基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體y型分束器的制造方法
【專利摘要】一種基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，包括一個(gè)作為光波導(dǎo)的正方晶格的光子晶體，在正方晶格的光子晶體的內(nèi)部制作兩個(gè)沿自準(zhǔn)直光束傳播方向?qū)ΨQ的彎曲的缺陷腔，并在每個(gè)缺陷腔內(nèi)設(shè)置一個(gè)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)缺陷腔內(nèi)非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)曲率相同，通過缺陷腔與非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)組合作為分束結(jié)構(gòu)。該分束器將正方晶格的光子晶體波導(dǎo)用于光束的自準(zhǔn)直，并為后面光分束結(jié)構(gòu)提供高效耦合；在正方晶格光子晶體內(nèi)引入兩個(gè)缺陷腔，并與漸變型分束結(jié)構(gòu)組合，用于實(shí)現(xiàn)光的分束并保證較高的傳輸效率,提高了傳輸效率，大幅減少了光在分束前的能量損失，提高了光傳輸效率，并且在提高傳輸效率的方式上，在制備上容差更大。
【專利說明】基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，屬于半導(dǎo)體光電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信技術(shù)的發(fā)展，集成電路芯片已達(dá)到經(jīng)典物理的極限，在如今的基礎(chǔ)上，盡管波導(dǎo)量子芯片不斷取得新的突破，但芯片的尺寸還是集中在毫米量級(jí)，芯片越小，集成電路性能急劇降低，能量損耗大，信息傳輸慢。這已經(jīng)成為光量子器件集成發(fā)展的瓶頸。而光子作為信息載體，傳輸速度快，傳輸帶寬遠(yuǎn)大于金屬線帶寬，且光子間相互作用弱，能量損耗低。光子比電子具有更大的容量、速度，更好的保密性及更強(qiáng)的抗干擾能力。光子晶體就是以光子為信息載體的新型材料。
[0003]光子晶體是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間成周期排布的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光在其中傳播時(shí)受到調(diào)制形成光子能帶結(jié)構(gòu)，在合適的晶格常數(shù)與介電常數(shù)比的條件下，出現(xiàn)光子帶隙。光子晶體通過帶隙來限制光的傳輸方向從而達(dá)到人為控制光的傳播方向進(jìn)行導(dǎo)光。由于波導(dǎo)寬度在波長(zhǎng)量級(jí)，大大減小了波導(dǎo)器件的尺寸，近年來不斷出現(xiàn)微納米量級(jí)的光子晶體功能器件，為將來更小型化，高密度的芯片的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，甚至為全光器件的開發(fā)指出了新的道路。
[0004]目前在光子晶體的設(shè)計(jì)制作上，以二維光子晶體器件為主，使光的頻率落在光子晶體的光子禁帶中，并引入缺陷，使光的傳輸被局限在缺陷結(jié)構(gòu)之中，這是光子晶體作為光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的光子晶體在缺陷的周圍需要一定數(shù)量的晶體結(jié)構(gòu)來起到滿足光子禁帶結(jié)構(gòu)的條件，尤其是在使用光子晶體禁帶作用進(jìn)行光束分束器的設(shè)計(jì)時(shí)，耦合效率不高，即在對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行分束時(shí)，由于禁帶的作用，使光場(chǎng)沿著不同方向缺陷分成多束光的同時(shí)，有相當(dāng)一部分能量反射回入射光波導(dǎo)，導(dǎo)致光的傳輸效率不高。
[0005]光子晶體分束器一般在光束分叉處引入缺陷結(jié)構(gòu)或是加入一些增透或抗反射層結(jié)構(gòu)來提高分束效率，減小光分束時(shí)的損耗，提高光的傳輸效率。但是，要在分叉處另外引入微小的缺陷結(jié)構(gòu)和加入增透抗反射結(jié)構(gòu)對(duì)曝光工藝的要求非?？量蹋o實(shí)際光子晶體的制作帶來很大的困難。
[0006]因此，在對(duì)光子晶體器件的研究當(dāng)中，需要對(duì)整體的結(jié)構(gòu)特別是在光的分束處的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到在不引入另外的缺陷結(jié)構(gòu)或加入增透、抗反射層結(jié)構(gòu)的前提下，提高光子晶體光分束器的傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)波導(dǎo)尺寸較大、傳輸效率較低和反射較大以及現(xiàn)有的光子晶體分束器在尋求提高光束傳輸效率時(shí)對(duì)曝光工藝的要求苛刻等問題，提供一種光束傳輸效率高的光子晶體光分束器，該分束器將漸變型結(jié)構(gòu)的光子晶體漸變效應(yīng)與光子晶體的自準(zhǔn)直效應(yīng)相結(jié)合，作為光分束器結(jié)構(gòu)，不需要再另外加入一些缺陷或增透抗反射結(jié)構(gòu)，僅是從改變光子晶體的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)提高光束的傳輸效率的目的。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，提供的技術(shù)方案如下:
[0009]該分束器，包括一個(gè)作為光波導(dǎo)的正方晶格的光子晶體，該正方晶格的光子晶體具有自準(zhǔn)直效應(yīng)，在正方晶格的光子晶體的內(nèi)部制作兩個(gè)沿自準(zhǔn)直光束傳播方向?qū)ΨQ的彎曲的缺陷腔，并在每個(gè)缺陷腔內(nèi)設(shè)置一個(gè)非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)在缺陷腔內(nèi)彎曲排列，兩個(gè)缺陷腔內(nèi)的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的曲率相同，輸入光通過兩個(gè)缺陷腔與非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分束。
[0010]上述分束器中，所述的正方晶格的光子晶體中的介質(zhì)柱采用的材料為氧化鋁(折射率n為3.13)，介質(zhì)柱的半徑為14a/15，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
[0011]上述分束器中，正方晶格的晶格常數(shù)為7a/3。
[0012]上述分束器中，正方晶格的光歸一化頻率為0.133。
[0013]上述分束器中，兩個(gè)缺陷腔是從正方晶格中心開始，分別向上彎曲和向下彎曲，每個(gè)缺陷腔的寬度為22a,上下兩個(gè)缺陷腔重疊部分的寬度為4a。
[0014]上述分束器中，所述的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)柱材料采用的是氧化鋁(折射率n為3.13),介質(zhì)柱的半徑為0.2a。
[0015]上述分束器中，所述的缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)在徑向上的等效折射率在垂直于光傳輸?shù)墓廨S方向上從n=l.43到n=2.20對(duì)稱分布，寬度h=20a，等效折射率分布采用的是雙曲正切分布，即在垂直于光傳播方向上的折射率Ii(Y)=IiciSech ( a y)，其中，Iici為2.20，a為0.112a—1，y為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻結(jié)構(gòu)中沿垂直于光傳播方向上，離非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中心軸線的距離。
[0016]上述分束器中，缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在垂直于光的傳輸方向上，每列光子晶體柱間的夾角為0=1.14°。
[0017]上述分束器中，缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿徑向方向上最外的介質(zhì)柱與缺陷腔邊界之間有一空氣間隔，間隔距離為2a，用于在光傳播到彎曲結(jié)構(gòu)分束時(shí)，束縛住光，避免光分束時(shí)光泄露而導(dǎo)致傳輸效率的減少。
[0018]上述分束器中，缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中最靠近彎曲中心的介質(zhì)柱與彎曲中心的距離為40a。
[0019]本發(fā)明的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器將正方晶格的光子晶體波導(dǎo)用于光束的自準(zhǔn)直，并為后面漸變型分束結(jié)構(gòu)提供高效耦合；在正方晶格光子晶體內(nèi)引入兩個(gè)缺陷腔，并與漸變型分束結(jié)構(gòu)組合，用于實(shí)現(xiàn)光的分束并保證較高的傳輸效率。與傳統(tǒng)的分束器相比，提高了傳輸效率，并且在分束前，正方晶格光子晶體起到自準(zhǔn)直的作用，并且與彎曲的分束結(jié)構(gòu)耦合效率高，大幅減少了光在分束前的能量損失，提高了光傳輸效率，并且在提高傳輸效率的方式上，僅是在光子晶體的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，并沒有另外再加入增透及抗反射層結(jié)構(gòu)，在制備上容差更大。由于介質(zhì)柱采用的是氧化鋁材料，制作成本比常用的半導(dǎo)體材料更為低廉，更有利于基于此技術(shù)的產(chǎn)品推廣及批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖1是本發(fā)明基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中自準(zhǔn)直正方晶格采用的60*60的結(jié)構(gòu)，圖中黑色為介質(zhì)柱，白色為空氣材料。
[0021]圖2是光在本發(fā)明基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器中傳播的光學(xué)特性示意圖，使用FDTD法進(jìn)行的仿真結(jié)果。
[0022]圖3是輸入光在本發(fā)明基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器中向上彎曲分束傳播的傳輸效率不意圖。
[0023]圖4是輸入光在本發(fā)明基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器中向下彎曲分束傳播的傳輸效率不意圖。[0024]圖5是輸入光在本發(fā)明基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器分束后在分束的兩個(gè)輸出端口測(cè)得的總的傳輸效率示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]由于光子晶體內(nèi)部具有自準(zhǔn)直效應(yīng)，在光子晶體內(nèi)傳輸?shù)墓馐诓灰肴毕莸那闆r下，由于光子晶體的色散關(guān)系可以克服衍射發(fā)散沿光束傳播方向準(zhǔn)直傳輸，所以在分束器采用了正方晶格的光子晶體用于自準(zhǔn)直入射光，在后面耦合的彎曲的分束結(jié)構(gòu)不引起較大的能量損失。
[0026]本發(fā)明提供的光束分束器，如圖1所示，是在一個(gè)正方晶格的光子晶體中引入兩個(gè)缺陷腔，并在缺陷中引入非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)。正方晶格光子晶體具有自準(zhǔn)直效應(yīng)，正方晶格的光歸一化頻率為0.133。缺陷腔及非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)光場(chǎng)分布，使輸入光束實(shí)現(xiàn)光的1:1分束。正方晶格光子晶體介質(zhì)柱采用的材料為氧化鋁(折射率n為3.13)，晶格常數(shù)為7a/3，介質(zhì)柱半徑為14a/15。在光子晶體中的兩個(gè)缺陷是從正方晶格中心開始，分別向上彎曲和向下彎曲，寬度為22a，上下兩個(gè)缺陷重疊部分的寬度為4a，按照1/4圓的方向?qū)φ骄Ц裰械慕橘|(zhì)柱進(jìn)行去除而形成。所述缺陷腔內(nèi)非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱材料為氧化鋁(折射率n為3.13)，介質(zhì)柱的半徑為0.2a，結(jié)構(gòu)是根據(jù)垂直光傳播方向上折射率分布成雙曲正切分布而設(shè)計(jì)的，在垂直于光傳播方向上的折射率!!(ykndSecl^ a y)，其中，n0為2.20，a為0.112a'y為缺陷腔內(nèi)非均勻結(jié)構(gòu)中沿垂直于光傳播方向上，離非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中心軸線的距離。每個(gè)缺陷腔內(nèi)整個(gè)非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬度為20a。其中a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
[0027]缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿徑向上的最外介質(zhì)柱與缺陷腔的邊界之間留出一個(gè)寬度為2a的空氣缺陷，使得輸入光在分束處不會(huì)泄露，保證傳輸?shù)母咝?。缺陷腔?nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在垂直于光的傳輸方向上，每列光子晶體柱間的夾角為0=1.14°。缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中最靠近彎曲中心的介質(zhì)柱離彎曲中心的距離為40a。
[0028]圖2給出在基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器中傳播的光學(xué)特性，左端為光束的輸入端，右端為輸入光束經(jīng)過90°的彎曲分束后的兩個(gè)輸出端，兩束輸出光束方向垂直于輸入光的方向。當(dāng)然，如果分束后需要特定方向，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)彎曲結(jié)構(gòu)的弧長(zhǎng)作適當(dāng)?shù)男薷摹?br> [0029]圖3與圖4分別給出基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器的兩個(gè)輸出端口傳輸效率，可以看到，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光分束器實(shí)現(xiàn)了 1:1的分束效果，并且兩端口的輸出光傳輸效率均大于40%。所得出的結(jié)果可以為將來此類光子晶體器件在光集成、光通信上的應(yīng)用做出理論上的驗(yàn)證。
[0030]圖5給出的為兩個(gè)端口總輸出的傳輸效率，整個(gè)器件的傳輸效率接近85%，這種高效率的傳輸并不是針對(duì)某一特定頻率，而是具有一定的帶寬，在應(yīng)用上可以根據(jù)具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)利用。
[0031]以上所述的具體實(shí)施例，是對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和技術(shù)效果進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，雖然本發(fā)明將實(shí)施例公布如上，但所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍的情況下都可利用上述所揭示的技術(shù)內(nèi)容作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做任何修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:包括一個(gè)作為光波導(dǎo)的正方晶格的光子晶體，該正方晶格的光子晶體具有自準(zhǔn)直效應(yīng)，在正方晶格的光子晶體的內(nèi)部制作兩個(gè)沿自準(zhǔn)直光束傳播方向?qū)ΨQ的彎曲的缺陷腔，并在每個(gè)缺陷腔內(nèi)設(shè)置一個(gè)非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)在缺陷腔內(nèi)彎曲排列，兩個(gè)缺陷腔內(nèi)的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的曲率相同，輸入光通過兩個(gè)缺陷腔與非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述正方晶格的光子晶體中的介質(zhì)柱采用的材料為氧化鋁，介質(zhì)柱的半徑為14a/15，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述正方晶格的晶格常數(shù)為7a/3，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述正方晶格的光歸一化頻率為0.133。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述兩個(gè)缺陷腔是從正方晶格中心開始，分別向上彎曲和向下彎曲，每個(gè)缺陷腔的寬度為22a，上下兩個(gè)缺陷腔重疊部分的寬度為4a，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)柱材料采用的是氧化鋁，介質(zhì)柱的半徑為0.2a，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)在徑向上的等效折射率在垂直于光傳輸?shù)墓廨S方向上從n=l.43到n=2.20對(duì)稱分布，寬度h=20a，等效折射率分布采用的是雙曲正切分布，即在垂直于光傳播方向上的折射率n(y)=nQsech( a y)，其中，nQ為2.20, a為0.1Ua' y為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻結(jié)構(gòu)中沿垂直于光傳播方向上，離非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中心軸線的距離，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在垂直于光的傳輸方向上，每列光子晶體柱間的夾角為9 =1.14°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿徑向方向上最外的介質(zhì)柱與缺陷腔邊界之間有一空氣間隔，間隔距離為2a，用于在光傳播到彎曲分束時(shí)，束縛住光，避免光分束時(shí)光泄露而導(dǎo)致傳輸效率的減少，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自準(zhǔn)直及漸變效應(yīng)的光子晶體Y型分束器，其特征是:所述缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中最靠近彎曲中心的介質(zhì)柱與彎曲中心的距離為40a，a為缺陷腔內(nèi)彎曲排列的非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)沿光傳播方向上的晶格常數(shù)。
【文檔編號(hào)】G02B6/125GK103630970SQ201310692694
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】楊修倫, 黃哲, 王林輝, 范冉冉 申請(qǐng)人:山東大學(xué)