專利名稱：一種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，屬于微型光 電子器件設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
慢光效應(yīng)是1999年提出的新概念，它是指光脈沖的傳播速度遠(yuǎn)小于光速的現(xiàn) 象。由于慢光可實(shí)現(xiàn)對光信號在時域上的處理以及對光能量在空間上的局域，而逐漸成為 光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)(文獻(xiàn)1. T. F. Krauss. “Why do we need slow light.” Nature Photonics, 2008, 2(8) : 448-450.)。相比傳統(tǒng)的慢光產(chǎn)生方法而言，光子晶體波導(dǎo)由于 具有獨(dú)特的光子帶隙特性，能控制光子的運(yùn)動狀態(tài)，可以在常溫下產(chǎn)生慢光，而且可以通 過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)任意波長上的慢光，從而極大地推動了慢光技術(shù)的發(fā)展(文獻(xiàn)2. T.F.Krauss. “Slow light in photonic crystal waveguides. ” Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40(9): 2666-2670.)。而光子晶體槽波導(dǎo)是2008年在光子晶 體波導(dǎo)的基礎(chǔ)上提出的一種新型結(jié)構(gòu)，它結(jié)合了光子晶體波導(dǎo)與普通槽波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，空氣 槽內(nèi)可以填充低折射率的待測物質(zhì)，這樣，慢光就會被束縛在很窄的低折射率介質(zhì)槽內(nèi)，不 僅在空間上增加了信號的強(qiáng)度，還可以進(jìn)一步加強(qiáng)慢光與槽內(nèi)低折射率待測物質(zhì)的相互 作用(文獻(xiàn) 3. C. Caer, X. Le Roux, E. Cassan. “Enhanced localization of light in slow wave slot photonic crystal waveguides. ” Optics Letters, 2012, 37 (17): 3660-3662.)，為小體積、高靈敏度的各種全光器件的實(shí)現(xiàn)提供了可能(文獻(xiàn)4. ff. C. Lai,S.Chakravarty, X. L. Wang, C. Y. Lin, R. T. Chen. uOn-chip methane sensing by near-1R absorption signatures in a photonic crystal slot waveguide. ” Optics Letters, 2011, 36(6): 984-986·)。
然而，在常規(guī)光子晶體槽波導(dǎo)中，群折射率會隨波長的變化而變化，其產(chǎn)生的慢光 將存在嚴(yán)重的群速度色散現(xiàn)象，導(dǎo)致光脈沖信號展寬，波形發(fā)生畸變?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，光 子晶體槽波導(dǎo)慢光的帶寬和群速度色散問題成為了很多學(xué)者研究的重點(diǎn)。2010年，J. Wu 等人(文獻(xiàn)5. J. Wu, Y. P. Li, C. Peng, Z. Y. Wang. “Wideband and low dispersion slow light in slotted photonic crystal waveguide. ” Optics Communications, 2010，283(14) : 2815-2819.)通過改變光子晶體槽波導(dǎo)中空氣槽兩側(cè)的空氣孔位置實(shí)現(xiàn) 了寬帶、低群速度色散的慢光，仿真結(jié)果表明，這種光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生群速度 為54，帶寬可達(dá)3.3nm的慢光現(xiàn)象。2011年，伊朗學(xué)者(文獻(xiàn)6. H. Aghababaeian, M. H. Vadjed-Samiei, N. Granpayeh. “Temperature stabilization of group index in silicon photonic crystal waveguides. ” Journal of the Optical Society of Korea, 2011，15(4) : 398-402.)通過改變光子晶體槽波導(dǎo)中空氣槽兩側(cè)的空氣孔半徑，將慢光 的群速度提高到40時，帶寬為10nm。但是由于光子晶體的孔形狀和尺寸很難精確控制 (文獻(xiàn) 7. J. Li, T. P. White, L. O’ Faolain, A. Gomez-1glesias, T. F. Krauss. “Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides. ”O(jiān)ptical Express, 2008, 16(9): 6227-6232;文獻(xiàn) 8. ff. ff. Song, R. A.1nteglia, ff. Jiang. “Slow light loss due to roughness in photonic crystal waveguides: An analytic approach.” Physical Review B, 2010, 82(3): 235306.),以上兩種方法 雖然在一定程度上改善了光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性，但卻增加了光子晶體槽波導(dǎo)制備的 復(fù)雜性。而且，在實(shí)際應(yīng)用中，光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性還不可避免地會受到環(huán)境溫度 以及光子晶體槽波導(dǎo)空氣孔半徑制備誤差的影響，這將嚴(yán)重限制光子晶體槽波導(dǎo)慢光的 應(yīng)用范圍。J. Wu 等人(文獻(xiàn) 9. J. Wu, Y. P. Li, C. Peng, Z. Y. Wang. “Numerical demonstration of slow light tuning in slotted photonic crystal waveguide using microfluidic infiltration.，，Optics Communications, 2011, 284(8): 2149-2152.)于 2011年提出在光子晶體槽波導(dǎo)的空氣槽中填充不同折射率的液體，實(shí)現(xiàn)了對慢光工作波長 的調(diào)諧，但其慢光特性并沒有得到改善。
本發(fā)明提出通過選擇一定折射率的液體填充在光子晶體槽波導(dǎo)空氣槽兩側(cè)的空 氣孔內(nèi)以實(shí)現(xiàn)寬帶、低群速度色散的慢光特性。由于液體填充操作可以在光子晶體槽波導(dǎo) 制備后進(jìn)行，能夠更加靈活地控制光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性，所以，環(huán)境溫度以及光子晶 體槽波導(dǎo)空氣孔半徑的制備誤差對光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性的影響可以通過調(diào)節(jié)填充液 體的折射率來消除或減小，不僅降低了光子晶體槽波導(dǎo)制備的復(fù)雜性，而且提高了光子晶 體槽波導(dǎo)慢光的應(yīng)用范圍。此外，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光子晶體槽波導(dǎo)具有可重復(fù)利用性，可以 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要在同一塊光子晶體槽波導(dǎo)中填充不同折射率的液體，以實(shí)現(xiàn)不同的慢光 特性，大大提高了光子晶體槽波導(dǎo)的利用率。發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于克服已有光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法的不足，提出一種簡 單、可行、易于實(shí)現(xiàn)的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，其產(chǎn)生的慢光具有高群折射率、 寬帶寬、低群速度色散、不受環(huán)境溫度干擾以及空氣孔半徑制備誤差影響等優(yōu)點(diǎn)。
(二)技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方 法。該優(yōu)化方法是在光子晶體槽波導(dǎo)中最靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充一種折射率的 液體，并在最靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充另一種折射率的液體，通過調(diào)節(jié)兩種填充 液體的折射率大小，從而有效地改善光子晶體槽波導(dǎo)的色散曲線，以實(shí)現(xiàn)高群折射率、寬帶 寬、低群速度色散的慢光特性。當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化或者光子晶體槽波導(dǎo)的空氣孔半 徑與預(yù)期之間存在誤差時，可以再對這兩種填充液體的折射率進(jìn)行微調(diào)，以保證預(yù)期要實(shí) 現(xiàn)的光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性不發(fā)生變化。
上述方案中，所述的光子晶體槽波導(dǎo)為空氣橋結(jié)構(gòu)，可以在半導(dǎo)體材料基底絕緣 體上娃(Silicon On Insulator, SOI)上利用掩膜、電子束曝光、離子刻蝕、干法刻蝕、濕法 腐蝕等工藝制備而成。
上述方案中，所述的光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是先在普通的硅介質(zhì)背景上刻蝕等邊三 角形排列的空氣孔形成二維三角晶格光子晶體，再將中間一排沿X方向的空氣孔替換為一 個寬度為=0. 32a的空氣槽而構(gòu)成的，空氣孔的半徑r=0. 30a (其中a為光子晶體的晶格常數(shù)，即相鄰空氣孔之間的間距)，背景介質(zhì)硅厚度A=220nm，硅的有效折射率為/7=2. 87，所有 空氣孔在未填充前的折射率均為1.0。為保證光子晶體槽波導(dǎo)器件工作在傳輸損耗比較小 的1550nm波段，本方案設(shè)定晶格常數(shù)a為442nm。
上述方案中，在光子晶體槽波導(dǎo)中填充的液體折射率隨液體種類的不同，可以在1. 33到2. O之間變化，將填充有液體的光子晶體槽波導(dǎo)放在裝有甲苯的容器中浸泡5分鐘 左右后取出，即可將液體移除，并可繼續(xù)填充其它不同折射率的液體。
上述方案中，所述的調(diào)節(jié)兩種液體的折射率大小，是指當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的工作 溫度為290K時,在靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充折射率為1. 416的液體，同時在靠近 空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充折射率為1. 645的液體?？梢援a(chǎn)生群速度降至c/150時，帶 寬可達(dá)1. 35nm的慢光現(xiàn)象，同時，在慢光帶寬范圍內(nèi)，群速度色散值均小于5X10_6ps2/km (相比液體填充前降低了 10倍以上)。
上述方案中，外界環(huán)境溫度變化，是指光子晶體槽波導(dǎo)的工作溫度從290K變化到 300K時，只需將靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 408的液體，同 時將靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?.634的液體，這樣就可以穩(wěn) 定光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性，使其不隨溫度的變化而變化。
上述方案中，光子晶體槽波導(dǎo)的空氣孔半徑與預(yù)期之間存在誤差，是指在光子晶 體槽波導(dǎo)的制備過程中，由于人為或者機(jī)器誤差而引起的空氣孔半徑從預(yù)期的O. 30a變?yōu)镺.29a或者O. 31a。當(dāng)空氣孔半徑為O. 29a時，可以將靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充的 液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 347的液體，同時將靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎?射率為1. 615的液體；而當(dāng)空氣孔半徑為O. 31a時，可以將靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填 充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 452的液體，同時將靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充的液體變 為折射率為1.701的液體，這樣，光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性亦不會發(fā)生變化。
(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1)利用光子晶體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)慢光要比其他慢光產(chǎn)生方法具有更大的帶寬、更小的體積、 更好的可實(shí)現(xiàn)性，且結(jié)構(gòu)參數(shù)多樣，產(chǎn)生的慢光可控，更適用于實(shí)際應(yīng)用；2)光子晶體槽波導(dǎo)產(chǎn)生的慢光會被束縛在很窄的低折射率介質(zhì)槽內(nèi)，空間上增加了 光信號的強(qiáng)度，進(jìn)一步加強(qiáng)了慢光與槽內(nèi)低折射率物質(zhì)的相互作用，可以用來實(shí)現(xiàn)各種小 體積、高靈敏度的全光器件；3)本發(fā)明提出的這種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，通過在最 靠近空氣槽兩側(cè)的空氣孔內(nèi)填充不同折射率的液體來調(diào)整光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性，可 以產(chǎn)生群速度降至c/150時，帶寬可達(dá)1. 35nm的慢光現(xiàn)象，同時，在慢光帶寬范圍內(nèi)，群速 度色散值均小于5X10_6ps2/km (相比液體填充前降低了 10倍以上)，進(jìn)一步擴(kuò)大了光子晶 體槽波導(dǎo)產(chǎn)生慢光技術(shù)在光電領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍；4)本發(fā)明提出的這種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，可以在光 子晶體槽波導(dǎo)已經(jīng)制備完成的情況下，通過微調(diào)填充液體的折射率大小，使其產(chǎn)生的慢光 特性不受環(huán)境溫度干擾以及空氣孔半徑制備誤差的影響。解決了基于光子晶體槽波導(dǎo)的光 器件由于受溫度、空氣孔半徑制備誤差的影響，而導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受限的問題；5)本發(fā)明提出的這種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，不需要改變光子晶體槽波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法(改變光子晶體槽波導(dǎo)中局部空氣孔的半徑或者位置)相比，該方法所采用的光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更為精簡，降低了工藝的復(fù)雜性。而且，光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性對結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性較小(當(dāng)外界環(huán)境的溫度或者空氣孔半徑發(fā)生微小變化時，可以通過調(diào)節(jié)填充液體的折射率，來保持慢光特性不發(fā)生變化)，降低了工藝探索難度。


以下各圖所取的光子晶體槽波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及填充液體的折射率大小均與具體實(shí)施方式
中相同。
圖1為二維三角晶格光子晶體槽波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖，最靠近空氣槽的第一排空氣孔用I標(biāo)記，折射率為nl，最靠近空氣槽的第二排空氣孔用2標(biāo)記，折射率為nl ；圖2為光子晶體槽波導(dǎo)在yz橫截面上的模場分布圖；圖3(a)為光子晶體槽波導(dǎo)的色散曲線與nl之間的關(guān)系；圖3(13)為光子晶體槽波導(dǎo)的色散曲線與n2之間的關(guān)系；圖4為光子晶體槽波導(dǎo)經(jīng)過填充優(yōu)化后的群折射率和群速度色散曲線；圖5為光子晶體槽波導(dǎo)在工作溫度為290Κ和300Κ時的群折射率曲線；圖6為光子晶體槽波導(dǎo)的空氣孔半徑為O. 29a,O. 30a和O. 31a時的群折射率曲線。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及優(yōu)化過程作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明提出了一種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，如圖1所示為二維三角晶格光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，它是通過在普通三角晶格光子晶體中去掉中間一排沿X方向的空氣孔形成Wl結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)，再在缺陷中心處放置一個寬度為O.32a的空氣槽而形成的。最靠近空氣槽的第一排空氣孔用I標(biāo)記，最靠近空氣槽的第二排空氣孔用2標(biāo)記，這兩種數(shù)字標(biāo)記的空氣孔內(nèi)將分別填充兩種不同折射率的液體以實(shí)現(xiàn)對光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性的優(yōu)化。
在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，a為晶格常數(shù)(S卩相鄰空氣孔之間的間距)， 空氣孔的半徑為r=0.3(fe，未填充前所有空氣孔的折射率均為1.0，介質(zhì)背景材料采用純娃，硅厚度為A=220nm，有效折射率為η=2· 87，空氣槽寬度為% =0. 32a。本發(fā)明設(shè)計(jì)在圖1中數(shù)字I和2標(biāo)記的空氣孔內(nèi)填充折射率分別為nl和n2的液體，其中nl代表數(shù)字I標(biāo)記的空氣孔內(nèi)液體的折射率大小，n2代表了數(shù)字2標(biāo)記的空氣孔內(nèi)液體的折射率大小。
根據(jù)群速度的定義公式，對于一個中心頻率為崎的光波，群速度七為
權(quán)利要求
1.一種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，其特征在于在光子晶體槽波導(dǎo)中最靠近空氣槽的第一排和第二排空氣孔內(nèi)分別填充兩種折射率的液體，通過調(diào)節(jié)這兩種填充液體的折射率大小，從而有效地改善光子晶體槽波導(dǎo)的色散曲線，以實(shí)現(xiàn)高群折射率、寬帶寬、低群速度色散的慢光特性，而且當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的工作溫度變化或者空氣孔半徑制備誤差對其慢光特性產(chǎn)生影響時，均可以通過調(diào)節(jié)填充液體的折射率大小來穩(wěn)定光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性。
2.如權(quán)利要求1所述的ー種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，其特征在于光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是先在半導(dǎo)體材料基底絕緣體上娃(Silicon On Insulator,SOI)上刻蝕等邊三角形排列的空氣孔形成ニ維三角晶格光子晶體，再將中間ー排沿X方向的空氣孔替換為ー個寬度為％=0. 32a的空氣槽而構(gòu)成的，空氣孔的半徑r=0. 30a (其中a=442nm為光子晶體的晶格常數(shù)，即相鄰空氣孔之間的間距)，硅厚度A=220nm，硅的有效折射率/7=2. 87，在未填充前所有空氣孔的折射率均為1. O。
3.如權(quán)利要求1所述的ー種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，其特征在于當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的工作溫度為290K時，在最靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充折射率為1. 416的液體，同時在最靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充折射率為1. 645的液體，可以產(chǎn)生群折射率為150，帶寬可達(dá)1. 35nm的慢光現(xiàn)象，同時，在慢光帶寬范圍內(nèi)，群速度色散值均小于5X 10_6ps2/km。
4.如權(quán)利要求3所述的ー種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，其特征在于當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的工作溫度從290K變化到300K時，如果將最靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 408的液體，同時將最靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 634的液體，這樣光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性便不會隨溫度的變化而變化。
5.如權(quán)利要求3所述的ー種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法，其特征在于當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的空氣孔半徑從0. 30a變?yōu)?. 29a時，可以將最靠近空氣槽的第ー排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 347的液體，同時將最靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 615的液體；而當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的空氣孔半徑從0. 30a變?yōu)?. 31a時，可以將最靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 452的液體，同時將最靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充的液體變?yōu)檎凵渎蕿?. 701的液體，這樣，光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性亦不會因空氣孔半徑的制備誤差而發(fā)生變化。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于液體填充的光子晶體槽波導(dǎo)慢光特性優(yōu)化方法。通過在光子晶體槽波導(dǎo)中最靠近空氣槽的第一排和第二排空氣孔內(nèi)分別填充折射率為1.416和1.645的液體對光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，當(dāng)群折射率為150時，慢光帶寬可達(dá)1.35nm，群速度色散可降至5×10-6ps2/km。而且，當(dāng)光子晶體槽波導(dǎo)的工作溫度變化或者空氣孔半徑制備誤差對其慢光特性產(chǎn)生影響時，均可以通過調(diào)節(jié)填充液體的折射率大小來穩(wěn)定光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性。
文檔編號G02B6/122GK103048844SQ20131001064
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月12日
發(fā)明者趙勇, 張亞男 申請人:東北大學(xué)