專利名稱：一種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)及其制作方法，利用這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)光通訊波
段低泵浦功率光子晶體全光開關(guān)，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光子晶體是由兩種或者兩種以上的具有不同介電函數(shù)的材料在空間周期性排列 而形成的一種人工設(shè)計(jì)的新型光子學(xué)材料。由于空間周期性介電函數(shù)對(duì)入射光波的調(diào)制作 用，使得光子晶體具有導(dǎo)帶和光子帶隙，具有獨(dú)特的控制光子傳輸狀態(tài)的特性，在光通訊、 光計(jì)算和超快速信息處理等領(lǐng)域都具有非常重要的應(yīng)用。 全光開關(guān)是以一束光來(lái)控制另一束光的傳輸狀態(tài)，是一種非常重要的集成光子器 件?？焖俚拈_關(guān)時(shí)間響應(yīng)、高開關(guān)對(duì)比、低泵浦功率是光子晶體全光開關(guān)的重要指標(biāo)。人 們提出了許多機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)光子晶體光開關(guān)(文獻(xiàn)1， P.Tran， 〃 Optical Limiting and Switchingof Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic Bandgap Structure with a Defect" ， J. Opt. Soc. Am. B 1997,14(10) :2589-2594 ;文獻(xiàn)2，P. Tran， 〃 Optical Switching witha Nonlinear Photonic Crystal :a Numerical Study" ， Opt丄ett. 1996， 21(15) :1138-1140 ;文獻(xiàn)3， P.M. Johnson, A.F.Koenderink， W丄.Vos， 〃 Ultrafast Switchingof Photonic Density of States in Photonic Crystals 〃 ， Phys. Rev. B， 2002,66(11) :081102(R))，其中在實(shí)驗(yàn)中被普遍采用的是光子帶隙偏移機(jī)理(文獻(xiàn)4， M.Scalora， J. P. Dowling， C.M. Bowden and M. J. Bloemer， 〃 Optical Limiting and Switchingof Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials" ，Phys. Rev. Lett. 1994,73(10) :1368-1371)。但是，利用光子帶隙偏移機(jī)理制造的光開關(guān)，由于 帶邊的群速度色散很大，容易造成脈沖的變形。并且，由于很難制造出帶邊很陡的光子晶 體，因此，利用光子帶隙偏移機(jī)理制造的光開關(guān)的效率不高。通常，人們利用在光子帶隙中 引入缺陷態(tài)，利用缺陷態(tài)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)(文獻(xiàn)5， Sheng Lan， Satoshi Nishikawa， Hiroshilshikawa，and 0samu Wada， 〃 Engineering Photonic Crystal Impurity Bands forWaveguides， All-Optical Switches and Optical Dalay Lines 〃 ， Ieice Trans, electron. ，2002， E85_c(l) :181-189)。 目前光子晶體全光開關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究很多都是基于通常的半導(dǎo)體材料，通過(guò)飛秒 激光泵浦光子晶體，激發(fā)半導(dǎo)體自由載流子而改變材料的折射率，從而改變光子晶體有 效折射率，使得光子帶隙和缺陷模式發(fā)生移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)飛秒量級(jí)超快速時(shí)間響應(yīng)的光 子晶體全光開關(guān)。但是，通常的半導(dǎo)體材料的非線性系數(shù)相對(duì)較小，通常其非線性極化 率在10—15esu的量級(jí)，需要很高的泵浦光功率才能實(shí)現(xiàn)開關(guān)效應(yīng)，泵浦光強(qiáng)通常在GW/ cm2的量級(jí)(文獻(xiàn)6， M. Shimizu， T.Ishihara. Subpicosecond transmission change in semiconductor—embedded photonic crystal slab :Toward ultrafast optical switching. Appl. Phys. Lett. 2002,80 :2836-2838) ;Raineri等人發(fā)現(xiàn)利用高Q值光子晶體 微腔可以降低光開關(guān)的泵浦功率，在半導(dǎo)體光子晶體中引入缺陷，利用缺陷態(tài)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)光子晶體全光開關(guān)，通過(guò)設(shè)計(jì)光子晶體及缺陷的結(jié)構(gòu)提高缺陷模式的品質(zhì)因數(shù)(即Q值)， Q值達(dá)到了 106的量級(jí)，從而大大降低了實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)所需的泵浦光強(qiáng)，利用幾十KW/cm2的 低泵浦光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了皮秒快響應(yīng)光子晶體全光開關(guān)，但是光開關(guān)的開關(guān)效率("開"與"關(guān)" 兩種狀態(tài)下的透過(guò)率對(duì)比)很低，僅達(dá)到了 15%，而且高9值光子晶體微腔的制備過(guò)程非 常復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控(文獻(xiàn)7， F. Rai證i， C. Cojocaru， P. Mo皿ier， A丄evenson， R. Raj， C. Seassal， X丄etartre， and P. Viktorovitch， Ultrafast dynamics of the third—ordernonlinear response in a two_dimensional InP_based photonic crystal. Appl. Phys. Lett. ，2004,85 :1880-1882)。這就極大地限制了光子晶體全光開關(guān)的實(shí)際應(yīng) 用。 專利1 (申請(qǐng)?zhí)?2160207. 7)以半導(dǎo)體材料作為非線性光學(xué)材料來(lái)構(gòu)造具有缺陷 態(tài)的二維光子晶體，利用半導(dǎo)體材料的三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，在泵浦光作用下缺陷態(tài) 發(fā)生移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)。但是，由于半導(dǎo)體材料的非線性系數(shù)較小，需要GW/cm2量級(jí)的 很高的泵浦光強(qiáng)。與本發(fā)明專利的內(nèi)容完全不同。 專利2 (申請(qǐng)?zhí)?00710099383. 2)采用有機(jī)共軛聚合物材料加入激光染料利用該 復(fù)合染料制備二維光子晶體光開關(guān)。復(fù)合材料的三階非線性系數(shù)比不攙雜的有機(jī)共軛聚合 物材料大1 2個(gè)數(shù)量級(jí)，能有效降低實(shí)現(xiàn)開關(guān)效應(yīng)所需的泵浦激光的激發(fā)功率，可以實(shí)現(xiàn) 低泵浦功率的光子晶體全光開關(guān)，泵浦功率可以降至幾百KW/cm2到麗/cm2。與本發(fā)明專利 的內(nèi)容完全不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)中高Q值光子晶體微腔的制備過(guò)程復(fù)雜、難以調(diào)
控的缺點(diǎn)，提供一種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)及其制作方法，該結(jié)構(gòu)由有機(jī)覆蓋層、半導(dǎo)體光子晶
體微腔和襯底所構(gòu)成，其中有機(jī)覆蓋層為高非線性有機(jī)共軛聚合物材料。 本發(fā)明的另一目的在于利用該光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)光通訊波段低功率
光子晶體全光開關(guān)的功能 通常情況下，光子晶體微腔的Q值是由構(gòu)造光子晶體的材料的折射率大小和微腔 的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否優(yōu)化所決定的，而光開關(guān)的泵浦功率是由材料的非線性極化率的大小所決 定的。半導(dǎo)體材料在光通訊波段具有較高的折射率，半導(dǎo)體材料的折射率通常大于3. 0，很 容易實(shí)現(xiàn)較高Q值的光子晶體微腔，微腔的Q值可以很容易達(dá)到104的量級(jí)；但是半導(dǎo)體材 料的非線性光學(xué)系數(shù)相對(duì)較小，其非線性極化率僅達(dá)到10—15esU的量級(jí)。而有機(jī)共軛聚合 物材料的折射率較小，通常在1.4 1.8之間，很難實(shí)現(xiàn)較高Q值的光子晶體微腔，微腔的 Q值通常小于500 ;但是有機(jī)共軛聚合物材料的非線性光學(xué)系數(shù)相對(duì)較大，其非線性極化率 通常在10—"esu的量級(jí)，而且通過(guò)摻雜和近共振激發(fā)，非線性極化率可以達(dá)到10—6esu的量 級(jí)。 本發(fā)明同時(shí)利用半導(dǎo)體材料的高折射率，以及有機(jī)共軛聚合物材料的高非線性的 優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種有機(jī)_無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用半導(dǎo)體材料來(lái)構(gòu)造較高Q值的 光子晶體微腔，將有機(jī)共軛聚合物材料覆蓋到半導(dǎo)體光子晶體微腔的上表面。微腔共振模 式在水平方向(x-y)上由于光子帶隙效應(yīng)而被局域在缺陷位置附近，在垂直方向(z)上通 過(guò)全內(nèi)反射而被局域在半導(dǎo)體光子晶體中，微腔共振模式的場(chǎng)分布將以消逝場(chǎng)的形式擴(kuò)展到有機(jī)覆蓋層中。選擇入射激光的波長(zhǎng)位于光子晶體微腔支持的共振模式的中心波長(zhǎng)。在 沒(méi)有泵浦激光的作用時(shí)，探測(cè)激光能夠通過(guò)光子晶體，此時(shí)，光開關(guān)處于"開"的狀態(tài)；在泵 浦激光的作用下，由于有機(jī)共軛聚合物材料自身的高三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，使得較弱 的泵浦光強(qiáng)就能夠引起較大的有機(jī)覆蓋層的折射率的變化，從而導(dǎo)致光子晶體微腔的有效 折射率發(fā)生改變，微腔的共振頻率發(fā)生移動(dòng)，使得探測(cè)光的頻率逐漸落入光子帶隙中，探測(cè) 光就被光子晶體全部反射回來(lái)而不能通過(guò)，此時(shí)光開關(guān)就處于"關(guān)"的狀態(tài)；由于有機(jī)覆蓋 層具有較高的三階非線性極化率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)光通訊波段低泵浦功率的光子晶體全光開 關(guān)。 本發(fā)明的技術(shù)方案為 —種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，包括有機(jī)覆蓋層、襯底和位于所述有機(jī)覆蓋層與所述襯
底之間的半導(dǎo)體光子晶體微腔；所述有機(jī)覆蓋層為非線性有機(jī)共軛聚合物。進(jìn)一步的，所述有機(jī)覆蓋層的厚度為10nm 200nm ;所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的
厚度為200nm 300nm ;所述襯底的厚度為500 y m 5mm。 進(jìn)一步的，構(gòu)成所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的光子晶體中的空氣孔直徑"=|"其 中a為光子晶體的晶格常數(shù)。 進(jìn)一步的，采用多重散射方法或者時(shí)域有限差分方法計(jì)算所述光子晶體的晶格常 數(shù)、空氣孔直徑和所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的共振頻率。進(jìn)一步的，所述晶格常數(shù)為327nm、所述空氣孔直徑為136nm ;所述有機(jī)覆蓋層的
厚度為100nm、所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度為250nm。 —種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)制作方法，其步驟為 1)在襯底上生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體薄膜； 2)在半導(dǎo)體薄膜上刻蝕光子晶體微腔結(jié)構(gòu)； 3)在光子晶體微腔結(jié)構(gòu)上制備一層有機(jī)覆蓋層；所述有機(jī)覆蓋層為非線性有機(jī) 共軛聚合物。 進(jìn)一步的，所述光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的刻蝕方法為在所述半導(dǎo)體薄膜上刻蝕出正 方晶格周期性空氣孔，且保留光子晶體中間相鄰的三個(gè)空氣孔未刻蝕。 進(jìn)一步的，所述光子晶體中的空氣孔直徑"=|"其中a為光子晶體的晶格常數(shù)。 進(jìn)一步的，所述晶格常數(shù)為327nm、所述空氣孔直徑為136nm ;所述有機(jī)覆蓋層的 厚度為100nm、所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度為250nm。 進(jìn)一步的，采用聚焦離子束刻蝕方法刻蝕所述光子晶體微腔結(jié)構(gòu)；采用化學(xué)氣相 沉積方法或分子束外延方法生長(zhǎng)所述半導(dǎo)體薄膜；采用旋涂方法制備所述有機(jī)覆蓋層。
1.有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu) 如圖l所示，本發(fā)明的有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)由三部分組成有機(jī)覆蓋 層、半導(dǎo)體光子晶體微腔和襯底。有機(jī)覆蓋層為高非線性有機(jī)共軛聚合物材料。
1)對(duì)材料的要求 有機(jī)覆蓋層由非線性有機(jī)共軛聚合物材料所構(gòu)成如聚苯乙烯(polystyrene)、 聚對(duì)苯撐乙烯(Poly(p-phenylene vinylene)，簡(jiǎn)稱PPV)及其衍生物、聚二乙炔(Polydiacetylene，簡(jiǎn)稱PDA)、聚乙炔(Polyacetylene，簡(jiǎn)稱PA)、聚噻吩(Polythiophene， 簡(jiǎn)稱PT)等; 半導(dǎo)體材料層可選用硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、鋁鎵砷(AlGaAs)等 對(duì)紅外光透明的材料； 襯底二氧化硅(Si02)(又稱為石英)。
這些有機(jī)、無(wú)機(jī)材料都可以從市場(chǎng)上買到。
2)對(duì)尺寸的要求 整個(gè)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)在x-z方向的尺寸的大小，需要根據(jù)入射的探測(cè)激光
束光斑的大小來(lái)確定，要求能夠覆蓋整個(gè)入射探測(cè)激光光斑；有機(jī)覆蓋層的厚度5nm 700nm 半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度200nm 600nm 晶格常數(shù)lOOnm 2 ii m 空氣孔的直徑50nm 500nm 襯底的厚度500 ii m 5mm 3)空氣孔中的填充物 空氣孔的直徑只有幾十到百納米的量級(jí)。有機(jī)覆蓋層是通過(guò)化學(xué)上常用的旋涂的 方法制備的。由于表面張力的作用，有機(jī)物的溶液不會(huì)進(jìn)入到空氣孔中。
2.全光開關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)
1)實(shí)現(xiàn)方法 光子晶體微腔共振模式在水平方向(x-y)上由于光子帶隙效應(yīng)而被局域在缺陷 位置附近，而在垂直方向(z)上通過(guò)全內(nèi)反射而被局域在半導(dǎo)體材料中，微腔共振模式的 場(chǎng)分布將以消逝場(chǎng)的形式擴(kuò)展到有機(jī)覆蓋層中，有機(jī)覆蓋層的折射率的變化，將引起整個(gè) 光子晶體微腔有效折射率的改變，使微腔共振模式發(fā)生移動(dòng)。選擇入射激光的波長(zhǎng)A位于 光子晶體微腔支持的共振模式的中心波長(zhǎng)、。 在沒(méi)有泵浦激光的作用時(shí)，探測(cè)激光能夠通過(guò)光子晶體，此時(shí)，光開關(guān)處于"開"的 狀態(tài)，光束傳播示意圖如圖2所示；波導(dǎo)1和2是沒(méi)有刻蝕的、與光子晶體一樣的半導(dǎo)體材 料。此時(shí)光束傳播過(guò)程為
探測(cè)光波長(zhǎng);t =微腔模式中心波長(zhǎng)義,
能通過(guò)
"開"狀態(tài) 在泵浦激光的作用下，由于三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，有機(jī)覆蓋層的折射率將發(fā) 生改變，這就使得有機(jī)_無(wú)機(jī)光子晶體微腔的有效折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致微腔共振頻率發(fā) 生移動(dòng)，使得探測(cè)光的頻率逐漸落入光子帶隙中，探測(cè)光就被光子晶體全部反射回來(lái)而不 能通過(guò)，此時(shí)光開關(guān)就處于"關(guān)"的狀態(tài)；，光束傳播示意圖如圖3所示。此時(shí)光束傳播過(guò)
程為
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由于有機(jī)覆蓋層具有較高的三階非線性極化率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)光通訊波段低泵浦
功率的光子晶體全光開關(guān)。 2)各項(xiàng)參數(shù)的確定 (1)有機(jī)覆蓋層的厚度由微腔共振模式在覆蓋層中的穿透深度所決定，微腔共 振模式在介質(zhì)層中的穿透深度通常小于200nm，因此，有機(jī)覆蓋層的厚度可以在10nm 200nm之間任意取值。 (2)半導(dǎo)體材料層的厚度在半導(dǎo)體材料層中要刻蝕光子晶體微腔，為了保證入 射激光的單模傳輸特性，通常半導(dǎo)體材料層的厚度可以在在200nm 300nm之間任意取值。
(3)襯底的厚度襯底只是起到支撐的作用，襯底的厚度可以在500iim 5mm之
間任意取值。 (4)光子晶體微腔的參數(shù) 光子晶體由半導(dǎo)體薄膜中正方晶格排列的空氣孔所組成，在光子晶體的中間去掉 相鄰的幾個(gè)空氣孔而構(gòu)成光子晶體微腔。 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(lái)義=2^*，其中A是入射的探測(cè)光(或者信號(hào)光)的波長(zhǎng)，5是有效折射率，a是 晶格常數(shù)。對(duì)于光通訊波段，A可取1300nm或者1550nm。 空氣孔的直徑^ = |"。 更詳細(xì)的晶格常數(shù)和孔半徑的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)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。 光子晶體微腔的共振頻率，可以通過(guò)多重散射方法或者時(shí)域有限差分方法，通過(guò) 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算獲得。 多重散射方法或者時(shí)域有限差分方法有現(xiàn)成的商用軟件，可以從市場(chǎng)上購(gòu)買到。
(5)泵浦光的波長(zhǎng)控制光的波長(zhǎng)只要落入光子晶體的導(dǎo)帶即可，具體數(shù)值沒(méi)有 要求。 (6)探測(cè)光的波長(zhǎng)對(duì)于光通訊波段，探測(cè)光的波長(zhǎng)可取1300nm或者1550nm。
3.缺陷模遷移機(jī)理 根據(jù)光子晶體的光子局域理論，如果在光子晶體中引入缺陷，該缺陷將支持一個(gè) 諧振的電磁場(chǎng)模式，在光子帶隙中出現(xiàn)相應(yīng)的缺陷態(tài)。選擇合適的缺陷結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以使 缺陷模式具有很高的透過(guò)率。選擇泵浦光位于光子晶體的導(dǎo)帶，且遠(yuǎn)離光子帶隙。選擇探 測(cè)光的波長(zhǎng)位于缺陷模的中心波長(zhǎng)，開始時(shí)探測(cè)光能夠通過(guò)光子晶體。在泵浦光的作用下， 由于三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，光子晶體的有效折射率發(fā)生改變，光子帶隙發(fā)生移動(dòng)，相 應(yīng)地缺陷模式的中心波長(zhǎng)也發(fā)生改變，使得缺陷模式的位置發(fā)生移動(dòng)，探測(cè)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)離 缺陷模式的中心并落入光子帶隙中，探測(cè)光就被光子晶體全部反射回來(lái)而不能通過(guò)光子晶 體。這樣，利用泵浦光的激發(fā)作用，使缺陷模式發(fā)生遷移，可以實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)效應(yīng)。缺陷模 遷移機(jī)理的示意圖如圖4所示[文獻(xiàn)8，P. Tran， " Optical Limiting and Switching of ShortPulses by Use of a Nonlinear Photonic Bandgap Structure with a Defect"， J. Opt. Soc. Am. B 1997,14(10) :2589-2594]
4.三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)
7
根據(jù)三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，非線性光學(xué)材料受到泵浦激光的激發(fā)作用，其折射率n將發(fā)生變化，
120 2 " = "0= -(1) 其中，n。為材料的線性折射率，c為真空中的光速，x (3)為材料的三階非線性極化率，ReX。)代表取三階非線性極化率x(3)的實(shí)部的值，I為泵浦光強(qiáng)，為常數(shù)3. 14。[文獻(xiàn)9，錢士雄，王恭明編著，非線性光學(xué)——原理與進(jìn)展，上海復(fù)旦大學(xué)出版社，2001年版]
5.端面耦合方法 端面耦合方法是一種將入射激光耦合到薄膜光波導(dǎo)中的有效方法。將入射激光通過(guò)光纖錐(或者透鏡聚焦)后，適當(dāng)調(diào)節(jié)光纖錐(或者透鏡)與薄膜光波導(dǎo)端面之間的距離，當(dāng)入射激光的波長(zhǎng)、場(chǎng)分布與波導(dǎo)模式的波長(zhǎng)和場(chǎng)分布相同時(shí)，就可以把入射光耦合到
薄膜光波導(dǎo)中。[文獻(xiàn)io，董孝義編著，光波電子學(xué)-光通信物理基礎(chǔ)，南開大學(xué)出版社，
1987年版] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 1.同時(shí)利用半導(dǎo)體材料的高折射率，以及有機(jī)共軛聚合物材料的高非線性的優(yōu)點(diǎn)，利用半導(dǎo)體材料來(lái)構(gòu)造較高Q值的光子晶體微腔，利用有機(jī)材料來(lái)獲得低功率光子晶體全光開關(guān)。 2.有機(jī)材料的非線性時(shí)間響應(yīng)在亞皮秒的量級(jí)，可以獲得超快速的開關(guān)時(shí)間響應(yīng)。 3.有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工和制備方便，非常利于集成。


線；
圖1是本發(fā)明的有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是無(wú)泵浦光時(shí)，光開關(guān)處于"開"狀態(tài)的光束傳播示意圖；圖3是有泵浦光時(shí)，光開關(guān)處于"關(guān)"狀態(tài)的光束傳播示意圖；圖4是缺陷模遷移機(jī)理實(shí)現(xiàn)光子晶體光開關(guān)；
圖5是本發(fā)明的有機(jī)_無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)作為全光開關(guān)應(yīng)用的裝置示意圖6是本發(fā)明實(shí)施例中的有機(jī)_無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)的透過(guò)譜曲線；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例中的有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)效應(yīng)曲
圖面說(shuō)明1、有機(jī)覆蓋層，4、激光器7、全反射鏡10、全反射鏡
13、光譜儀
2、半導(dǎo)體光子晶體微腔，5、半透半反鏡8、會(huì)聚透鏡11、會(huì)聚透鏡14、計(jì)算機(jī)
hp有機(jī)覆蓋層的厚度，h、半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度，h^襯底的厚度a、晶格常數(shù)，d、空氣孔的直徑。
3、襯底，6、延遲線9、樣品12、收集透鏡
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述
實(shí)施例1有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu) 在厚度300i! m，長(zhǎng)和寬均為2cm的石英基片上，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(或者分子束外延技術(shù))生長(zhǎng)一層250nm厚的硅薄膜；利用微電子工業(yè)常用的聚焦離子束刻蝕技術(shù)(或者其它光刻技術(shù))在硅薄膜上刻蝕出正方晶格周期性空氣孔，晶格常數(shù)為327nm，空氣孔直徑為136nm ;在光子晶體中間有相鄰的三個(gè)空氣孔的位置沒(méi)有刻蝕，這樣來(lái)構(gòu)造出光子晶體微腔；最后，利用化學(xué)上常用的旋涂技術(shù)在半導(dǎo)體層上制備lOOnm厚的MEH-PPV薄膜(作為有機(jī)覆蓋層)。由于液體表面張力的作用，在旋涂的過(guò)程中MEH-PPV不會(huì)進(jìn)入到狹縫中。 該有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)的透過(guò)譜如圖6所示。微腔的Q值為800，微腔模式的中心波長(zhǎng)為1550nm。
實(shí)施例2 應(yīng)用實(shí)施例1中的有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光通訊波段的全光開關(guān) 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中有機(jī)-無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)作為全光開關(guān)應(yīng)用的裝置示意圖。 其中激光器4為飛秒0P0激光器(美國(guó)相干公司制造，波長(zhǎng)400nm-1.8iim可調(diào)，重復(fù)頻率86MHz)，發(fā)出的準(zhǔn)連續(xù)激光半透半反鏡5分為兩束， 一束作為探測(cè)光，經(jīng)過(guò)延遲線6和全反射鏡7后，由會(huì)聚透鏡8聚焦后，通過(guò)端面耦合進(jìn)入半導(dǎo)體光子晶體微腔樣品9中；另一束光作為泵浦光，經(jīng)過(guò)全反射鏡10，由會(huì)聚透鏡11聚焦后垂直于MEH-PPV層上表面垂直射入半導(dǎo)體光子晶體微腔樣品9中；從樣品中出射的光由收集透鏡12會(huì)聚后，進(jìn)入光纖光譜儀13，最后由計(jì)算機(jī)14進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。 入射激光的波長(zhǎng)為1550nm，位于光子晶體微腔共振模式的中心波長(zhǎng)。全光開關(guān)效應(yīng)如圖7所示 在沒(méi)有泵浦光作用的時(shí)候，探測(cè)光的透過(guò)率為75%，此時(shí)光開關(guān)處于"開"的狀態(tài)； 在泵浦光的作用下，探測(cè)光的透過(guò)率開始發(fā)生變化隨著泵浦光強(qiáng)的增加，探測(cè)光的透過(guò)率逐漸減小。當(dāng)泵浦光強(qiáng)為0. 5麗/cm2時(shí)，探測(cè)光的透過(guò)率達(dá)到了最小值，即3%。此時(shí)光開關(guān)處于"關(guān)"的狀態(tài)。 從"開"和"關(guān)"兩種狀態(tài)下的透過(guò)率對(duì)比，可以得出全光開關(guān)的開關(guān)效率是72%。
由于MEH-PPV具有飛秒量級(jí)的超快速非線性時(shí)間響應(yīng)，因此，開關(guān)時(shí)間可以達(dá)到飛秒量級(jí)。 由此，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)_無(wú)機(jī)光子晶體微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光通訊波段低功率全光開關(guān)的應(yīng)用。
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權(quán)利要求
一種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，包括有機(jī)覆蓋層、襯底和位于所述有機(jī)覆蓋層與所述襯底之間的半導(dǎo)體光子晶體微腔；所述有機(jī)覆蓋層為非線性有機(jī)共軛聚合物。
2. 如權(quán)利要求l所述的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述有機(jī)覆蓋層的厚度為 10nm 200nm;所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度為200nm 300nm ;所述襯底的厚度為 500 ii m 5mm。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，其特征在于構(gòu)成所述半導(dǎo)體光子晶體 微腔的光子晶體中的空氣孔直徑"^l"，其中a為光子晶體的晶格常數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，其特征在于采用多重散射方法或者時(shí)域有 限差分方法計(jì)算所述光子晶體的晶格常數(shù)、空氣孔直徑和所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的共振 頻率。
5. 如權(quán)利要求3所述的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述晶格常數(shù)為327nm、所述 空氣孔直徑為136nm;所述有機(jī)覆蓋層的厚度為100nm、所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度為 250nm。
6. —種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)制作方法，其步驟為1) 在襯底上生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體薄膜；2) 在半導(dǎo)體薄膜上刻蝕光子晶體微腔結(jié)構(gòu)；3) 在光子晶體微腔結(jié)構(gòu)上制備一層有機(jī)覆蓋層；所述有機(jī)覆蓋層為非線性有機(jī)共軛 聚合物。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的刻蝕方法為在所 述半導(dǎo)體薄膜上刻蝕出正方晶格周期性空氣孔，且保留光子晶體中間相鄰的三個(gè)空氣孔未刻蝕。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述光子晶體中的空氣孔直徑"=，其中a為光子晶體的晶格常數(shù)。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述晶格常數(shù)為327nm、所述空氣孔直徑為 136nm ;所述有機(jī)覆蓋層的厚度為100nm、所述半導(dǎo)體光子晶體微腔的厚度為250nm。
10. 如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于采用聚焦離子束刻蝕方法刻蝕所述光子 晶體微腔結(jié)構(gòu)；采用化學(xué)氣相沉積方法或分子束外延方法生長(zhǎng)所述半導(dǎo)體薄膜；采用旋涂 方法制備所述有機(jī)覆蓋層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，包括有機(jī)覆蓋層、襯底和位于所述有機(jī)覆蓋層與所述襯底之間的半導(dǎo)體光子晶體微腔；所述有機(jī)覆蓋層為非線性有機(jī)共軛聚合物；本發(fā)明的方法為1)在襯底上生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體薄膜；2)在半導(dǎo)體薄膜上刻蝕光子晶體微腔結(jié)構(gòu)；3)在光子晶體微腔結(jié)構(gòu)上制備一層有機(jī)覆蓋層；所述有機(jī)覆蓋層為非線性有機(jī)共軛聚合物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光子晶體微腔制備的光開關(guān)具有高Q值、低泵浦功率低功率、開關(guān)時(shí)間響應(yīng)快的特點(diǎn)，同時(shí)加工和制備方便，非常利于集成。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101718939SQ20091023597
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者富聿嵐, 胡小永, 龔旗煌 申請(qǐng)人:北京大學(xué)