專利名稱：基于二維光子晶體的光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于二維光子晶體的光二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
光子晶體類似于半導(dǎo)體材料具有電子能帶，也具有導(dǎo)帶和禁帶(光子帶隙)。光子晶體又稱光子帶隙材料，是由一種或者多種介電材料所構(gòu)成的、介電常數(shù)在空間周期性變化的一種人工設(shè)計(jì)的晶體?？臻g周期性分布的介電常數(shù)對入射光波的調(diào)制作用就形成了光子帶隙(禁帶)，波長(或者頻率)落入光子帶隙內(nèi)的光將被全部反射回去而不能透過光子晶體。利用光子晶體的光子帶隙，能夠?qū)崿F(xiàn)對光的傳輸過程進(jìn)行有效的人為控制，因而在集成光子器件和光通信領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。基于光子晶體的光二極管是一種重要的集成光子器件，在光通訊、光計(jì)算和光信息處理等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。因此，早在1994年，M.Scalora就提出了一種利用一維光子晶體來實(shí)現(xiàn)光二極管的思想，提出把多種介電薄膜材料周期性排列形成一維光子晶體，并且使這些介電薄膜材料的介電常數(shù)依次遞增0.01，就可以實(shí)現(xiàn)對光的單向?qū)ǖ目刂谱饔?文獻(xiàn)1，M.Scalora，J.P.Dowling，C.M.Bowden，and M.J.Bloemer，“The Photonic Band Edge Optical Diode”，J.Appl.Phys.1994，76(4)2023-2026；文獻(xiàn)2，M.Scalora，and M.E.Crenshaw，“A BeamPropagation Method that Handles Reflections”，Opt.Commun.1994，108(1)191-196)。隨后，M.D.Tocci提出可以利用半導(dǎo)體攙雜技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多種半導(dǎo)體薄膜材料的折射率依次相差0.1的思想，并模擬計(jì)算了這種一維光子晶體光二極管對光傳輸?shù)目刂谱饔?文獻(xiàn)3，M.D.Tocci，M.J.Bloemer，M.Scalora，and J.P.Dowling，“Thin-FilmNonlinear Optical Diode”，Appl.Phys.Lett.1995，66(18)2324-2326)。但是，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)具有相同的介電特性和微小折射率差別的多層介質(zhì)膜是非常困難的。因此，到目前為止，對光子晶體光二極管的研究工作仍主要集中在理論研究方面(文獻(xiàn)4，A.Huttunen，P.Torma，“Band Structure for Nonlinear Photonic Crystals”，J.Appl.Phys.，2002，91(7)3988-3991；文獻(xiàn)5，B.S.Song，T.Asano，Y.Akahane，Y.Kanaka，and S.Noda，“Transmission and Reflection Characteristics of in-Plane HeteroPhotonic Crystals”，Appl.Phys.Lett.，2004，85(20)4591-4593)。最近，S.O.Konorov依據(jù)光子晶體光纖的自相位調(diào)制效應(yīng)，利用兩段光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了全光二極管(文獻(xiàn)6，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 a Photonic-Crystal-Fiber Optical Diode”，Appl.Phys.B，2004，34(4)1417-1420；文獻(xiàn)7，D.A.S.Biryukov，A.B.Fedotov，S.O.Konorov，V.P.Mitrokhin，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Photonic CrystalFiber Optical Diode”，Laser Phys.2004，14(5)764-766)。但是，這種方法存在很大的缺陷一是對光子晶體光纖參數(shù)的精度要求非常嚴(yán)格；二是光子晶體光纖的拉制過程不易調(diào)控，很難制備出符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求的樣品；三是需要較長尺寸的光子晶體光纖，其長度通常在幾十厘米、甚至米的量級，難以集成化。這就極大地限制了光子晶體光二極管的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)中光二極管制備過程復(fù)雜、難以調(diào)控的缺點(diǎn)，提供一種基于二維光子晶體的光二極管，制備簡單、使用和測量方便，易于集成。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容一種基于二維光子晶體的光二極管，包括一二維光子晶體和一可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體，二維光子晶體為一刻蝕有周期性分布空氣孔的一層介電薄膜，二維光子晶體和實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體通過波導(dǎo)連接。
實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體可以是普通的非線性倍頻晶體。
實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體可以是二維光子晶體。
對于入射光位于可見光波段時(shí)，選用鈮酸鋰(LiNbO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、摻鈰鈦酸鋇(Ce:BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)等對可見光透明的材料作為光子晶體的介電薄膜；入射光位于紅外波段時(shí)，選用砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、鋁鎵砷(AlGaAs)、硅(Si)等對紅外光透明的材料作為光子晶體的介電薄膜。
一種基于二維光子晶體的光二極管的制備方法，其步驟包括(1)在一層介電薄膜上分別刻蝕出兩個二維光子晶體的周期性分布空氣孔；(2)一個光子晶體的周期性孔的晶格常數(shù)為入射光的波長比兩倍的有效折射率，孔的半徑為1/3晶格常數(shù)；(3)另一個光子晶體的周期性孔的晶格常數(shù)a=mλ2(n2-n1)]]>其中，m為準(zhǔn)相位匹配的階數(shù)，λ為基頻光波長，n1為基頻光的折射率，n2為倍頻光的折射率，孔的半徑r=14a.]]>介電薄膜的厚度可為200-600nm。
所述周期性空氣孔可為正方形分布。
本發(fā)明的技術(shù)效果利用二維光子晶體的半導(dǎo)體材料(或者鈮酸鋰LiNbO3)自身的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，使得正向(從左向右)傳輸?shù)墓馐紫仍趯?shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體中發(fā)生倍頻效應(yīng)，其倍頻光能夠通過光子晶體，而反向(從右向左)傳輸?shù)墓獠荒芡ㄟ^二維光子晶體，直接被光子晶體全反射回來。由此，實(shí)現(xiàn)對傳輸光的單向?qū)ǖ目刂谱饔?，從而提供一種二維光子晶體作為光二極管的應(yīng)用。其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、通過改變晶格常數(shù)、微腔半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用微加工技術(shù)制備不同波段的二維非線性光子晶體，可以實(shí)現(xiàn)從可見光到光通訊波段的二維光子晶體光二極管。
2、光子晶體倍頻效應(yīng)的響應(yīng)速度在fs量級。
3、本發(fā)明的光子晶體制備簡單，使用和測量方便，非常利于集成。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
圖1是本發(fā)明的二維光子晶體示意圖；圖2是本發(fā)明光二極管應(yīng)用的裝置示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中的光子晶體II透過譜曲線；圖4是本發(fā)明實(shí)施例3中的光子晶體II透過譜曲線。
圖面說明1-二維平介電面薄膜；2-光子晶體I中的孔；3-光子晶體I的晶格常數(shù)；4-光子晶體II的晶格；5-光子晶體II中的孔；6-波導(dǎo)；7-激光器；8-會聚透鏡；9-會聚透鏡；10-收集透鏡；11-單色儀；12-光電倍增管；13-示波器；14-激光二極管；15-鎖相放大器；16-斬波器；17-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明基于二維光子晶體的光二極管是由一二維光子晶體和一可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體組成，二維光子晶體和實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體通過波導(dǎo)連接。二維光子晶體由一二維介電薄膜構(gòu)成，在薄膜上刻蝕有呈周期性分布的空氣孔，空氣孔之間的距離由晶格常數(shù)確定；介電薄膜為半導(dǎo)體材料，包括GaAs、AlGaAs、Si；或者鈮酸鋰LiNbO3，厚度在200nm～600nm之間，可以通過半導(dǎo)體分子束外延生長技術(shù)、脈沖激光淀積技術(shù)和化學(xué)氣相沉積技術(shù)等薄膜技術(shù)獲得?？諝饪椎陌霃皆?00nm～800nm之間，為正方形周期分布，空氣孔是通過聚焦離子束刻蝕或者電子束曝光與反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)制成；可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體I可以是另一個二維光子晶體，也可以用普通的非線性倍頻晶體來實(shí)現(xiàn)，包括偏硼酸鋇晶體(β-BaB2O4，簡稱BBO)、磷酸鈦氧鉀晶體(KTiOPO4，簡稱KTP)、磷酸二氫鉀晶體(KH2PO4，簡稱KDP)等，但是要求晶體尺寸在mm量級。通過改變晶體端面相對于入射光的角度，就可以直接利用相位匹配條件來實(shí)現(xiàn)頻率變換。沒有其他的參數(shù)要求。
激光束正向(從左向右)傳輸時(shí)，首先進(jìn)入實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體I，入射激光在晶體I中滿足準(zhǔn)相位匹配條件，由于非線性倍頻效應(yīng)，入射激光轉(zhuǎn)變成其二倍頻激光，而倍頻激光的波長位于光子晶體II的導(dǎo)帶，能夠通過光子晶體。激光束反向(從右向左)傳輸時(shí)，首先進(jìn)入光子晶體II，而入射激光波長位于光子晶體II的光子帶隙中，由于光子帶隙的作用，入射激光束被全反射回來而不能通過光子晶體。由此實(shí)現(xiàn)單向通過的光二極管作用，使正向傳輸?shù)墓饽軌蛲ㄟ^，而反向傳輸?shù)墓獠荒芡ㄟ^。
本發(fā)明利用二維光子晶體的非線性半導(dǎo)體材料或者鈮酸鋰自身的二階非線性光學(xué)倍頻效應(yīng)，以及二維光子晶體的光子帶隙特性來實(shí)現(xiàn)光二極管。非線性倍頻效應(yīng)要求基頻光和倍頻光滿足相位匹配條件。而半導(dǎo)體材料不具有雙折射特性，不能利用材料的雙折射來實(shí)現(xiàn)相位匹配，但是可以將材料做成周期性結(jié)構(gòu)，利用倒格空間的一個倒格矢來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配。鈮酸鋰是雙折射材料，利用準(zhǔn)相位匹配可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的倍頻效應(yīng)。光子帶隙特性的作用是，波長落入光子帶隙中的入射光束，將被光子晶體全反射回來。
如光二極管是由兩個二維光子晶體組成，入射光束的頻率位于光子晶體II的禁帶(光子帶隙)中，入射光束不能通過光子晶體II。光子晶體I滿足準(zhǔn)相位匹配條件，入射光束在光子晶體中傳輸時(shí)發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換，入射光束轉(zhuǎn)換成其倍頻光(光束的頻率變?yōu)樵瓉淼囊话?，這樣，倍頻光的頻率就位于光子晶體II的導(dǎo)帶中。
準(zhǔn)相位匹配條件要求ω1+ω1＝ω2(2)k→2-2k→1-G→i=0---(3)]]>其中，ω1為入射的基頻光角頻率，ω2為二倍頻光的角頻率， 為基頻光的波矢， 為二倍頻光的波矢， 為光子晶體I的一個倒格矢。就會產(chǎn)生頻率為ω2＝2ω1的倍頻光。準(zhǔn)相位匹配的轉(zhuǎn)換效率η∝(x(2)L/m)2(4)其中x(2)為二階非線性極化率，L為入射光束穿過光子晶體I的路徑的長度，m為準(zhǔn)相位匹配的階數(shù)。準(zhǔn)相位匹配條件可以用下圖表示
依據(jù)準(zhǔn)相位匹配條件，光子晶體I的晶格常數(shù)由以下條件決定a＝mλ/(2n2-2n1) (4)其中，m為準(zhǔn)相位匹配的階數(shù)，λ為基頻光波長，n1為基頻光的折射率，n2為倍頻光的折射率。
這樣，激光束正向傳輸時(shí)，光子晶體I滿足準(zhǔn)相位匹配條件，由于倍頻效應(yīng)，入射激光束轉(zhuǎn)換成其二倍頻激光。而倍頻光的波長位于光子晶體II的導(dǎo)帶，可以通過光子晶體II。因此，正向傳輸?shù)墓饪梢酝ㄟ^二維光子晶體。
激光束反向入射時(shí)，激光首先進(jìn)入光子晶體II，因其波長位于光子晶體II的光子帶隙中，所以被全反射回來而不能通過光子晶體，這樣，就實(shí)現(xiàn)了對光傳輸過程的單向?qū)ǖ目刂乒δ堋?br> 本發(fā)明提供一種由兩個二維光子晶體組成的光二極管的制備方法，其為在一層介電薄膜上分別刻蝕出兩個二維光子晶體的周期性分布空氣孔。
光子晶體II的參數(shù)主要根據(jù)入射光的波長來設(shè)計(jì)(1)對材料的要求入射光位于可見光波段時(shí)，要選擇在可見光波段吸收很小的、對可見光透明的材料，如鈮酸鋰(LiNbO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、摻鈰鈦酸鋇(Ce:BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)等。入射光位于紅外波段時(shí)，要選擇在紅外波段吸收很小的、對紅外光透明的材料，如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、鋁鎵砷(AlGaAs)、硅(Si)等。
(2)周期性正方晶格空氣孔的晶格常數(shù)(孔與孔之間的距離)可以根據(jù)布拉格公式計(jì)算出來λ＝2na，其中λ是入射光的波長，n是有效折射率，a是晶格常數(shù)?？諝饪椎陌霃絩=13a.]]>更詳細(xì)的晶格常數(shù)和孔半徑的數(shù)據(jù)，可以通過多重散射方法或者時(shí)域有限差分方法，利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算獲得。
(3)光子晶體的厚度通常取200nm-600nm，保證基模TE0模式能在光子晶體中傳輸。光子晶體I的參數(shù)主要根據(jù)入射光的波長和準(zhǔn)相位匹配條件來設(shè)計(jì)(1)對材料的要求入射光位于可見光波段時(shí)，要選擇在可見光波段吸收很小的、對可見光透明的材料，如鈮酸鋰(LiNbO3)等。入射光位于紅外波段時(shí)，要選擇在紅外波段吸收很小的、對紅外光透明的材料，如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、鋁鎵砷(AlGaAs)等。
(2)周期性正方晶格空氣孔的晶格常數(shù)(孔與孔之間的距離)a=mλ2(n2-n1)---(1)]]>其中，m為準(zhǔn)相位匹配的階數(shù)，λ為基頻光波長，n1為基頻光的折射率，n2為倍頻光的折射率。光子晶體I中微腔的半徑r=14a.]]>(3)光子晶體的厚度通常取200nm-600nm。同樣保證基模TE0模式能在光子晶體中傳輸。
參考圖1，光二極管包括一在二氧化硅基片上外延生長的厚度為300nm的GaAs介電薄膜1，在薄膜1上刻蝕有正方形周期分布的空氣孔2和空氣孔5，分別形成二維光子晶體I和二維光子晶體II?？諝饪?的半徑為202nm，空氣孔5的半徑為190nm，周期性孔的晶格常數(shù)3為800nm，周期性孔的晶格常數(shù)4為500nm，所述的空氣孔是采用常規(guī)聚焦離子束刻蝕技術(shù)制備的。光子晶體I滿足光通訊波長1550nm的一階準(zhǔn)相位匹配要求。光子晶體II的光子帶隙如圖3所示，1550nm的波長位于光子帶隙中。
介電薄膜1也可根據(jù)要求使用商品化的GaAs材料薄膜。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的光二極管應(yīng)用的裝置示意圖。
其中激光器7為半導(dǎo)體激光器(美國Melles Griot公司制造，波長1550nm，輸出功率15mW)，發(fā)出的準(zhǔn)連續(xù)激光被斬波器16斬波后，由會聚透鏡8通過端面耦合的方式耦合到二維平面薄膜光子晶體1中，透過薄膜光子晶體1的激光束由會聚透鏡9進(jìn)行會聚后，經(jīng)過收集透鏡10射入單色儀11的入射狹縫，單色儀11的輸出信號經(jīng)過光電倍增管12放大后，輸入鎖相放大器15的信號輸入端，斬波器16發(fā)出的信號輸入鎖相放大器15的參考輸入端，最后由計(jì)算機(jī)17進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。
激光束正向射入二維薄膜光子晶體，入射激光強(qiáng)度5KW/cm2，從光子晶體II透過的激光強(qiáng)度為12μW/cm2。激光束反向射入二維薄膜光子晶體，入射激光強(qiáng)度5KW/cm2，從光子晶體I透過的激光強(qiáng)度為0。實(shí)現(xiàn)了對探測光傳輸過程的單向通過的控制作用。
由此，實(shí)現(xiàn)了二維薄膜光子晶體作為光通訊波段光二極管的應(yīng)用。
本發(fā)明還提供另一基于二維薄膜光子晶體的光二極管的具體實(shí)施例，與上述實(shí)施例中的光子晶體相似，二維光子晶體為周期晶格的光子晶體，不同之處在于，MgO基片上通過脈沖激光淀積技術(shù)獲得的厚度為300nm的鈮酸鋰薄膜，二維光子晶體通過聚焦粒子束刻蝕或者電子束刻蝕方式獲得，二維光子晶體I空氣孔的半徑為102nm，晶格常數(shù)為420nm，二維光子晶體II的空氣孔半徑為53nm，晶格常數(shù)為160nm。光子晶體I滿足波長為630nm的激光束的一階準(zhǔn)相位匹配要求。光子晶體II的光子帶隙如圖4所示，波長630nm的激光位于光子帶隙中。
使用與實(shí)施例1相似的裝置，不同之處在于采用由YAG激光器(美國光譜公司制造，重復(fù)頻率10Hz，脈沖寬度為35ps)泵浦的OPA激光器(中科院物理所OPA-714)發(fā)出的630nm的激光，鎖相放大器15換成示波器13，斬波器16換成激光二極管14。激光器發(fā)出的630nm的脈沖激光經(jīng)過會聚透鏡8通過端面耦合方式耦合到二維平面薄膜光子晶體1中，透過薄膜光子晶體1的激光束由會聚透鏡9進(jìn)行會聚后，經(jīng)過收集透鏡10射入單色儀11的入射狹縫，單色儀11的輸出信號經(jīng)過光電倍增管12放大后，輸入示波器13，最后由計(jì)算機(jī)17進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，激光二極管14發(fā)出的信號作為測試系統(tǒng)的同步觸發(fā)信號。激光束正向射入二維薄膜光子晶體，入射激光強(qiáng)度15GW/cm2，從光子晶體II透過的激光強(qiáng)度為3KW/cm2。激光束反向射入二維薄膜光子晶體，入射激光強(qiáng)度15GW/cm2，從光子晶體I透過的激光強(qiáng)度為0。實(shí)現(xiàn)了對探測光傳輸過程的單向通過的控制作用。
權(quán)利要求
1.一種基于二維光子晶體的光二極管，包括一二維光子晶體，二維光子晶體為一刻蝕有周期性分布空氣孔的一層介電薄膜，其特征在于還包括一可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體，二維光子晶體和實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體通過波導(dǎo)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于二維光子晶體的光二極管，其特征在于實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體是非線性倍頻晶體。
3.如權(quán)利要求1所述的基于二維光子晶體的光二極管，其特征在于實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體是二維光子晶體。
4.如權(quán)利要求1或3所述的基于二維光子晶體的光二極管，其特征在于對于入射光位于可見光波段時(shí)，選用鈮酸鋰、鈦酸鋇、摻鈰鈦酸鋇、鈦酸鍶等對可見光透明的材料作為介電薄膜；入射光位于紅外波段時(shí)，選用砷化鎵、氮化鎵、鋁鎵砷、硅等對紅外光透明的材料作為介電薄膜。
5.一種基于二維光子晶體的光二極管的制備方法，其步驟包括(1)在一層介電薄膜上分別刻蝕出兩個二維光子晶體的周期性分布空氣孔；(2)一個光子晶體的周期性孔的晶格常數(shù)為入射光的波長比兩倍的有效折射率，孔的半徑為1/3晶格常數(shù)；(3)另一個光子晶體的周期性孔的晶格常數(shù)a=mλ2(n2-n1)]]>其中，m為準(zhǔn)相位匹配的階數(shù)，λ為基頻光波長，n1為基頻光的折射率，n2為倍頻光的折射率，孔的半徑r=14a.]]>
6.如權(quán)利要求5所述的基于二維光子晶體的光二極管的制備方法，其特征在于介電薄膜的厚度為200-600nm。
7.如權(quán)利要求5或6所述的基于二維光子晶體的光二極管的制備方法，其特征在于所述周期性空氣孔為正方形分布。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于二維平面薄膜光子晶體的光二極管及其制備方法。屬于光二極管技術(shù)領(lǐng)域。該光二極管包括一二維光子晶體和一可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體，二維光子晶體和實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體通過波導(dǎo)連接。實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體可以是普通的非線性倍頻晶體，也可以是另一個二維光子晶體。如果入射激光正向傳輸，則入射光首先在現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的晶體中發(fā)生倍頻效應(yīng)，產(chǎn)生的二倍頻光可通過波導(dǎo)進(jìn)入光子晶體，如果入射光反向傳輸，則入射激光首先進(jìn)入光子晶體，由于光子帶隙的作用，入射激光被全部反射回來而不能通過光子晶體，由此實(shí)現(xiàn)單向?qū)ǖ墓舛O管。本發(fā)明制備簡單、使用和測量方便，易于集成。
文檔編號G02F1/35GK1812211SQ20051000291
公開日2006年8月2日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者胡小永, 龔旗煌 申請人:北京大學(xué)