CN101963736B - 一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，该慢光波导结构采用线缺陷光子晶体结构，包括纵向结构及横向结构，纵向结构为空气桥多层结构，从顶层到底层依次为空气层/半导体材料层/空气层/衬底材料层，横向结构采用三角晶格结构，周期为P，半径为R，通过去掉一行孔形成波导。本发明通过变化线缺陷临近孔的大小，实现高达50纳米的慢光工作区，中心波长可以通过波导宽度来调节，在上百纳米的工作波长要求范围内只需要两种孔径的小孔就可实现，可降低满足某一工艺条件的器件参数调整要求。利用本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的慢光光子晶体波导，其带宽可覆盖光纤通信C波段，高达50nm。

Description

一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构
技术领域
本发明涉及光子晶体慢光波导设计及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构。
背景技术
慢光效应器件是新一代光通信、光存储及光子器件的关键器件之一。光子晶体由于其自身的特点，近年来，一直是研究的热点，各种效应也不断被发现和利用。几乎所有的有源和无源光子器件都可以用光子晶体的理论和材料来设计制造。它的许多独特之处引人瞩目，如基于光子晶体带隙的小尺寸大角度弯折无损耗波导，基于带边超大色散效应的超棱镜，基于光子晶体负折射效应的突破衍射极限的成像透镜。其中光子晶体带边慢光效应非常引人关注，它可以在微小尺度内极大增强光和物质的相互作用，有效控制辐射速率，基于此的各种微纳腔激光器已经实现超低阈值激射，特殊腔结构的光子晶体激光器具有高达100Gbps调制速率。
基于慢光效应的调制器、光开关、光延迟器尺寸可以缩小1个或几个数量级。基于慢光效应的半导体光放大器在信号放大、波长变换、光逻辑门、光计算、光网络节点的码型变换、色散监测、光码分多址复用收发模块等方面都有重要应用，慢光结构的采用可以大幅度缩短腔长，从而大幅度减小尺寸，降低功耗，提高速率。
光子晶体慢光效应波导是光子晶体慢光器件设计的基础，此前有很多文献报道了光子晶体线缺陷可以作为慢光器件，群折射率可以达到100以上，但是大带宽的设计尚未见报道，这里我们定义慢光工作带宽为群折射率大于10的单模连续工作区域。普通的慢光光子晶体波导带宽为几纳米，这样很难满足光通信中大带宽的要求。另外一般通过保持占空比不变，调整光子晶体晶格周期来改变其工作波长位置，这样对不同工作区域要求的器件需要不同的工艺条件，使设计上难度加大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，该慢光波导结构采用线缺陷光子晶体结构，包括纵向结构及横向结构，纵向结构为空气桥多层结构，从顶层到底层依次为空气层/半导体材料层/空气层/衬底材料层，横向结构采用三角晶格结构，周期为P，半径为R，通过去掉一行孔形成波导。
上述方案中，该慢光波导结构通过调整线缺陷临近孔的半径及波导的宽度来改变慢光区域带宽及中心波长位置。
上述方案中，所述调整线缺陷临近孔的半径及波导的宽度来改变慢光区域带宽及中心波长位置，包括：当临近孔半径变化时，慢光工作波长位置及范围都将发生变化；当波导临近第一排孔半径变小时，慢光工作范围会向长波方向移动，带宽也将逐渐增大，但带宽增加到一定程度，就不是单模了；当波导宽度缩小时，慢光工作区域会向短波方向移动，工作带宽也将发生变化。
上述方案中，所述纵向结构中的半导体材料层采用硅或磷化铟材料。
上述方案中，所述纵向结构中的半导体材料层具有光子晶体波导，该半导体材料层厚度为250至300纳米。
上述方案中，所述横向结构采用的三角晶格结构，其周期P为380至420纳米，孔半径R为0.31P，从而使其工作于1550纳米附近的通信波段。
(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、本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，采用三角晶格空气桥结构光子晶体，通过变化线缺陷临近孔的大小，实现高达50纳米的慢光工作区，中心波长可以通过波导宽度来调节。
2、本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，在上百纳米的工作波长要求范围内只需要两种孔径的小孔就可实现，这样可降低满足某一工艺条件的器件参数调整要求。
3、利用本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的慢光光子晶体波导，其带宽可覆盖光纤通信C波段，高达50nm。利用两种尺寸的小孔就可以实现多种工作中心波长大带宽具有慢光效应的光子晶体波导。
附图说明
图1是本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的纵向结构示意图；
图2是本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的横向结构示意图；
图3(a)是波导超原胞结构；
图3(b)是第7子带TE模式分布；
图3(c)是色散关系(第7子带为所应用的缺陷态)；
图4是光子晶体慢光波导中光场传输；
图5是波导临近两排孔半径变化时，群折射率随频率的变化；
图6是波导临近两排孔半径变化时，慢光区域带宽的变化；
图7是波导宽度变化时，第7子带群折射率变化趋势，d1至d7分别为0.75W、0.775W、0.85W、0.925W、1.0W、1.1W和1.2W。
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，对本发明进一步详细说明。
现有的光子晶体慢光波导，慢光工作区域(这里定义群折射率大于10的区域)比较小，一般为几纳米，调整中心工作波长需要通过维持占空比，调整晶格周期来实现，这对设计及工艺要求都很高，不同的工作波长需要不同的工艺条件来实现，或者进行复杂的设计参数调整来匹配某种工艺条件。
本发明提出了一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，该结构是一种新型的大带宽慢光光子晶体波导结构，包括纵向结构及横向结构。纵向为一种空气桥多层结构，从顶层到底层依次为空气/半导体材料(如硅或磷化铟)/空气层/衬底材料。给出纵向TE模式有效折射率在通信波段(1550纳米附近)为2.9左右，如图1所示。横向结构的设计以此为基础，采用三角晶格结构如图2所示，周期为P，半径为R。通过去掉一行孔形成波导，该波导通过能带结构即色散关系分析发现其缺陷态具有慢光效应。
在本发明中，通过调整波导临近一行孔半径R1来调整带宽，与此同时工作中心波长也会发生变化，将通过调整波导宽度来进行工作中心波长的调整。
本发明提出的这种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，是以光电子器件常用的多层薄膜结构为基础，在制作过程中无论是硅基还是三五族半导体铟镓砷磷体系，都能通过干法和湿法混合形成如图1所示的这种有空气夹层的所谓空气桥结构。这里我们称之为纵向结构其实就是如图1所示的空气桥结构。光子晶体波导就设计在如图1所示的从上向下第二层之内，为保证纵向单模条件，该层厚度取250至300纳米，三角晶格(如图2)周期P取380至420纳米，孔半径R取0.31P，从而使其工作于通信波段，即1550纳米附近。
与现有文献上发表的线缺陷慢光波导不同的是，本发明通过调整临近孔的大小即图2中R1以对带宽进行调整，这里带宽指慢光工作区域，要求在此区域只有一个横向电场模式存在。
另外本发明将通过调整波导宽度即图2中W来调整中心波长位置。光子晶体在工艺上实现难度很大，一般要经过多次掩膜，曝光，刻蚀才能形成，而不同尺寸的小孔的形成，对光刻胶，曝光能量，刻蚀气流等因素要求的不同，所以在同一工艺条件下刻蚀不同尺寸小孔，往往是满足了一种尺寸，不能满足另一种，这样就需要以一种小孔制作为标准，然后对其它不同孔径小孔做修正，这样如果小孔种类很多，需要的实验次数也会很多。
本发明重要思想之一就是对不同工作中心波长的器件在设计上，尽量包含少的小孔种类，为此只需要用两种固定小孔就可以设计出很多种不同中心波长的器件，这里本发明提出改变波导宽度来调整中心波长位置。
图3是通过能带求解工具得到的光子晶体慢光波导的能带结构，其中(a)为计算中采用的波导超原胞结构；(b)为TE模式第七子带光场分布；(c)为色散关系图，其中斜线所示区域为光子带隙区，由下向上第七子带为所应用的缺陷态，慢光区定义为群折射率大于10的单模工作区域。图4是对慢光波导在工作中心波长做时域有限差分得到的慢光传输效果图。图5是当变化临近孔半径R1时，第七子带模式群速度随波长变化情况，工作区域随半径R1减小向长波方向移动，与此同时慢光工作区域范围即带宽也发生变化，如图6所示。当临近孔半径R1达到0.7R时，带宽已经达到50纳米，继续减小，虽然带宽增加，但此时高波矢处色散。
曲线已经向上翘起，形成一个频率对应色散曲线上两个点，即为非单模工作。当调整波导宽度W时，中心波长会随着宽度的降低而向短波长方向移动，而此时小孔尺寸并没有变化，如图7所示，可以利用该结果，通过改变波导宽度对中心波长位置进行调节。
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。

Claims (4)

1.一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，其特征在于，该慢光波导结构采用线缺陷光子晶体结构，包括纵向结构及横向结构，纵向结构为空气桥多层结构，从顶层到底层依次为空气层/半导体材料层/空气层/衬底材料层，横向结构采用三角晶格结构，周期为P，半径为R，通过去掉一行孔形成波导；其中，该慢光波导结构通过调整线缺陷临近孔的半径及波导的宽度来改变慢光区域带宽及中心波长位置，且线缺陷临近孔的直径比阵列其他孔的直径小；
其中，所述调整线缺陷临近孔的半径及波导的宽度来改变慢光区域带宽及中心波长位置，包括：当临近孔半径变化时，慢光工作波长位置及范围都将发生变化；当波导临近第一排孔半径变小时，慢光工作范围会向长波方向移动，带宽也将逐渐增大，但带宽增加到一定程度，就不是单模了；当波导宽度缩小时，慢光工作区域会向短波方向移动，工作带宽也将发生变化。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，其特征在于，所述纵向结构中的半导体材料层采用硅或磷化铟材料。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，其特征在于，所述纵向结构中的半导体材料层具有光子晶体波导，该半导体材料层厚度为250至300纳米。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，其特征在于，所述横向结构采用的三角晶格结构，其周期P为380至420纳米，孔半径R为0.31P，从而使其工作于1550纳米附近的通信波段。
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