶体。然而，使用某种空间群对称和空位的给定尺寸和/或形状形成的某些3D光子晶体在某填充比上可能不提供必需的光子完全带隙，而在另外的填充比时却提供。因此，本发明包括一种方法，也就是使用经过修改的3D光子晶体来形成具有完全的带隙的波导结构。
Ho等人在他们题为”周期性电介质结构光子隙的存在”(Phys.Rev.lett.，65卷25期，1990年12月17日，3152-3155页)的文章(该文已被收录于此供参考)中已经计算出各种尺寸各种电介质衬底的钻石型点阵的空心球(即球形空位)光子带结构。Ho等人还确定了球形空位的钻石型点阵存在完全带隙的条件。
图2A是从Ho等人文章中摘录出来的(在此文是图3(a))并绘画出”隙/半隙比”与在固态衬底中形成的空心球的填充比的关系。”隙/半隙比”就是所计算的钻石晶体的带隙(以频率为单位)以半隙频率归一化所得到的比率。从图2可以看出，要想得到完全带隙，要求填充比在大约0.35或以上。而且，”隙/半隙比”不断增大，一直到填充比达到0.8为止。达到这点以后，”隙/半隙比”迅速下降。
图2B是从Ho等人文章中摘录出来的(在此文是图3(b))，它画出了隙/半隙比作为空心球和衬底材料之间的折射率比(比率)的函数的关系。空心球按照钻石型晶体结构排列，填充比是81％。对所述填充比而言，衬底材料的折射率需要大于2。而且，折射率比率越大，隙/半隙比越大。
图3A是由在衬底324中形成的钻石型晶胞310阵列的光子晶体304的立体图。图3B和图3C中示出钻石型晶胞310的详细结构。每一个钻石型晶胞310(点阵)是由在衬底324中形成的球形空位320组成的，其点阵常数为a0。空位320可以具有任何形状，但是，这里为了讨论方便起见只虑球形空位。球形空位320之间用虚拟的四面体”键”330连接。为了便于解释，下面假定衬底324的材料是硅(光学指数，n＝3.6)，x轴和y轴在衬底平面上，而z轴则垂直于衬底平面。作为示范实施例，进一步假定球形空位是用表面转换工艺形成的。这样，光子晶体304由晶胞310所定义的周期性空位阵列320组成。这样形成的周期性阵列具有不完全的带隙。
如图4所示，表面转换涉及在衬底424中钻一组预先规定好的特定半径为R、深度为L、间距为S(例如等于点阵常数a0)的圆柱形孔436，然后将衬底材料退火。显然，下面所述的方法通过改变退火条件可以应用于在其它高指数(n≥2)的衬底材料，例如GaAs、InP等，形成完全光子带隙。
为简单起见，现在来说明如何在(x，y)形成一个晶胞以及在Z方向形成N个晶胞的情况。要在(x，y)平面形成更多的晶胞，只要在x和y方向上按模数a0重复平移孔图案。
为了在衬底的Z方向形成点阵周期为a0的球形空位，要求圆柱形孔的半径必须是
R＝a0/8.89～0.11a0经过表面变换之后，每个球形空位的20的半径RS是RS＝(1.88/8.99)a0～0.212a0通过表面变换形成每一个晶胞所需的起始圆柱形孔的深度L以及Z方向上N个晶胞的球形空位点阵位置(x，y，z)是(a)对晶胞位置(1，0，1)和(0，1，1)L1＝(N)a0＝(N)8.89R(b)对(3/4，1/4，3/4)和(1/4，3/4，3/4)L3/4＝(N+1/4)a0(c)对(1/2，0，1/2)，(0，1/2，1/2)，(1，1/2，1/2)和(1/2，1，1/2)L1/2＝(N+1/2)a0两个点阵位置(1，1/2，1/2)和(1/2，1，1/2)实际上分别在x方向平移和y方向平移的相邻的晶胞中。它们和图3A与图3C一致，但当按照模数a0沿x和y方向平移晶胞时被忽略了。
(d)对(1/4，1/4，1/4)和(3/4，3/4，1/4)L1/4＝(N+3/4)a0(e)对(0，0，0)，(1/2，1/2，0)和(1，1，0)L0＝(N+1)a0在退火期间(例如在1100℃，10torr压力的氢气条件下)，在硅衬底324中，在垂直方向上堆叠的N个钻石型点阵310的晶胞中每一个点阵位置，形成球形空位320，如图3A所示。
由于在钻石型点阵310沿着四面体键330方向的最近邻距离是0.433a0并且球体空位半径RS是0.21a0，所以，用表面变换所形成的钻石型点阵的填充比只有0.32。
再次参考图2的曲线。可以看出，填充比0.32是不足以产生完全带隙的(也就是说，填充比为0.32的时候，带隙的尺度为零)。然而，如果可以将填充比增大到0.35左右或更大，则可以获得完全的带隙。
图5A是衬底514中由晶胞510构成的完全带隙光子晶体504的立体图。参照图5B和5C，每一个晶胞510包括用四面体键530连接的球形空位520，其形成一个钻石型晶胞，与图3B的晶胞310一样。然而，晶胞510被进一步修改，以便包括额外在沿着每条四面体键530的中点增加的半径为0.212a0的球形空位540。球形空位540不会改变钻石的对称性，但它们会将填充比增大到0.48，结果得到具有比约0.1的隙/半隙的完全带隙。图5B和图5C中详细表示的晶胞510在这里被称为”改性钻石型晶胞”或”改性钻石型晶体”。
对在z方向的N个改性晶胞，在每一晶胞点阵位置(x，y，z)的球形空位520和540，需要用表面变换形成的初始圆柱形孔的深度L；(A)对点阵位置(1，0，1)和(0，1，1)L1＝(N)a0(B)对(7/8，1/8，7/8)，(5/8，3/8，7/8)，(3/8，5/8，7/8)和(1/8，7/8，7/8)L7/8＝(N+1/8)a0(C)对(3/4，1/4，3/4)和(1/4，3/4，3/4)L3/4＝(N+1/4)a0(D)对(5/8，1/8，5/8)，(7/8，3/8，5/8)，(1/8，5/8，5/8)和(1/8，7/8，7/8)L5/8＝(N+3/8)a0(E)对(1/2，0，1/2)，(0，1/2，1/2)，(1，1/2，1/2)和(1/2，1，1/2)L1/2＝(N+1/2)a0如前所述，点阵位置(1，1/2，1/2)和(1/2，1，1/2)实际上分别处于沿着X方向平移和沿着Y方向平移的晶胞的下一个相邻晶胞中。它们和图5A和图5C是相一致的，但当将所述晶胞沿着x和y方向平移模数a0时需要将其删除。
(F)对(3/8，1/8，3/8)，(1/8，3/8，3/8)，(7/8，5/8，3/8)和(5/8，7/8，3/8)
L3/8＝(N+5/8)a0(G)对(1/4，1/4，1/4)和(3/4，3/4，1/4)L1/4＝(N+3/4)a0(H)对(1/8，1/8，1/8)，(3/8，3/8，1/8)，(5/8，5/8，1/8)和(7/8，7/8，1/8)L1/8＝(N+7/8)a0(I)对(0，0，0)，(1/2，1/2，0)和(1，1，0)L0＝(N+1)a0使用上面所定义的圆柱形孔的模式对衬底524退火(例如在1100℃，气压为10torr的氢气中)，在改性钻石型点阵沿垂直方向堆叠的N个晶胞中，在四面体键530的各顶点产生球形孔520并且在沿四面体键530方向的各球空位520之间产生球形空位540，如图5A-5C所示。
形成N个(z方向堆叠的)的晶胞所需的退火时间可以使用例如Matsutake和Ushiku论文(其详细摘要登于在日本东京召开的”2000年国际固体器件和材料国际会议”论文集，198-199页(2000))所描述的方法来估计。对a0在1微米左右，换言之R在0.1微米左右，形成N个(z方向堆叠的)的晶胞退火时间估计为N×40(以秒为单位)。
虽然已经结合在硅衬底中形成经过改性的球形空位的钻石型点阵描述了从不完全带隙的3D点阵形成完全带隙的3D点阵的过程，但所述方法可推广来修改任何不完全的带隙的点阵。Ho等人文章所描述的方法可以用来确定特定的晶体结构是否具有完全的带隙，以及所述晶体结构是否可以经过修改来产生完全的带隙。换句话说，特定的晶体结构是否能产生完全的带隙，或某一特定的晶体结构是否可以经过修改来获得完全的带隙可以通过经验来确定。
3D光子晶体波导的形成现在结合图6A到图6G来讲述形成全封闭3D光子带隙波导结构的方法。
在图6A，分别提供各自带有上表面610和612以及相应底面618和620的第一和第二衬底600和604。具有上表面632的和完全带隙的第一3D光子晶体区630是在第一衬底600中形成的，其深度至少为10到15个点阵常数a0，以及其宽度至少为20到30点阵常数。具有上表面642和完全带隙的第二3D光子晶体区640是在第二衬底604中形成的。第二3D光子晶体区640最好等于(或实际上等于，误差在0.1a0以内)第一3D光子晶体区630。
在某示范实施例，第一和第二3D光子晶体区630和640是用表面转换工艺形成的。还有，正如上面结合改性钻石型晶体结构范例所讨论的，在某示范实施例中，已经形成第一和第二3D光子晶体区以便产生具有完全带隙的改性晶体结构。一般地说，第一和第二3D光子晶体区域能够具有提供完全带隙的任意形式的空位排列。
在某示范实施例中，衬底600的顶面610包括与第一3D光子晶体区630相邻的对准标记650，而衬底604的顶面612包括与第二3D光子晶体区640相邻的对准标记656。设计对准标记650和656是为了便于3D光子晶体区630和640的相互对准，如下面所述。
在图6B，在3D光子晶体区630的上表面632通过除去水平方向(Y方向)的多个(例如，1到4个)晶胞、以及通过除去在垂直方向(Z方向)的多个(例如，1到4个)晶胞来形成通道660。需要除去的晶胞的准确数目取决于点阵常数和所需传导的光的波长。一般地说，通道660的尺寸根据在相应3D光子晶体区630和640的完全带隙中发送的光的波长来确定。任何一种标准平板印刷技术，例如刻蚀，都可以用来形成通道660。通道660包括底壁662和相对的侧壁666。如图所示，在某示范的实施例中，通道660具有矩形截面。在图6C所表示的另一个示范实施例，通道660包括弯曲670。虽然通道660的截面被表示为矩形，但其它的形状，包括图6D所示的锥形通道672，也是可以形成的。
在图6E，设置衬底600和604时让它们的顶面610和612相对。然后将3D光子晶体区域630和640相互对准(例如，通过使用对准标记650和656)，让顶面610和612接触，并使用标准衬底粘结技术使其粘结在一起。粘结结构的效果是，形成了一块单一的3D光子晶体结构，其中具有由底壁662、通道660的相对的两侧壁666，和用以覆盖通道的第二3D光子晶体区域640的上表面的一部分围成的3D通道式波导680。
图6F展示了一个变通的示范实施例，其中矩形通道668与在区域640中形成的通道660的宽度一样，使之由3D光子晶体630和640中的每一个的通道来形成通道式波导690。
在图6G，衬底604的底面620和/或衬底600的底部表面618被有选择性地抛光到接近3D光子晶体区域640和/或3D光子晶体区域630。在某些情况下，可能需要抛光到3D光子晶体区域640和630中的一个或全部两个的顶部，或甚至进入一个或全部两个3D光子晶体区域，一直到接近波导680。
3D光子晶体波导的光学系统本发明包括使用上面刚刚讲到的3D光子晶体波导形成的3D光子晶体波导光学系统701，如图6E和6G。
参阅图7，波导光学系统701包括辐射源703，辐射源703工作时与3D光子波导780的输入端707耦合，这使从辐射源发出的辐射721沿所述波导传送。辐射721的波长在限定波导780的3D光子晶体区域730和740的光子带隙的范围内。在某示范实施例，辐射源703是激光器，如二极管激光器或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
辐射721由于被每一个全带隙晶体表面(如通道的底部表面732，通道的侧面(这里没有表示，请参看图6G的666)，和限定波导780的上表面724)的全方向反射而被束缚在3D全部可能的传播角度的范围之内。因为波导780可能包含或者空气或者其它气体(例如氮气)或者真空，所以，所述波导的传输损耗估计可以和目前在长途光通信所使用的低损耗的光纤(每千米0.3dB)比美或更好。还有，由于完全带隙光子晶体的反射机制对入射角度不敏感，所以，与常规波导相比，由于弯曲(如图6C的弯曲670)所造成的弯曲损耗应该是相当低的。这使得波导780可以弯曲到90°，这为制造基于波导的集成光学系统，例如耦合器、Y型接头、上下信号的复用器、以及类似器件提供更大的设计自由度。
继续参考图7，光检测器777工作时与波导780的输出端783耦合来接收和检测沿波导传送的辐射721，作为响应，产生电信号(就是光电流)787。与光检测器777连接的是电子系统791，它的工作是接收和处理电信号787。
结论本发明涉及3D光子晶体波导结构及形成所述结构的方法。本发明所使用3D光子晶体包括周期性的空位阵列。在某示范性实施例中，所述空位阵列是用表面转换技术形成的。而且，在形成波导结构的过程中，两个3D光子晶体区域互相交界和粘结形成单一的3D光子晶体。这使得很容易通过在至少一个3D光子晶体区域中形成一条通道来制造所述波导结构。
本发明的方法还允许形成多种不同的3D光子晶体波导，其完全的带隙波长从很小(例如紫外线或更短)到相当大(红外及更长)。而且，本发明提供了使用经过修改后具有完全带隙的3D光子晶体结构来形成3D波导结构。
虽然已经结合最佳实施例对本发明加以说明，但是，显然，本发明的范围不应局限于此。相反，其意图是囊括所有在本发明精神和由所附的权利要求书所规定的范围内的所有替换物、改型和等价物。
权利要求
1.一种波导结构，它包括第一三维(3D)光子晶体区；以及第二3D光子晶体区，其中，所述第一和第二3D光子晶体区结合起来形成单一的具有完全光子带隙的3D光子晶体区，以及穿过所述单一3D光子晶体区的通道，这样确定所述通道的尺寸，以便接收和引导具有对应于完全光子带隙的波长的辐射。
2.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于所述第一3D光子晶体区包括由具有不完全光子带隙的第一空位形成的第一周期性晶胞阵列，所述第一空位是由虚拟键连接起来的；以及第二空位的第二周期性阵列，其中，所述第二空位中的每一个都沿着虚拟键中的一个键排列，目的是修改每一个晶胞来形成具有完全光子带隙的第一3D光子晶体区。
3.如权利要求2所述的波导结构，其特征在于所述第二3D光子晶体区包括由具有完全光子带隙的第一空位形成的第一周期性晶胞阵列，所述第一空位之间是由虚拟键连接起来的；以及第二空位的第二周期性阵列，其中每一个第二空位沿着所述虚拟键中的一个键排列，目的是修改每一个晶胞来形成具有完全光子带隙的所述第二3D光子晶体区。
4.如权利要求3所述的波导结构，其特征在于所述第一和第二3D光子晶体区域中每一个区域的所述第一和第二空位是球形的。
5.如权利要求3所述的波导结构，其特征在于所述第一和第二3D光子晶体区域中每一个区域的所述第一和第二空位来自经过修改的钻石型晶体结构。
6.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于所述第一3D光子晶体区包括一个表面；以及所述第二3D光子晶体区包括一表面，其中，所述第一和第二3D光子晶体区域在所述第一和第二3D光子晶体区域的所述表面处结合起来。
7.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于还包括在其中形成所述第一3D光子晶体区的第一衬底；以及在其中形成所述第二3D光子晶体区的第二衬底。
8.如权利要求7所述的波导结构，其特征在于所述第一和第二衬底之一包括从由以下材料构成的材料组中选出的一种材料线性光学材料、非线性光学材料，金属、半导体、绝缘体、电介质，声学材料、磁性材料、铁磁材料、压电材料以及超导材料。
9.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于还包括连接到所述通道的辐射源。
10.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于所述通道包括弯曲。
11.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于所述通道包括锥面。
12.一种形成三维(3D)光子波导结构的方法，所述方法包括形成第一3D光子晶体区；形成第二3D光子晶体区；在所述第一3D光子晶体区形成第一通道；以及将所述第一和第二3D光子晶体区对接以便形成由所述第一通道限定的、且用所述第二3D光子晶体区的一部分覆盖所述第一通道而形成的3D波导。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于形成第一3D光子区的步骤包括在第一衬底形成拥有具有不完全光子带隙的空位的第一周期性晶胞阵列，所述第一空位之间由虚拟键连接；以及形成第二空位的第二周期性阵列，其中，所述第二空位中的每一个都沿着所述虚拟键之一排列，以便形成具有完全光子带隙的所述第一3D光子晶体区。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于在两个所述第一空位之间的中点形成所述第二空位中单独的一个空位。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于处于所述第一3D光子晶体区的所述第一和第二空位是用表面变换的方法形成的。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括确定形成具有完全光子带隙的所述第一3D光子晶体区所需的空位的填充比。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述第一衬底包括从由以下材料构成的材料组中选出的一种材料线性光学材料、非线性光学材料，金属、半导体、绝缘体、电介质，声学材料、磁性材料、铁磁材料、压电材料以及超导材料。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于形成第二3D光子晶体区域的步骤包括在第二衬底中形成第一周期性晶胞阵列，所述阵列由具有不完全光子带隙的第一空位形成，所述第一空位由虚拟键连接；以及形成第二空位的第二周期性阵列，其中，所述第二空位的每一个都沿着所述虚拟键之一排列，以便形成具有完全光子带隙的第二3D光子晶体区域。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述第一和第二3D光子晶体区域中每一个区域的所述第一和第二空位是球形的。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括在所述第二3D光子晶体区中形成第二通道；以及在将所述第一和第二3D光子晶体对接的时候，将所述第一通道和所述第二通道对准，以便由所述第一和第二通道形成3D波导。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一通道具有矩形的截面。
22.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一通道包括弯曲。
23.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一通道包括锥面。
全文摘要
公开了用三维(3D)光子晶体形成的波导结构。所述3D光子晶体包括在固体衬底上形成的周期性空位阵列。所述空位的排列能够创造完全的光子带隙。所述空位可以使用称为”表面变换”的技术来形成，其中包括在衬底表面形成孔以及将衬底退火来启动靠近表面的衬底材料的转移最后在衬底中形成空位。在3D光子晶体中形成可以传输对应于该完全带隙的辐射的通道，由此形成波导。可以通过以下方法来所述波导令两个光子晶体的区域对接，而其中至少一个区域具有形成在其中的通道。可以通过以下方法来选择带隙的波长排列周期性空位，使得其点阵常数等于带隙波长的一部分。
文档编号H01L29/06GK1802579SQ03802232
公开日2006年7月12日 申请日期2003年1月16日 优先权日2002年1月17日
发明者J·E·格伊西克, L·福尔贝斯 申请人:微米技术有限公司