專利名稱：一種介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的介質(zhì)光波導(dǎo)通常以高折射率材料作為波導(dǎo)芯，以低折射率材料作為被覆層，光場(chǎng)主要集中在高折射率材料構(gòu)成的波導(dǎo)芯中傳輸。由于受衍射極限的影響，其尺寸往往相對(duì)較大。于2004年首次提出的介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)在納米級(jí)尺寸的低折射率介質(zhì)中進(jìn)行光信號(hào)的傳輸，突破了傳統(tǒng)光波導(dǎo)尺寸的限制。該類波導(dǎo)由緊鄰的高折射率介質(zhì)區(qū)域組成，高折射率介質(zhì)區(qū)域的中間為低折射率介質(zhì)區(qū)。其工作原理是利用在不同介電常數(shù)材料界面上電場(chǎng)分量的不連續(xù)，且其大小與材料介電系數(shù)的平方成反比。利用電場(chǎng)分布的不連續(xù)性，低折射率材料中的光場(chǎng)分布密度將大大高于鄰近的高折射率區(qū)域的電場(chǎng)分布密度，從而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)在低折射率材料中的傳輸和限制。目前，介質(zhì)狹縫波導(dǎo)已經(jīng)成為光波導(dǎo)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的介質(zhì)狹縫波導(dǎo)主要有兩大類，分別是水平狹縫波導(dǎo)和垂直狹縫波導(dǎo)，這兩種波導(dǎo)均只能對(duì)一種偏振光(TE偏振或TM偏振)的較強(qiáng)模場(chǎng)約束,而對(duì)另一種偏振光(TM偏振或 TE偏振)的約束能力則往往較弱。本發(fā)明則提出了一種能同時(shí)對(duì)兩種偏振光實(shí)現(xiàn)強(qiáng)模場(chǎng)限制的介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)幾何尺寸的調(diào)控，還可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)雙折射或零雙折射等多種特性。該介質(zhì)狹縫波導(dǎo)與現(xiàn)有的硅基加工工藝相匹配，可用于構(gòu)建多種光子器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其橫截面包括基底層、位于基底層上的從下到上依次排列的高折射率緩沖層、高折射率介質(zhì)層、低折射率介質(zhì)層、位于低折射率介質(zhì)層上從左到右依次排列的高折射率介質(zhì)區(qū)、低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)、以及包層；所述結(jié)構(gòu)中高折射率介質(zhì)層上表面的寬度與低折射率介質(zhì)層下表面的寬度相等；位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)區(qū)、低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)共同構(gòu)成的區(qū)域的下表面的寬度與低折射率介質(zhì)層上表面的寬度相等；高折射率緩沖層的高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 06倍；高折射率介質(zhì)層的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 1-0. 3倍，高折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 03-0. I倍；低折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 06倍，低折射率介質(zhì)層的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 1-0. 3倍；位于低折射率介質(zhì)層上的兩個(gè)高折射率介質(zhì)區(qū)和低折射率介質(zhì)區(qū)的高度相等，且其高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 07-0. 22倍，低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)共同構(gòu)成的區(qū)域的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的
O.1-0. 3倍；低折射率介質(zhì)區(qū)的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 06倍， 且小于低折射率介質(zhì)層的寬度；位于基底層上的高折射率緩沖層、高折射率介質(zhì)層以及兩個(gè)高折射率介質(zhì)區(qū)的材料為相同或不同材料，且四者的材料折射率均高于基底層、低折射率介質(zhì)層以及包層的材料折射率，基底層、低折射率介質(zhì)層和包層的材料為相同材料或不同材料，基底層、低折射率介質(zhì)層和包層的材料折射率的最大值與高折射率緩沖層、高折射率介質(zhì)層以及兩個(gè)高折射率介質(zhì)區(qū)的材料折射率的最小值的比值小于O. 75。所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中位于低折射率介質(zhì)層上從左到右依次排列的高折射率介質(zhì)區(qū)、 低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)共同構(gòu)成的區(qū)域的截面的外輪廓形狀為矩形、或梯形中的任何一種。所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層的截面的外輪廓形狀為矩形、或梯形中的任何一種。本發(fā)明的介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)具有以下優(yōu)點(diǎn)I.所提介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)基于的是傳統(tǒng)硅波導(dǎo)和垂直介質(zhì)狹縫波導(dǎo)的耦合，可在形成的倒“T”字形低折射率狹縫區(qū)域內(nèi)對(duì)兩種偏振的光實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的模場(chǎng)限制。2.通過結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整可以對(duì)該波導(dǎo)所支持的兩種模式特性進(jìn)行有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)正、負(fù)雙折射或零雙折射等多種特性3.所提介質(zhì)狹縫波導(dǎo)可用現(xiàn)有成熟的硅基加工工藝實(shí)現(xiàn)，并可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建各類集成光子器件，此外還可在非線性、光調(diào)制、光鑷等領(lǐng)域中產(chǎn)生應(yīng)用。


圖I是介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域I為基底層；區(qū)域2為高折射率緩沖層，其高度為h2 ;區(qū)域3為高折射率介質(zhì)層，其下表面寬度為W3，上表面寬度為《4，高度為匕； 區(qū)域4為低折射率介質(zhì)層，其下表面寬度為《4，上表面寬度為wb，高度為h4 ;區(qū)域5為左側(cè)的高折射率介質(zhì)區(qū)，其下表面寬度為w5b，上表面寬度為W5t ;區(qū)域7為右側(cè)的高折射率介質(zhì)區(qū)， 其下表面寬度為w6b，上表面寬度為W6t ;區(qū)域6為低折射率介質(zhì)區(qū)，其下表面寬度為w6b，上表面寬度為w6t ;區(qū)域5、6、7的高度為ht ;區(qū)域8為包層。圖2是實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為基底層，ns為其折射率；202為高折射率緩沖層，其高度為hb ；203為高折射率介質(zhì)層，其截面為方形，其高度為Ii1 ；204為低折射率介質(zhì)層，其截面為方形，其高度為h1; H1為其折射率；205和207為高折射率介質(zhì)區(qū)， 其截面均為方形，Wh為其寬度；206為低射率介質(zhì)區(qū)，其截面為方形，Ii1為其折射率，Ws為其寬度；205、206、207的高度相等且均為h2 ;205、206、207共同構(gòu)成的區(qū)域的截面的寬度、204 的寬度、203的寬度相等，且均為w ;202、203、205、207的折射率均為nh ；208為包層，η。為其折射率。圖3是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的模式光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖。圖3(a)對(duì)應(yīng)的是TE模式，圖3(b)對(duì)應(yīng)的是TM模式。圖4是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的模式雙折射隨寬度w的變化曲線。圖5是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)膬煞N模式的限制因子隨寬度w的變化曲線。圖5(a)為TE模式，圖5(b)為TM模式。
具體實(shí)施例方式這里研究狹縫波導(dǎo)的兩個(gè)重要特性，模式雙折射和限制因子。模式雙折射被定義為B = neff (TE) _neff (TM)，其中neff (TE)和neff (TM)分別表示TE和TM偏振模式的有效折射率。限制因子定義為低折射率介質(zhì)狹縫區(qū)域內(nèi)的光功率與波導(dǎo)總的光功率的比值，該值可用于衡量狹縫區(qū)域?qū)鈭?chǎng)的限制能力。在本發(fā)明中對(duì)應(yīng)的狹縫區(qū)域即為倒“T”字形的狹縫。實(shí)例圖2是實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為基底層，ns為其折射率；202為高折射率緩沖層，其高度為hb ；203為高折射率介質(zhì)層，其截面為方形，其高度為Ii1 ；204為低折射率介質(zhì)層，其截面為方形，其高度為h ；205和207為高折射率介質(zhì)區(qū)，其截面均為方形，Wh為其寬度；206為低射率介質(zhì)區(qū)，其截面為方形，Ii1為其折射率，^為其寬度；205、206、 207的高度相等且均為h2 ;205、206、207共同構(gòu)成的區(qū)域的截面的寬度、204的寬度、203的寬度相等，且均為w ;202、203、205、207的折射率均為nh ；208為包層，η。為其折射率。在本實(shí)例中，傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)選定為I. 55 μ m, 201,204,206,208的材料設(shè)為二氧化硅，其折射率為I. 5 ;202、203、205、207的材料設(shè)為硅，其折射率為3. 5。在本實(shí)例中，202的高度 hb = 50nm ；203 的高度 Ii1 = IOOnm ；204 的高度 Ii1 = 50nm ； 206的寬度ws = 50nm ;205、206、207的高度h2 = 200nm ;寬度w的取值范圍為200_400nm， 相應(yīng)地，205和207的寬度Wh的取值范圍為75-175nm。使用全矢量有限元方法對(duì)本實(shí)施例中的上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，計(jì)算得到
I.55 μ m波長(zhǎng)處該介質(zhì)狹縫波導(dǎo)所支持的TE和TM模式的模場(chǎng)分布及模式特性。圖3是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的模式光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖。圖3 (a)對(duì)應(yīng)的是TE模式，圖3(b)對(duì)應(yīng)的是TM模式。由圖可見，兩種模式均在狹縫區(qū)域內(nèi)有明顯的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。TE模式的場(chǎng)增強(qiáng)主要集中在上方的垂直狹縫區(qū)域內(nèi)，而TM模式的場(chǎng)增強(qiáng)則主要集中在下方的水平狹縫區(qū)域內(nèi)。圖4是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)的模式雙折射隨寬度w的變化曲線。由圖可見，通過調(diào)控波導(dǎo)的尺寸，可獲得負(fù)雙折射、零雙折射以及正雙折射等多種雙折射特性。圖5是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例所述介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)膬煞N模式的限制因子隨寬度w的變化曲線。圖5(a)為TE模式，圖5(b)為TM模式，可見，兩種模式的限制因子均隨寬度w增大而增大，且其值較大，說明狹縫中能限制相當(dāng)一部分光場(chǎng)的
倉tfi。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍， 其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其橫截面包括基底層、位于基底層上的從下到上依次排列的高折射率緩沖層、高折射率介質(zhì)層、低折射率介質(zhì)層、位于低折射率介質(zhì)層上從左到右依次排列的高折射率介質(zhì)區(qū)、低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)、以及包層；所述結(jié)構(gòu)中高折射率介質(zhì)層上表面的寬度與低折射率介質(zhì)層下表面的寬度相等；位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)區(qū)、低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)共同構(gòu)成的區(qū)域的下表面的寬度與低折射率介質(zhì)層上表面的寬度相等；高折射率緩沖層的高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O.006-0. 06倍；高折射率介質(zhì)層的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 1-0. 3倍, 高折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 03-0. I倍；低折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 06倍，低折射率介質(zhì)層的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 1-0. 3倍；位于低折射率介質(zhì)層上的兩個(gè)高折射率介質(zhì)區(qū)和低折射率介質(zhì)區(qū)的高度相等，且其高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 07-0. 22倍，低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)共同構(gòu)成的區(qū)域的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 1-0. 3倍；低折射率介質(zhì)區(qū)的上、下表面的寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 06倍,且小于低折射率介質(zhì)層的寬度；位于基底層上的高折射率緩沖層、高折射率介質(zhì)層以及兩個(gè)高折射率介質(zhì)區(qū)的材料為相同或不同材料，且四者的材料折射率均高于基底層、低折射率介質(zhì)層以及包層的材料折射率，基底層、低折射率介質(zhì)層和包層的材料為相同材料或不同材料，基底層、 低折射率介質(zhì)層和包層的材料折射率的最大值與高折射率緩沖層、高折射率介質(zhì)層以及兩個(gè)高折射率介質(zhì)區(qū)的材料折射率的最小值的比值小于O. 75。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中位于低折射率介質(zhì)層上從左到右依次排列的高折射率介質(zhì)區(qū)、低折射率介質(zhì)區(qū)和高折射率介質(zhì)區(qū)共同構(gòu)成的區(qū)域的截面的外輪廓形狀為矩形、或梯形中的任何一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層的截面的外輪廓形狀為矩形、或梯形中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種介質(zhì)狹縫光波導(dǎo)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面包括基底層(1)、位于基底層上的從下到上依次排列的高折射率緩沖層(2)、高折射率介質(zhì)層(3)、低折射率介質(zhì)層(4)、位于低折射率介質(zhì)層上從左到右依次排列的高折射率介質(zhì)區(qū)(5)、低折射率介質(zhì)區(qū)(6)和高折射率介質(zhì)區(qū)(7)、以及包層(8)。該波導(dǎo)可以同時(shí)對(duì)兩種偏振的光實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的模場(chǎng)限制，此外還可通過結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)控實(shí)現(xiàn)正、負(fù)雙折射或零雙折射等多種特性。所提介質(zhì)狹縫波導(dǎo)與現(xiàn)有的硅基加工工藝相匹配，可用于實(shí)現(xiàn)多種光子器件。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102608701SQ20121005663
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者劉建勝, 劉磊, 卞宇生, 蘇亞林, 趙欣, 鄭錚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)