一種光子晶體平板波導(dǎo)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光子晶體平板波導(dǎo)，特點是包括薄膜層和襯底材料層，薄膜層和襯底材料層之間設(shè)置有隔離塊使薄膜層和襯底材料層之間形成空氣層，薄膜層設(shè)置有線缺陷和分布在線缺陷兩側(cè)的多排空氣孔，空氣孔的延伸周期為常數(shù)a，薄膜層厚度h=0.3a～0.7a，空氣孔包括設(shè)置在線缺陷一側(cè)并與線缺陷相鄰的第一空氣孔和設(shè)置在線缺陷另一側(cè)并與線缺陷相鄰的第二空氣孔及與線缺陷不相鄰的第三空氣孔，第一空氣孔的半徑ru為0.2a～0.4a，第二空氣孔半徑rd為0.2a～0.4a，且ru≠rd，第三空氣孔的半徑r=0.25a～0.35a，優(yōu)點是通過改變線缺陷兩側(cè)相鄰的兩排空氣孔的尺寸大小（ru和rd），在較大范圍內(nèi)改變?nèi)赫凵渎屎蜕⑵教沟膸?，其中群折射率可達(dá)100或更高。
【專利說明】 一種光子晶體平板波導(dǎo)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光子晶體波導(dǎo)，尤其是涉及一種光子晶體平板波導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體平板波導(dǎo)(PhotonicCrystal Slab Waveguides, PCSWs)是由光子晶體平板和線缺陷組成的新型光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。它較傳統(tǒng)的平板波導(dǎo)有許多優(yōu)點，其中較顯著的優(yōu)點是PCSWs的慢光效應(yīng)(即具有較小的群速度或較大的群折射率)。慢光效應(yīng)能夠增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高介質(zhì)的非線性效應(yīng)，可應(yīng)用于光學(xué)延遲線、光存儲和全光緩存以及高非線性光學(xué)器件等領(lǐng)域。作為獲取慢光效應(yīng)最實用的一種方法，PCSWs具有許多優(yōu)點，如可在室溫下工作，群速度和帶寬可調(diào)，可應(yīng)用于任意工作波長等等。
[0003]本領(lǐng)域常用的光子晶體平板波導(dǎo)其結(jié)構(gòu)包括薄膜層和襯底材料層，薄膜層和襯底材料層之間設(shè)置有隔離塊使薄膜層和襯底材料層之間形成空氣層；薄膜層設(shè)置有線缺陷和分布在線缺陷兩側(cè)的多排空氣孔，多排空氣孔是指在薄膜上周期分布的多排空氣圓孔，線缺陷是指一排被薄膜材料填充的空氣孔或者說一排沒有空氣孔的部分。
[0004]為了獲得顯著的非線性效果，一般需要數(shù)值較大的群折射率。但是在現(xiàn)有的PCSWs中，群折射率的增大往往同時伴隨著帶寬的減小以及群速度色散的增大，而這些因素的改變都會影響慢光的實際應(yīng)用。為了獲得低色散、大帶寬的慢光，目前的方法主要是對稱地改變線缺陷兩側(cè)數(shù)排孔洞的半徑大小、位置和折射率以及孔洞的形狀等。這些方法中，對稱改變數(shù)排孔洞的半徑大小，不能提供較大范圍的群折射率和零色散帶寬；而要改變孔洞的位置，則要求相當(dāng)嚴(yán)格的制備誤差，其位移一般要控制在幾納米到幾十納米；而要改變幾排孔洞的折射率，通常無法進(jìn)行實際的操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種產(chǎn)生較大的群折射率并具有低色散和大帶寬的慢光，且制備簡單方便的光子晶體平板波導(dǎo)。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種光子晶體平板波導(dǎo)，包括薄膜層和襯底材料層，所述的薄膜層和所述的襯底材料層之間設(shè)置有隔離塊使所述的薄膜層和所述的襯底材料層之間形成空氣層，所述的薄膜層設(shè)置有線缺陷和分布在所述的線缺陷兩側(cè)的多排空氣孔，所述的空氣孔的延伸周期為常數(shù)a，所述的薄膜層厚度h=0.3a?0.7a，所述的空氣孔包括設(shè)置在所述的線缺陷一側(cè)并與所述的線缺陷相鄰的第一空氣孔和設(shè)置在所述的線缺陷另一側(cè)并與所述的線缺陷相鄰的第二空氣孔及與所述的線缺陷不相鄰的第三空氣孔，所述的第一空氣孔的半徑ru為0.2a?0.4a，所述的第二空氣孔半徑rd為
0.2a?0.4a，且ru關(guān)rd，所述的第三空氣孔的半徑r=0.25a?0.35a。
[0007]所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru大于所述的第三空氣孔的半徑r而所述的第二相鄰空氣孔半徑rd小于所述的第三空氣孔的半徑r或所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru小于所述的第三空氣孔的半徑r且所述的第二相鄰空氣孔半徑rd大于所述的第三空氣孔的半徑r。[0008]所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru大于所述的第二相鄰空氣孔半徑rd并均大于所述的第三空氣孔的半徑r。
[0009]所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru小于所述的第二相鄰空氣孔半徑rd并均小于所述的第三空氣孔的半徑r。
[0010]所述的薄膜層厚度h=0.5a。
[0011]所述的薄膜層由Ge2tlSb15Se65玻璃材料制成。
[0012]所述的襯底材料層由Si材料制成。
[0013]所述的隔離塊由SiO2材料制成。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于通過改變線缺陷兩側(cè)相鄰的兩排空氣孔的尺寸大小(ru和rd)，就可在較大范圍內(nèi)改變?nèi)赫凵渎屎蜕⑵教沟膸挘渲腥赫凵渎士蛇_(dá)100或更高。當(dāng)減小兩排孔的半徑(都小于r)時，可減小群折射率至18，同時可增大帶寬至36nm (當(dāng)工作波長λ =3 μ m時)；當(dāng)增大兩排孔的半徑(都大于r)時，可一定程度上增大群折射率同時減小帶寬；而減小一排孔的半徑(小于r)，并且同時增大另一排孔的半徑(大于r)時,可進(jìn)一步增大群折射率至130,同時伴隨著帶寬的減小至3.1nm(當(dāng)工作波長λ =3 μ m時)。
[0015]硫系玻璃是氧元素除外的第VI主族元素(S，Se, Te)同電負(fù)性較弱的As、Sb、Ge等形成的非晶體化合物，例如As2S3、Ge-As-Se和Ge-Sb-Te等。硫系玻璃具有較寬的中紅外透過光譜(0.8~2(^111)、較高的材料折射率(11=2~3)、超高的非線性折射率(n2=2~20X 10_18m2/W，高出石英材料2~3個數(shù)量級)和超快的非線性響應(yīng)時間(t/200fS)以及可忽略的光生載流子效應(yīng)等特性。以硫系玻璃為基質(zhì)的PCSWs作為一種新型的高非線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)引起了國外許多著名的光電子研究機(jī)構(gòu)的極大的研究興趣。但其材料基質(zhì)主要集中在As2S3、Ge-As-Se等含有毒As元素的玻璃材料，而薄膜層由Ge2tlSb15Se65玻璃材料制成，不僅具有I~16 μ m的較寬的工作波長范圍，且透過率高并具有無毒環(huán)保的特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的非對稱光子晶體慢光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為光子晶體波導(dǎo)偶模(也稱為類TE模)中導(dǎo)模的的色散關(guān)系示意圖；
[0018]圖3為臨近線缺陷兩排空氣孔半徑變化時，群折射率隨頻率變化的示意圖；
[0019]圖4為取工作波長λ =3 μ m，臨近線缺陷兩排空氣孔半徑取不同值時的群折射率和色散隨波長變化的關(guān)系曲線示意圖。圖中:(a)ru=0.2a, rd=0.25a ； (b)ru=0.4a, rd=0.35a ；(c) ru=0.4a，rd=0.25a。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021]實施例一:如圖所示，一種光子晶體平板波導(dǎo)，包括薄膜層I和襯底材料層2，薄膜層I和襯底材料層2之間設(shè)置有隔離塊3使薄膜層I和襯底材料層I之間形成空氣層4，薄膜層I由Ge2tlSb15Se65玻璃材料制成，折射率η為2.6~2.8，襯底材料層2由Si材料制成，隔離塊3由SiO2M料制成，薄膜層I設(shè)置有線缺陷11和分布在線缺陷11兩側(cè)的多排空氣孔12，空氣孔12的延伸周期為常數(shù)a，a=1110nm，薄膜層I的厚度h=0.5a，空氣孔12包括設(shè)置在線缺陷11 一側(cè)并與線缺陷11相鄰的第一空氣孔12a和設(shè)置在線缺陷11另一側(cè)并與線缺陷11相鄰的第二空氣孔12b及與線缺陷11不相鄰的第三空氣孔12c，第一空氣孔12a的半徑ru為0.4a，第二空氣孔12b的半徑rd為0.2a，第三空氣孔12c的半徑r=0.30a。當(dāng)工作波長λ =3 μ m時，帶寬為3.lnm，群折射率為130。
[0022]實施例二:如圖所示，一種光子晶體平板波導(dǎo)，包括薄膜層I和襯底材料層2，薄膜層I和襯底材料層2之間設(shè)置有隔離塊3使薄膜層I和襯底材料層I之間形成空氣層4，薄膜層I由Ge28Sb12Se6tl玻璃材料制成，襯底材料層2由Si材料制成，隔離塊3由SiO2材料制成，薄膜層I設(shè)置有線缺陷11和分布在線缺陷11兩側(cè)的多排空氣孔12，空氣孔12的延伸周期為常數(shù)a，a=3600nm薄膜層I的厚度h=0.3a，空氣孔12包括設(shè)置在線缺陷11 一側(cè)并與線缺陷11相鄰的第一空氣孔12a和設(shè)置在線缺陷11另一側(cè)并與線缺陷11相鄰的第二空氣孔12b及與線缺陷11不相鄰的第三空氣孔12c，第一空氣孔12a的半徑ru為0.2a，第二空氣孔12b的半徑rd為0.3a，第三空氣孔12c的半徑r=0.35a。當(dāng)工作波長λ =10 μ m時，帶寬為llOnm，群折射率為20。
[0023]實施例三:如圖所示，一種光子晶體平板波導(dǎo)，包括薄膜層I和襯底材料層2，薄膜層I和襯底材料層2之間設(shè)置有隔離塊3使薄膜層I和襯底材料層I之間形成空氣層4，薄膜層I由Si材料制成，襯底材料層2由Si材料制成，隔離塊3由SiO2材料制成，薄膜層I設(shè)置有線缺陷11和分布在線缺陷11兩側(cè)的多排空氣孔12，空氣孔12的延伸周期為常數(shù)a，a=592nm薄膜層I的厚度h=0.7a，空氣孔12包括設(shè)置在線缺陷11 一側(cè)并與線缺陷11相鄰的第一空氣孔12a和設(shè)置在線缺陷11另一側(cè)并與線缺陷11相鄰的第二空氣孔12b及與線缺陷11不相鄰的第三空氣孔12c，第一空氣孔12a的半徑ru為0.4a，第二空氣孔12b的半徑rd為0.35a，第三空氣孔12c的半徑r=0.25a。當(dāng)工作波長λ =1.55 μ m時，帶寬為3.3nm，群折射率為95。
[0024]以上的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于包括薄膜層和襯底材料層，所述的薄膜層和所述的襯底材料層之間設(shè)置有隔離塊使所述的薄膜層和所述的襯底材料層之間形成空氣層，所述的薄膜層設(shè)置有線缺陷和分布在所述的線缺陷兩側(cè)的多排空氣孔，所述的空氣孔的延伸周期為常數(shù)a，所述的薄膜層厚度h=0.3a?0.7a，所述的空氣孔包括設(shè)置在所述的線缺陷一側(cè)并與所述的線缺陷相鄰的第一空氣孔和設(shè)置在所述的線缺陷另一側(cè)并與所述的線缺陷相鄰的第二空氣孔及與所述的線缺陷不相鄰的第三空氣孔，所述的第一空氣孔的半徑ru為0.2a?0.4a，所述的第二空氣孔半徑rd為0.2a?0.4a，且ru古rd，所述的第三空氣孔的半徑r=0.25a?0.35a。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru大于所述的第三空氣孔的半徑r而所述的第二相鄰空氣孔半徑rd小于所述的第三空氣孔的半徑r或所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru小于所述的第三空氣孔的半徑r且所述的第二相鄰空氣孔半徑rd大于所述的第三空氣孔的半徑r。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru大于所述的第二相鄰空氣孔半徑rd并均大于所述的第三空氣孔的半徑r。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的第一相鄰空氣孔的半徑ru小于所述的第二相鄰空氣孔半徑rd并均小于所述的第三空氣孔的半徑r。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的薄膜層厚度h=0.5a0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的薄膜層由Ge20Sb15Se65玻璃材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的襯底材料層由Si材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體平板波導(dǎo)，其特征在于所述的隔離塊由SiO2M料制成。
【文檔編號】G02B6/122GK103513332SQ201310513151
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】張巍, 章亮, 張培晴, 吳越豪, 宋寶安, 戴世勛, 王賢旺, 聶秋華, 徐鐵峰 申請人:寧波大學(xué)