專(zhuān)利名稱(chēng):二維光子晶體微諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用二維光子晶體的微諧振腔，特別涉及點(diǎn)缺陷腔和環(huán)形缺陷腔集成的二維光子晶體微諧振腔。
背景技術(shù)：
制作高品質(zhì)因子，小模體積的微腔是集成光學(xué)中的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。它可以用來(lái)制作諸如濾波器、波分復(fù)用器、發(fā)光二極管以及激光器等許多基于微腔的無(wú)源和有源器件?；谖⑶坏墓馄骷哂刑厥獾膬?yōu)點(diǎn)，例如微腔激光器由于體積小，能夠有效地控制激發(fā)介質(zhì)的自發(fā)輻射，具有高的能量轉(zhuǎn)換效率和低的閾值?；诠庾泳w的微腔結(jié)構(gòu)不僅具有上述的優(yōu)點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)高Q值和高輻射增強(qiáng)因子，因而能實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率，為此人們提出了各種各樣的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)。授權(quán)公告號(hào)為CN 1156063C的專(zhuān)利公開(kāi)了一種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它利用在二維光子晶體中引入一個(gè)點(diǎn)缺陷來(lái)構(gòu)成微腔。這種光子晶體微腔結(jié)構(gòu)可以得到較大的能量轉(zhuǎn)換效率和較大的Q值，但是它的能量泄漏仍然不小，品質(zhì)因子Q沒(méi)有達(dá)到最大，存儲(chǔ)能量有限。其它一些文獻(xiàn)通過(guò)增加或減小個(gè)介質(zhì)棒的大小來(lái)形成點(diǎn)缺陷，或者移動(dòng)點(diǎn)缺陷周?chē)橘|(zhì)棒的位置來(lái)改變點(diǎn)缺陷的大小，以此提高微腔的性能。但這些都是基于單個(gè)或多個(gè)點(diǎn)缺陷形成的微腔，存儲(chǔ)能量都很有限。
本發(fā)明克服了上述光子晶體微腔的缺點(diǎn)，可以得到更高的品質(zhì)因子，并可使存儲(chǔ)能量提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的光子晶體微腔是由光子晶體的點(diǎn)缺陷腔和環(huán)形缺陷腔組成的。
一種二維光子晶體微腔的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，實(shí)心圓表示介質(zhì)柱，周期性地排列介質(zhì)柱形成光子晶體。在一邊抽掉一個(gè)或幾個(gè)介質(zhì)柱，從而構(gòu)成點(diǎn)缺陷腔。同時(shí)，在另一邊抽掉一圈介質(zhì)柱，形成環(huán)形缺陷腔。在點(diǎn)缺陷腔處加入激發(fā)介質(zhì)，某個(gè)波長(zhǎng)的光會(huì)被限制在點(diǎn)腔中，即形成光子晶體缺陷態(tài)。能量被限制在點(diǎn)腔中的時(shí)間越長(zhǎng)，腔的品質(zhì)因子就越高。當(dāng)點(diǎn)腔邊上加上一環(huán)形腔時(shí)，從點(diǎn)腔中漏出的能量會(huì)耦合到環(huán)形腔中，最后又從環(huán)形腔耦合回點(diǎn)腔中，從而形成復(fù)合式諧振腔。這相當(dāng)于向外面輻射掉的能量又重新回到點(diǎn)缺陷中，此時(shí)更多的能量會(huì)被限制在點(diǎn)缺陷中，從而得到很高的品質(zhì)因子Q。同時(shí)，外環(huán)腔起到存儲(chǔ)能量的作用，由于其存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點(diǎn)腔的體積，并且具有多個(gè)諧振波長(zhǎng)，從而使得該系統(tǒng)可以存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)點(diǎn)腔系統(tǒng)所能存儲(chǔ)的能量。通過(guò)改變系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，我們就可以得到不同Q值的光子晶體微腔。這種光子晶體微腔可用于半導(dǎo)體微腔激光器的設(shè)計(jì)以及全光集成光路的光源領(lǐng)域。
可在環(huán)形腔中加入一低折射率透明介質(zhì)，如圖2所示。改變加入介質(zhì)的長(zhǎng)度或折射率大小，用于調(diào)整環(huán)形腔的光學(xué)長(zhǎng)度。這可以改變環(huán)形腔的諧振波長(zhǎng)的位置，通過(guò)耦合使其反作用于點(diǎn)腔，改變點(diǎn)腔的諧振波長(zhǎng)。當(dāng)環(huán)形腔中的一個(gè)諧振波長(zhǎng)和點(diǎn)腔中的諧振波長(zhǎng)相同時(shí)，就可以使點(diǎn)腔和環(huán)形腔的耦合最強(qiáng)。用這種方法我們還可以得到可調(diào)諧的光子晶體微腔。
點(diǎn)缺陷腔可以是抽掉一個(gè)介質(zhì)柱，也可以是抽掉多個(gè)介質(zhì)柱形成的單腔，還可以是通過(guò)變化一根或者幾根介質(zhì)桿的直徑形成的缺陷所構(gòu)成的單腔。
環(huán)行缺陷腔可以是圓環(huán)行的、四方環(huán)行的、三角環(huán)行的、或者其它任意封閉形狀的環(huán)行腔。
如圖2所示，其中的棱柱代表著高折射率介質(zhì)，空白部分代表著低折射率介質(zhì)；為了得到不同的結(jié)果，我們也可以反過(guò)來(lái)，使其中的棱柱代表低折射率介質(zhì)，而空白區(qū)代表高折射率介質(zhì)。
光子晶體微腔的工作波長(zhǎng)和其晶格常數(shù)為同一數(shù)量級(jí)，根據(jù)這一特點(diǎn)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇不同的材料，該結(jié)構(gòu)可以適合于任意電磁波波段，包括微波波段、毫米波波段、亞毫米波波段、太赫茲(THz)波段、紅外波段、可見(jiàn)光波段、紫外波段、X波段、伽馬射線(Gama射線)波段、宇宙射線波段等。

圖1單獨(dú)由點(diǎn)缺陷構(gòu)成的二維光子晶體微腔圖2二維光子晶體微諧振腔的截面示意圖圖3二維光子晶體微諧振腔的諧振頻率圖4二維光子晶體微諧振腔的模式圖圖5多個(gè)點(diǎn)腔的二維光子晶體微諧振腔示意圖其中1構(gòu)成光子晶體的介質(zhì)柱，2點(diǎn)缺陷，3環(huán)形腔，4低折射率介質(zhì)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
參照?qǐng)D2，二維光子晶體由在空氣中周期排列的介質(zhì)柱組成。微諧振腔由點(diǎn)缺陷和環(huán)形腔共同構(gòu)成。其原理類(lèi)似于電路中的電容與電感，當(dāng)兩者的振蕩頻率相等時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生諧振，此時(shí)系統(tǒng)衰減最慢，因此能得到很高的品質(zhì)因子。在點(diǎn)缺陷中加入激發(fā)介質(zhì)，電磁波從點(diǎn)缺陷中耦合到環(huán)形腔，同時(shí)環(huán)形腔形成一個(gè)回路，又耦合回點(diǎn)缺陷中。若兩個(gè)腔的振蕩頻率相等，系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到諧振。一般而言，設(shè)置好各種參數(shù)后，點(diǎn)缺陷只有一個(gè)最大的諧振輸出。但環(huán)形腔的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，通常有多個(gè)諧振波長(zhǎng)。因此，我們?cè)诃h(huán)形腔中加入一低折射率介質(zhì)，用以改變環(huán)形腔的光學(xué)長(zhǎng)度，進(jìn)而改變諧振波長(zhǎng)的位置，使其中的一個(gè)移到點(diǎn)缺陷的諧振波長(zhǎng)處，這樣，兩個(gè)腔就能諧振起來(lái)。
光子晶體微腔的諧振波長(zhǎng)和晶格常數(shù)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以根據(jù)所需的諧振波長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)光子晶體微腔的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。例如，高折射率的介質(zhì)柱可選擇硅(Si)材料，低折射率介質(zhì)為空氣，其折射率分別為3.4和1。此外，環(huán)形腔中附加介質(zhì)可選擇在諧振波長(zhǎng)范圍內(nèi)透明的氟化鈣(GaF2)，其折射率為1.25，長(zhǎng)度可變。晶格常數(shù)為1μm，方形柱的邊長(zhǎng)為0.4μm，陣列數(shù)為17×19，則我們可以得到微米量級(jí)的諧振波長(zhǎng)，如圖3所示。
通過(guò)計(jì)算得到光子晶體微腔的模式圖，如圖4所示。當(dāng)通過(guò)改變插入介質(zhì)的長(zhǎng)度，我們可以得到不同的振蕩頻率，同時(shí)可以調(diào)節(jié)點(diǎn)腔和環(huán)形腔的耦合程度。如圖4所示，這時(shí)點(diǎn)腔和環(huán)形腔耦合最佳，系統(tǒng)發(fā)生諧振，得到最大的品質(zhì)因子。此時(shí)系統(tǒng)的品質(zhì)因子比相同結(jié)構(gòu)下單獨(dú)只有點(diǎn)腔時(shí)的品質(zhì)因子更大，甚至可以達(dá)到它的兩倍大小。若增加四周的介質(zhì)柱的數(shù)目，還可得到更大的品質(zhì)因子。同時(shí)此時(shí)環(huán)形腔中儲(chǔ)存了大量的能量。
如圖5所示，可以把這種光子晶體微腔用于波分復(fù)用系統(tǒng)。光子晶體微腔具有很高的分辨能力。設(shè)計(jì)好環(huán)形腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其具有我們工作所需的兩個(gè)諧振波長(zhǎng)。當(dāng)把光導(dǎo)入環(huán)形腔時(shí)，它會(huì)和點(diǎn)腔耦合，從而進(jìn)入點(diǎn)腔中。通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的點(diǎn)腔，使其諧振波長(zhǎng)分別是工作波長(zhǎng)中的一種，這樣就可以把相應(yīng)的光導(dǎo)入到各個(gè)諧振腔中。在點(diǎn)腔的另一邊各自引入線缺陷制成波導(dǎo)，就可以把光導(dǎo)出來(lái)；相反，我們把不同的光波引入到點(diǎn)腔中，它們和環(huán)形腔相耦合，從而都進(jìn)入到環(huán)形腔中，通過(guò)波導(dǎo)可以把它們引出來(lái)。這樣就實(shí)現(xiàn)了兩波長(zhǎng)光波分復(fù)用的功能。當(dāng)增加點(diǎn)腔的個(gè)數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，我們就可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的光波分復(fù)用了。
權(quán)利要求
1.一種二維光子晶體諧振腔，其特征在于由光子晶體的點(diǎn)缺陷和環(huán)形缺陷組成。在二維光子晶體中抽掉一圈介質(zhì)棒形成環(huán)形缺陷的同時(shí)，在環(huán)形缺陷一側(cè)預(yù)留幾根介質(zhì)棒形成點(diǎn)缺陷，形成復(fù)合式二維光子晶體微腔。
2.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于在環(huán)形缺陷腔中可以插入一塊透明介質(zhì)，以改變環(huán)形缺陷腔和點(diǎn)缺陷腔的耦合強(qiáng)度和諧振波長(zhǎng)。
3.按權(quán)利要求
1和2所述的光子晶體諧振腔，其特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)插入介質(zhì)的長(zhǎng)度和折射率的大小，可以改變點(diǎn)系統(tǒng)的品質(zhì)因子，并能得到可調(diào)諧的光子晶體微腔。
4.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于點(diǎn)缺陷腔可以是單點(diǎn)缺陷，也可以是多個(gè)點(diǎn)缺陷構(gòu)成的單腔。
5.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于點(diǎn)缺陷腔可以是由抽去一根或幾根介質(zhì)桿構(gòu)成的單腔，也可以是通過(guò)變化一根或者幾根介質(zhì)桿的直徑形成的缺陷所構(gòu)成的單腔。
6.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于點(diǎn)缺陷腔可以是由添加一根或者幾根介質(zhì)桿產(chǎn)生缺陷所構(gòu)成的單腔。
7.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于環(huán)行缺陷腔可以是圓環(huán)行的、四方環(huán)行的、三角環(huán)行的、或者其它任意封閉形狀的環(huán)行腔。
8.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于組成二維光子晶體的高折射率介質(zhì)可以是棱柱形，也可以是圓柱形，也可以是任意橫截面形狀的介質(zhì)柱。
9.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于組成二維光子晶體的低折射率介質(zhì)可以為空氣，也可以為其它低折射率介質(zhì)。
10.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于其中的點(diǎn)代表高折射率介質(zhì)，空白部分代表低折射率介質(zhì)；也可以是，其中的點(diǎn)代表低折射率介質(zhì)，而空白區(qū)代表高折射率介質(zhì)。
11.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于諧振腔中的諧振波長(zhǎng)可以通過(guò)點(diǎn)缺陷腔和環(huán)形缺陷腔的尺寸和形狀來(lái)調(diào)節(jié)。
12.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于可通過(guò)改變環(huán)行腔的長(zhǎng)度和點(diǎn)缺陷腔的個(gè)數(shù)來(lái)改變諧振特性，優(yōu)化結(jié)果。
13.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于根據(jù)不同的要求，點(diǎn)缺陷腔和環(huán)行腔可以工作于共同諧振狀態(tài)，也可以是只有點(diǎn)缺陷腔工作于諧振狀態(tài)。
14.按權(quán)利要求
1所述的光子晶體諧振腔，其特征在于所謂微諧振腔，是指其尺寸與工作波長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí)；根據(jù)不同的要求，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇不同的材料，該結(jié)構(gòu)可以適合于任意電磁波波段，包括微波波段、毫米波波段、亞毫米波波段、太赫茲(THz)波段、紅外波段、可見(jiàn)光波段、紫外波段、X波段、伽馬射線(Gama射線)波段、宇宙射線波段等。
專(zhuān)利摘要
一種二維光子晶體微諧振腔，其結(jié)構(gòu)如下。在空氣中周期性的排列著高折射率介質(zhì)棒組成二維光子晶體，通過(guò)抽去其中一些介質(zhì)棒，形成點(diǎn)缺陷和環(huán)形缺陷，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)光子晶體復(fù)合式微腔。在環(huán)形腔中插入一低折射率介質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)的長(zhǎng)度和折射率，使環(huán)形腔和點(diǎn)腔同時(shí)諧振，從而使系統(tǒng)得到很高的品質(zhì)因子和很高的能量存儲(chǔ)狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1996682SQ200610062396
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年8月31日
發(fā)明者歐陽(yáng)征標(biāo) 申請(qǐng)人:歐陽(yáng)征標(biāo), 羅賢達(dá)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan