CN101840025B - 一种线性光子晶体器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性光子晶体器件，属于光通信技术领域。本发明的线性光子晶体器件包括一光子晶体和一光束偏转器；所述光束偏转器位于所述光子晶体的一侧，用于对经该光束偏转器输入所述光子晶体导带的光束或对从所述光子晶体导带输出的光束进行偏转。采用本发明的线性光子晶体器件可以实现从可见光到光通讯波段的全光二极管，且实用性很强、加工工艺简单，使用和测量方便。

Description

一种线性光子晶体器件

技术领域

本发明涉及一种线性光子晶体器件，属于光通信技术领域。

背景技术

以光子作为信息载体来实现超快速信息传输和处理，是光子学技术发展的重要方向。全光二极管是一种能够实现光子单向导通的集成光子器件，完全利用光子与物质的相互作用来实现信号光束的单向导通功能，是构造集成光子回路和实现光计算的核心器件之一，在光通讯、光互联网络以及超快速信息处理等领域都具有非常重要的应用背景。目前，国内外对于全光二极管的研究仍主要集中在理论研究方面，利用非线性光学材料的饱和吸收和反饱和吸收效应[文献1，R.Philip，M.Anija，C.S.Yelleswarapu，and D.V.G.L.N.Rao，“Passive All-Optical Diode Using Asymmetric Nonlinear Absorption”，Appl.Phys.Lett.2007，91(14)：141118]、光子晶体的光子能隙效应[文献2，X.S.Lin，J.H.Wu，andS.Lan，“High Transmission Contrast For Single Resonator Based All-Optical DiodeWith Pump-Assisting”，Opt.Express 2008，16(25)：20949-20954；文献3，H.Zhou，K.F.Zhou，W.Hu，Q.Guo，S.Lan，X.S.Lin，A.V.Gopal，“All-Optical Diodes BasedOn Photonic Crystal Molecules Consisting Of Nonlinear Defect Pairs”，J.Appl.Phys.2006，99(12)：123111]半导体微腔[文献4，S.Pereira，P.Chak，J.E.Sipe，L.Tkeshelashvili，and K.Busch，“All-Optical Diode In An Asymmetrically Apodized KerrNonlinear Microresonator System”，Photon.Nanostruct.-Fundamentals and Appl.2004，2：181-190]、负折射材料[文献5，M.W.Feise，I.V.Shadrivov，and Y.S.Kivshar，“Bistable Diode Action In Left-Handed Periodic Structures”，Phy.Rev.B 2005，71(3)：037602]和手性材料[文献6，A.H.Gevorgyan and M.Z.Harutyunyan，“Chiral PhotonicCrystal With An Anisotropic Defect Layer”，2007，76(3)：031701]来实现全光二极管的功能。在全光二极管的实验研究方面，在2001年，K.Gallo等人利用周期性极化的铌酸锂晶体的准相位匹配效应实现了全光二极管的功能[文献7，K.Gallo，G.Assanto，K.R.Parameswaran，and M.M.Fejer，“All-Optical DiodeIn A Periodically Poled LithiumNiobate Waveguide”，Appl.Phys.Lett.2001，79(3)：314-316]，铌酸锂晶体周期性极化需要使用昂贵的模板刻蚀和复杂的极化工艺，而且，准相位匹配技术要求输入光的功率很高，入射光强通常在GW/cm²的量级。在2004年，S.O.Konorov等人利用光子晶体光纤的自相位调制光谱展宽效应实现了全光二极管的功能[文献8，S.O.Konorov，D.A.S.Biryukov，I.Bugar，M.J.Bloemer，V.I.Beloglazov，N.B.Skibina，D.Chorvatjr.D.Chorvat，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Experimental Demonstration of aPhotonic-Crystal-Fiber Optical Diode”，Appl.Phys.B，2004，34(4)：1417-1420；文献9，D.A.S.Biryukov，A.B.Fedotov，S.O.Konorov，V.P.Mitrokhin，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Photonic Crystal Fiber Optical Diode”，Laser Phys.2004，14(5)：764-766]，但是，这种方法存在很大的缺陷：一是对光子晶体光纤参数的精度要求非常严格；二是光子晶体光纤的拉制过程不易调控，很难制备出符合设计参数要求的样品；三是需要较长尺寸的光子晶体光纤，其长度通常在几十厘米、甚至米的量级，难以集成化；四是同样需要很强的入射光功率。在2005年，J.Hwang等人利用液晶异质结实现了全光二极管的功能[文献10，J.Hwang，M.H.Song，B.Park，S.Nishimura，T.Toyooka，J.W.Wu，Y.Takanishi，K.Ishikawa，and H.Takezoe，“Electro-tunable”，Nature Mater.2005，4(5)：383-387]，由于存放液晶材料的样品池尺寸较大，难以实现集成，这就极大地限制了全光二极管的实际应用。

发明专利“基于二维光子晶体的光二极管及其制备方法”(专利号ZL200510002913.8)利用非线性光子晶体的准相位匹配技术，来实现全光二极管的功能，与本发明专利的内容完全不同。

发明专利“一种全光二极管超透射器件及其制作方法”(申请号200910235522.9)利用表面等离激元共振耦合产生的超透射效应，来实现全光二极管的功能，与本发明专利的内容完全不同。

美国发明专利“optical device”(申请号US2004/0091224A1)利用强光诱导的二维光子晶体缺陷模式共振频率的移动，来实现全光二极管的功能，与本发明专利的内容完全不同。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中光子晶体光纤、周期极化铌酸锂晶体的制备过程复杂、难以调控、入射光功率高的缺点，提供一种线性光子晶体器件，该器件的结构包括楔形区和光子晶体两部分，光子晶体部分是周期晶格的二维光子晶体。楔形区和光子晶体由同一种线性材料构成，两者直接相连。

本发明的另一目的在于利用该线性光子晶体结构实现全光二极管的功能：利用光子晶体在不同方向上的光子带隙的宽度(即频率范围)不同，选择激光束的波长位于光子晶体导带的边缘，则正入射时，激光束的波长位于光子晶体的导带，能够通过光子晶体；斜入射时，激光束的波长位于光子晶体的光子带隙中，激光束将被光子晶体全反射回来而不能通过光子晶体。因此，激光束正向(从右向左)传输时，激光束直接进入光子晶体中，因其波长位于导带中，激光束能够通过该结构。激光束反向(从左向右)传输时，激光束首先在楔形区与空气的界面处发生折射，激光束的传播方向被楔形区偏折后，斜入射进光子晶体，此时激光束的波长将位于光子带隙内，激光束不能通过该结构。由此，实现对传输激光的单向导通的控制作用，从而提供一种线性光子晶体结构作为全光二极管的应用。

本发明的技术方案为：

1.线性光子晶体器件结构

本发明的线性光子晶体器件结构示意图如图1所示，该线性光子晶体器件的结构包括楔形区和光子晶体两部分，其中楔形区和光子晶体为同一种线性光学材料或者折射率差小于3的两种材料，两者直接相连。如果楔形区和光子晶体为两种材料，则楔形区的材料折射率要大于光子晶体。光子晶体为周期晶格的二维光子晶体，也可以为一维光子晶体或三维光子晶体。

1)对材料的要求：

楔形区和光子晶体的光学材料，包括有机和无机线性光学材料，以及三阶非线性光学极化率χ⁽³⁾系数小于1×10^-9esu的有机和无机非线性光学材料：

有机线性光学材料：聚乙烯(Polyethylene，简称PE)、聚丙烯(Polypropylene，简称PP)、聚氯乙稀(Polyvinyl chloride，简称PVC)等；

三阶非线性光学极化率χ⁽³⁾系数小于1×10^-9esu的有机非线性光学材料：如聚苯乙烯(polystyrene)、聚对苯撑乙烯(Poly(p-phenylene vinylene)，简称PPV)及其衍生物、聚二乙炔(Polydiacetylene，简称PDA)、聚乙炔(Polyacetylene，简称PA)、聚噻吩(Polythiophene，简称PT)等；

无机线性光学材料：石英(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)等；

三阶非线性光学极化率χ⁽³⁾系数小于1×10^-9esu的无机非线性光学材料：当入射激光位于可见光波段时，可选用偏硼酸钡晶体(β-BaB₂O₄，简称BBO)、磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO₄，简称KTP)、磷酸二氢钾晶体(KH₂PO₄，简称KDP)、铌酸锂(LiNbO₃)等对可见光透明的材料；当入射激光位于红外波段时，可选用砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)等对红外光透明的材料。

这些有机和无机材料都可以从市场上买到。

2)对尺寸的要求

整个线性光子晶体结构在x和y方向的整个尺寸的大小，需要根据入射激光束光斑的大小来确定，要求能够覆盖整个入射激光光斑；

介质层(包括楔形区和光子晶体区)的厚度h范围为：200nm-10μm，至少允许TE电磁场的基模在楔形和光子晶体中传输；

空气孔直径D的范围是：50nm～800nm；

晶格常数a的范围是：100nm～5μm

对于同一种材料，楔形的顶角θ的范围是：5°～60°；对于两种材料，楔形的顶角θ的范围是：0.1°～60°；

楔形中有一个内角是90°；另一个内角等于90°-θ；

2.全光二极管功能的实现

1)实现方法

对于光子晶体，空间周期性介电函数对入射电磁波的调制作用而产生光子带隙。而在不同的波失方向上，介电函数的空间分布是不同的。当光波从不同的方向进入光子晶体时，光波看到的光子晶体的介电函数的空间分布是不同的。不同的空间介电分布的调制作用，使得光子晶体在不同方向上的光子带隙的宽度(即频率范围)有差异。

如图2所示，是一正方晶格光子晶体的能带结构图。曲线1和曲线2之间的频率区域是光子带隙，频率落入光子带隙中的电磁波是不能在光子晶体中传播的。曲线2以下的频率区域是光子晶体的导带。频率落入导带中的电磁波能够在光子晶体中传播。可以看出，在不同的波失方向上，光子带隙的宽度不同，即光子带隙覆盖的频率范围不同。

选择激光束的频率位于光子晶体导带的边缘，如归一化频率ω＝0.27，则正入射时，激光束的频率位于光子晶体的导带，能够通过光子晶体；当激光束斜入射时，由于光子晶体在不同波失方向上的介电分布不同，激光束的频率移到光子带隙中，激光束将被光子晶体全反射回来而不能通过光子晶体。

如果激光束正向(从右向左)传输，如图3所示，激光束直接进入光子晶体中，因其波长位于导带中，激光束能够通过光子晶体，然后进入楔形区，最后从楔形区与空气的界面处折射输出。正向传输时，激光束能够通过该结构，此时光束传播过程如图4所示：

激光束反向(从左向右)传输时，如图5所示，激光束首先在楔形区与空气的界面处发生折射，激光束的传播方向被楔形区偏折后，斜入射进光子晶体，此时激光束的波长将移到光子带隙内，激光束将被光子晶体全反射回来而不能通过。反向传输时，激光束不能通过该结构。此时光束传播过程如图6：

由此，利用楔形来改变激光束的传输方向，实现对传输激光的单向导通的控制作用，从而提供一种线性光子晶体结构作为全光二极管的应用。

2)各项参数的确定

(1)楔形结构的参数的确定：

楔形的内角：

楔形的顶角θ的范围是：对于同一种材料：5°～60°；对于两种材料：0.1°～60°；

楔形中有一个内角是90°；另一个内角等于90°-θ；

楔形的尺寸：

楔形结构在x和y方向的整个尺寸的大小，需要根据入射激光束光斑的大小来确定，要求能够覆盖整个入射激光光斑；

(2)光子晶体结构参数的确定：

①一维光子晶体晶格参数的确定

一维光子晶体是由两种介电材料依次交替排列所构成。两种材料的厚度h₁和h₂依据下列公式计算：h₁＝λ/(2n₁)，h₂＝λ/(2n₂)，其中，λ是入射光波长，n₁是第一种材料的折射率，n₂是第二种材料的折射率。

晶格常数a＝h₁+h₂；

②二维光子晶体晶格参数的确定

周期性正方晶格空气孔的晶格常数a(孔与孔之间的距离)：

可以根据入射光的波长λ来确定，根据布拉格公式：

其中λ是入射光的波长，

是有效折射率，则晶格常数

空气孔的直径D＝(2/3)a；

更详细的晶格常数和空气孔直径的数据，可以通过多重散射方法或者时域有限差分方法，利用计算机模拟计算获得。

③三维光子晶体晶格参数的确定

决定三维光子晶体的参数主要是晶格常数a和单元晶格的尺度d。

面心立方结构的三维光子晶体，其晶格常数a通过以下公式计算：其中，

是有效折射率。

单元晶格的尺度：l＝0.702a；

更详细的晶格常数和空气孔直径的数据，可以通过多重散射方法或者时域有限差分方法，利用计算机模拟计算获得。

④光子晶体的尺寸：

光子晶体在x和y方向的整个尺寸的大小，需要根据入射激光束光斑的大小来确定，要求能够覆盖整个入射激光光斑；

(3)入射激光波长的选择：

可以根据需要选择激光束的波长，激光束的波长可以位于可见光、近红外、或者光通讯波段；

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的线性光子晶体器件的楔形的顶角、光子晶体的晶格常数、空气孔直径等结构参数易于调整，因此采用本发明的线性光子晶体器件可以实现从可见光到光通讯波段的全光二极管。

2、利用三阶非线性光学效应实现的全光二极管，通常要求很高的入射光功率。采用本发明的线性光子晶体器件制作的全光二极管，没有利用任何三阶非线性光学效应，在较弱的入射光功率时即可工作，实用性很强；

3、本发明的线性光子晶体器件制备工艺简单，易于与全光二极管结构集成，从而采用本发明线性光子晶体器件的全光二极管制备简单，无须复杂的制备加工工艺，使用和测量方便。

附图说明

图1是本发明的二维线性光子晶体器件结构示意图；

图2是正方晶格光子晶体的能带结构图；

图3是激光束正向(从右向左)传输通过线性光子晶体器件示意图；

图4正向传输时，激光束能够通过该结构，此时光束传播过程图；

图5是激光束反向(从左向右)传输通过线性光子晶体器件示意图；

图6反向传输时，激光束能够通过该结构，此时光束传播过程图；

图7是本发明中的线性光子晶体结构作为全光二极管应用的装置示意图；

图8是本发明实施例1中正向传输时线性光子晶体结构的透过谱曲线；

图9是本发明实施例1中反向传输时线性光子晶体结构的透过谱曲线；

图10是本发明的一维线性光子晶体器件结构示意图；

图11是本发明实施例4中一维线性光子晶体器件全光二极管效应；

图12是本发明的三维线性光子晶体器件结构示意图；

图面说明：

1、介质层(光子晶体区)

2、空气孔

3、介质层(楔形区)

a、晶格常数

D、空气孔的直径

h、介质层的厚度

θ、楔形的顶角

d₁、空气槽宽度

d₂、介质条宽度

l、单元晶格直径

4、激光器      5、会聚透镜    6、线性光子晶体器件样品

7、会聚透镜    8、会聚透镜    9、单色仪

10、光电倍增管 11、锁相放大器 12、斩波器

13、计算机

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

实施例1维线性光子晶体器件(楔形区和光子晶体是一种材料)

利用市场上通常的SOI硅片，硅层的厚度是230nm。将SOI硅片切成长和宽均为0.5mm正方块，利用微电子工业常用的聚焦离子束刻蚀技术(或者其它光刻技术)在硅上刻蚀出线性光子晶体器件。楔形的顶角θ是12°，一个内角是90°，另一个内角是78°；光子晶体的晶格常数是250nm，空气孔的直径是167nm。入射激光的归一化频率是0.32(对应的波长是1550nm)。

实施例2

应用实施例1中的线性光子晶体器件作为光通讯波段的全光二极管：

图7是本发明实施例1中线性光子晶体器件作为全光光二极管应用的装置示意图。其中激光器4为飞秒OPO激光器(美国相干公司制造，波长400nm-1.8μm可调，重复频率86MHz)，发出的准连续激光被斩波器12斩波后，由会聚透镜5聚焦后，垂直于介质层表面射入线性光子晶体器件样品6，透射光由会聚透镜7进行会聚后，经过收集透镜8射入单色仪9的入射狭缝，单色仪9的输出信号经过光电倍增管10放大后，输入锁相放大器11的信号输入端，斩波器12发出的信号输入锁相放大器11的参考输入端，最后由计算机13进行数据的采集和处理。

通过飞秒OPO激光器进行频率扫描，可以获得线性光子晶体器件的透过谱。

当激光束正向射入该线性光子晶体器件时，激光束首先进入光子晶体，然后从楔形折射出。入射激光强度200KW/cm²时，从线性光子晶体器件中透过的激光强度为180KW/cm²，透过率达到90％，如图8所示。

当激光束反向射入该线性光子晶体器件时，激光束首先被楔形折射后，斜入射进光子晶体，入射激光强度200KW/cm²时，从线性光子晶体器件中透过的激光强度小于2W/cm²，透过率小于0.01％，如图9所示。实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。

实施例3二维线性光子晶体器件(楔形区和光子晶体是不同材料)的二极管效应

利用通常的半导体套刻镀膜技术(如分子束外延和化学汽相沉积等)，在长和宽分别是5mm、厚度是1mm的MgO基片上，平行镀上300nm厚的硅和铌酸锂，硅和铌酸锂的面积各为0.25mm×5mm。利用微电子工业常用的聚焦离子束刻蚀技术(或者其它光刻技术)，在硅和铌酸锂的连接区域刻蚀出线性光子晶体器件，使得楔形区为硅，而光子晶体为铌酸锂。楔形区的顶角θ是19°，一个内角是90°，另一个内角是71°；光子晶体的晶格常数是360nm，空气孔的直径是154nm。入射激光的波长是1550nm。

当激光束正向射入该线性光子晶体器件时，入射激光强度为200KW/cm²，从线性光子晶体器件中透过的激光强度为178KW/cm²，透过率达到89％；

当激光束反向射入该线性光子晶体器件时，入射激光强度为200KW/cm²，从线性光子晶体器件中透过的激光强度小于5W/cm²，透过率小于0.025％，实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。

实施例4一维线性光子晶体器件的二极管效应

利用市场上通常的SOI硅片，硅层的厚度是230nm。将SOI硅片切成长和宽均为0.5mm正方块，利用微电子工业常用的聚焦离子束刻蚀技术(或者其它光刻技术)在硅上刻蚀出一维线性光子晶体器件，结构示意图如图10所示。空气槽的宽度是387nm，硅条的宽度110nm，楔形的顶角θ是12°，一个内角是90°，另一个内角是78°；入射激光的波长是1550nm。

当激光束正向射入该线性光子晶体器件时，入射激光的透过率为99％；当激光束反向射入该线性光子晶体器件时，入射激光的透过率小于0.06％，如图11所示。实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。

实施例5三维线性光子晶体器件的二极管效应

用一块长10mm、宽5mm、厚5mm的石英晶体中，利用成熟的激光微纳加工技术，刻蚀出三维线性光子晶体器件，如图12所示。激光脉冲能量低于石英的破坏阈值，使焦点处的石英折射率发生变化。介质条的宽度150nm，楔形的顶角θ是52°，一个内角是90°，另一个内角是38°；入射激光的波长是1550nm。

当激光束正向射入该线性光子晶体器件时，入射激光的透过率为75％；当激光束反向射入该线性光子晶体器件时，入射激光的透过率小于5％，实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。

Claims (4)

1.一种线性光子晶体器件，其特征在于包括一光子晶体和一光束偏转器；所述光束偏转器位于所述光子晶体的一侧，用于对经该光束偏转器输入所述光子晶体导带的光束或对从所述光子晶体导带输出的光束进行偏转，光束的频率位于所述光子晶体导带的边缘；所述光子晶体与所述光束偏转器位于一介质层上，所述介质层的厚度为200nm～10μm，至少允许TE电磁场的基模在楔形和光子晶体中传输；所述光束偏转器为一楔形介质层，所述楔形介质层与所述光子晶体一体连接；

其中，所述光子晶体为二维光子晶体时，所述楔形介质层与所述光子晶体为同一种材料；所述光子晶体为一维光子晶体、或三维光子晶体时，所述楔形介质层材料与所述光子晶体材料的折射率差为0～3，且所述楔形区的材料折射率大于所述光子晶体的材料折射率。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于所述光子晶体的晶格常数

空气孔直径D＝(2/3)a；其中，λ为入射光的波长，

光子晶体有效折射率。

3.如权利要求1所述的器件，其特征在于所述楔形介质层的顶角为5°～60°。

4.如权利要求1所述的器件，其特征在于所述楔形介质层材料与所述光子晶体材料为有机线性光学材料、或无机线性光学材料、或三阶非线性光学极化率系数小于1×10^-9esu的有机非线性光学材料、或三阶非线性光学极化率系数小于1×10^-9esu无机非线性光学材料。

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