專利名稱：一種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體慢光波導(dǎo)設(shè)計(jì)及光子光電子器件設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一 種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著微電子集成逐漸達(dá)到其物理極限，光子集成被人們寄予厚望，如基于光子集 成的全光智能網(wǎng)、光計(jì)算、光存儲(chǔ)和光子芯片等。目前光子集成也在按照“摩爾”定律迅速 發(fā)展。光子晶體被看作是核心技術(shù)之一，其各種奇異效應(yīng)正在不斷被開發(fā)和利用。如基于 光子晶體帶隙的小尺寸大角度彎折無損耗波導(dǎo)，基于帶邊超大色散效應(yīng)的超棱鏡，基于光 子晶體負(fù)折射效應(yīng)的突破衍射極限的成像透鏡。幾乎所有的有源和無源光子器件都可以用 光子晶體的理論和材料來設(shè)計(jì)制造。其中光子晶體帶邊慢光效應(yīng)非常引人關(guān)注，它可以在微小尺度內(nèi)極大增強(qiáng)光和物 質(zhì)的相互作用，有效控制輻射速率，基于此的各種微納腔激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)超低閾值激射，特 殊腔結(jié)構(gòu)的光子晶體激光器具有高達(dá)lOOGbps調(diào)制速率。基于慢光效應(yīng)的調(diào)制器、光開關(guān) 和光延遲器等的尺寸可以縮小1個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)?；诼庑?yīng)的半導(dǎo)體光放大器在信號(hào)放大、波長變換、光邏輯門、光計(jì)算和光網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)的碼型變換、色散監(jiān)測、光碼分多址復(fù)用收發(fā)模塊等方面都有重要應(yīng)用，慢光結(jié)構(gòu)的 采用可以大幅度縮短腔長，從而大幅度減小尺寸，降低功耗，提高速率。光子晶體慢光效應(yīng)波導(dǎo)是光子晶體慢光器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。群折射率可以達(dá)到100 以上。光子晶體慢光波導(dǎo)應(yīng)用的是光子帶隙中的缺陷態(tài)，該缺陷態(tài)一階色散呈現(xiàn)出高群折 射率，這是進(jìn)行慢光波導(dǎo)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析會(huì)發(fā)現(xiàn)二階色散，即群速度色散同樣 也很大，達(dá)到107 9pS/nm* km，而光通信用的G.652光纖的色散是16pS/nm km。盡管這 種色散對(duì)于低速率光傳輸由于器件尺寸小影響不大，但是當(dāng)速率較高的短脈沖傳輸時(shí)(如 40Gbit/s信號(hào))，信號(hào)本身對(duì)色度色散容忍度大幅度下降，色散將成為導(dǎo)致誤碼的關(guān)鍵因 素。這就要求器件本身凈色散小。普通的光波導(dǎo)器件一般色度色散都不大，但是光子晶體慢光器件由于缺陷態(tài)與帶 隙的作用，色散曲線一階及二階微分呈現(xiàn)高群速度及高群速度色散的特點(diǎn)。文獻(xiàn)上報(bào)道過 采用直接耦合器結(jié)構(gòu)及漸變折射率襯底上的光子晶體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，其實(shí)這種結(jié)構(gòu)在 實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明將提出直接對(duì)準(zhǔn)型具有色散補(bǔ)償效應(yīng)的慢光光子晶體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)方法，其特 點(diǎn)是采用盡量少的小孔類型，減少工藝上對(duì)不同小孔的加工和設(shè)計(jì)修正難度。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供一種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 既保證慢光所需要的群時(shí)延，又保證凈色散盡量小，同時(shí)獲得高透過率。
(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，包括縱向結(jié)構(gòu)及橫向結(jié)構(gòu)，其中，縱向結(jié)構(gòu)為一種空氣橋多層結(jié)構(gòu)，從頂層到底層依次 為空氣層/半導(dǎo)體材料層/空氣層/襯底材料層；橫向結(jié)構(gòu)是一光子晶體波導(dǎo)，該光子晶體 波導(dǎo)設(shè)計(jì)在縱向結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料層上，包括正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)。上述方案中，所述橫向結(jié)構(gòu)中正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)的三角晶格周期均為P，孔 半徑均為R，其中三角晶格周期P取380 420納米，孔半徑R取0. 31P。上述方案中，所述正色散波導(dǎo)通過去掉一行孔形成，該波導(dǎo)通過色散關(guān)系分析發(fā) 現(xiàn)其缺陷態(tài)具有慢光效應(yīng)。上述方案中，所述負(fù)色散波導(dǎo)是在正色散波導(dǎo)去掉孔的那一行上加上一行不同半 徑的孔而形成，通過能帶結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)工作模式態(tài)具有負(fù)色散效應(yīng)。上述方案中，所述縱向結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料層采用硅或磷化銦，該層厚度取250 300納米。上述方案中，所述正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)直接對(duì)接時(shí)，錯(cuò)開尺寸為晶格孔半徑。(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、本發(fā)明提供的這種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整兩 個(gè)波導(dǎo)寬度及負(fù)色散中間缺陷孔半徑來實(shí)現(xiàn)模式匹配及色散補(bǔ)償，對(duì)接位置對(duì)波導(dǎo)損耗至 關(guān)重要，既保證了慢光所需要的群時(shí)延，又保證了凈色散盡量小，同時(shí)獲得了高透過率。2、本發(fā)明提供的這種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用圖1所 示這種補(bǔ)償方案的慢光光子晶體波導(dǎo)，能實(shí)現(xiàn)群折射率達(dá)到50或更高，而色散能夠通過波 導(dǎo)寬度及單元波導(dǎo)長度調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中用到了兩類小孔，降低了工藝探 索難度。在兩個(gè)波導(dǎo)連接區(qū)域要進(jìn)行相位匹配，錯(cuò)開半個(gè)晶格孔半徑。


圖1是本發(fā)明提供的消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2 (a)是正色散慢光波導(dǎo)；圖2 (b)是負(fù)色散慢光波導(dǎo)；圖3 (a)是正色散波導(dǎo)能帶結(jié)構(gòu)；圖3 (b)是負(fù)色散波導(dǎo)能帶結(jié)構(gòu)；圖4 (a)是正色散波導(dǎo)TE模式第7子帶群折射率與頻率關(guān)系曲線；圖4 (b)是負(fù)色散波導(dǎo)TE模式第6子帶群折射率與頻率關(guān)系曲線；圖4 (c)是正色散波導(dǎo)TE模式第7子群速度色散與頻率關(guān)系曲線；圖4 (d)是負(fù)色散波導(dǎo)TE模式第6子群速度色散與頻率關(guān)系曲線；圖4 (e)是正負(fù)色散波導(dǎo)TE模式子帶群折射率與頻率關(guān)系曲線；圖4(f)是正負(fù)色散波導(dǎo)TE模式子群速度色散與頻率關(guān)系曲線，中間豎線為補(bǔ)償 頻率位置；圖5是進(jìn)行了色散補(bǔ)償?shù)穆獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)；圖6是進(jìn)行了色散補(bǔ)償?shù)穆獠▽?dǎo)中的光場傳輸；圖7是色散補(bǔ)償慢光波導(dǎo)中短脈沖的傳輸。
具體實(shí)施例方式為使本發(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(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。光子晶體由于其有很多奇異特性，在小尺寸光子集成中被人們所重視。慢光器件 在光存儲(chǔ)，光互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)交換中扮演很重要的角色，小尺寸高延遲是其基本要求。利用光子 晶體缺陷態(tài)實(shí)現(xiàn)慢光器件是重要途徑之一。其最簡單結(jié)構(gòu)就是線波導(dǎo)，但是其二階色散很 大，達(dá)到IO7 9pS/nm*km，是普通G. 652光纖的IO6 8倍，當(dāng)器件尺寸較小時(shí)，速度適中時(shí)影 響不大，但是對(duì)于慢光器件要實(shí)現(xiàn)長的時(shí)延，尺寸也需要大些，這樣累積色散會(huì)很嚴(yán)重，導(dǎo) 致光脈沖展寬，為此對(duì)器件色散提出了要求，一定要小于光通信色散容限。在設(shè)計(jì)慢光器件 中，一種途徑是使波導(dǎo)色散小，而這往往會(huì)犧牲群時(shí)延，另一種途徑是內(nèi)部進(jìn)行色散補(bǔ)償， 即用符號(hào)相反的兩種波導(dǎo)通過耦合設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提出了一種新型的具有色散補(bǔ)償功能的慢光光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括縱向 結(jié)構(gòu)及橫向結(jié)構(gòu)?？v向?yàn)橐环N空氣橋多層結(jié)構(gòu)，從頂層到底層依次為空氣/半導(dǎo)體材料(如 硅或磷化銦)/空氣層/襯底材料。給出縱向TE模式有效折射率在通信波段(1550納米附 近)為2. 9左右，如圖1所示。橫向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以此為基礎(chǔ)，采用三角晶格結(jié)構(gòu)如圖2所 示，分別正色散波導(dǎo)2 (a)和負(fù)色散波導(dǎo)2 (b)，周期均為P，半徑均為R。正色散波導(dǎo)通過去 掉一行孔形成，該波導(dǎo)通過能帶結(jié)構(gòu)即色散關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)其缺陷態(tài)具有慢光效應(yīng)。負(fù)色散 波導(dǎo)是在正色散波導(dǎo)的基礎(chǔ)上加上一行不同半徑的孔而形成，通過能帶結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)工 作模式態(tài)具有負(fù)色散效應(yīng)。該發(fā)明中，我們通過調(diào)整兩個(gè)波導(dǎo)寬度及對(duì)接位置來實(shí)現(xiàn)模式 匹配及色散補(bǔ)償，即保證慢光所需要的群時(shí)延又保證凈色散盡量小，同時(shí)還要考慮其透過 率。采用這種補(bǔ)償方案的慢光光子晶體波導(dǎo)能實(shí)現(xiàn)群折射率達(dá)到50或更高，而色散能夠通 過單元波導(dǎo)長度調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)匹配。本發(fā)明提出了一種基于光子晶體空氣橋結(jié)構(gòu)的具有內(nèi)部消色散功能慢光波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以光電子器件常用的多層薄膜結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在制作過程中無論是硅基還 是三五族半導(dǎo)體銦鎵砷磷體系，都能通過干法和濕法混合刻蝕形成如圖1這種有空氣夾層 的所謂空氣橋結(jié)構(gòu)。這里我們稱之為縱向結(jié)構(gòu)其實(shí)就是如圖1所示的空氣橋結(jié)構(gòu)。光子晶 體波導(dǎo)就設(shè)計(jì)在如圖1所示的從上向下數(shù)第二層之內(nèi)，為保證縱向單模條件，該層厚度取 250-300納米，三角晶格(如圖2)周期P取380-420納米，孔半徑R取0.31P，從而使其工 作于通信波段，即1550納米附近。正色散波導(dǎo)如圖2(a)所示，即為正常三角晶格中抽掉一行形成線缺陷，與此同時(shí) 可以通過調(diào)整波導(dǎo)寬度W(正常晶格中抽掉一行形成的波導(dǎo)寬度設(shè)為Wtl = 30. 5P)來實(shí)現(xiàn) 缺陷態(tài)位置調(diào)節(jié)。這里我們?nèi)〔▽?dǎo)寬度W為0.82W—負(fù)色散波導(dǎo)如圖2(b)所示，即在圖2(a)所示波導(dǎo)中間加上一行，此時(shí)波導(dǎo)寬度也 不是原來的0. 82ff0而改為0. 85W。，中間加上的一行小孔半徑為0. 85R。其它參數(shù)不變。利用超原胞及平面波展開法，我們得到兩種波導(dǎo)的色散關(guān)系如圖3所示。對(duì)于正 色散波導(dǎo)其色散關(guān)系如圖3(a)，將利用其TE模式第七子帶，該帶電場沿垂直波導(dǎo)方向?qū)?稱。該束縛模式為缺陷態(tài)，在光錐之外大波矢處有慢光效應(yīng)，而且其下帶邊具有正的色散效 應(yīng)，圖中橫黑直線所示。對(duì)于負(fù)色散波導(dǎo)，由于中間有一行小孔，其將對(duì)原缺陷態(tài)(第七子 帶)起作用，將其向上推移，第六子帶向上提升，形成具有慢光效應(yīng)的束縛態(tài)，而且在上帶邊具有負(fù)色散效應(yīng)。圖3中與黑直線相交的兩個(gè)帶即為波導(dǎo)工作區(qū)域，兩者均是慢光區(qū)，色 散符號(hào)相反。圖4(a)給出了正色散波導(dǎo)TE模式第7子帶群折射率與頻率關(guān)系曲線，(b)為負(fù)色 散波導(dǎo)TE模式第6子帶群折射率與頻率關(guān)系曲線，(c)為正色散波導(dǎo)TE模式第7子群速 度色散與頻率關(guān)系曲線，(d)為負(fù)色散波導(dǎo)TE模式第6子帶群速度色散與頻率關(guān)系曲線。 分別將(a)和(b), (c)和(d)繪到一個(gè)坐標(biāo)中，得到(e)正負(fù)色散波導(dǎo)TE模式子帶群折射 率與頻率關(guān)系曲線及(f)正負(fù)色散波導(dǎo)TE模式子群速度色散與頻率關(guān)系曲線。圖4(e)、 (f)所示歸一化頻率位置為0. 2785，在此處正負(fù)色散波導(dǎo)具有50以上的群折射率，在附近 優(yōu)化，群折射率可以更高，在此我們主要給出補(bǔ)償思路。在此歸一化頻率處正負(fù)色散波導(dǎo)的 群速度色散分別為75和-75s/m2，在等長度內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。根據(jù)以上分析，我們提出具有色散補(bǔ)償效應(yīng)的慢光光子晶體波導(dǎo)設(shè)計(jì)，如圖5所 示。當(dāng)工作波長設(shè)定為1550nm時(shí)，利用歸一化頻率0. 2785推出晶格周期為1550X0. 2785 =431. 7nm,晶格孔半徑為133. 8nm,正色散波導(dǎo)寬度為613nm ；負(fù)色散波導(dǎo)中間缺陷孔半徑 為113. 7，波導(dǎo)寬度為635. 5。在兩個(gè)波導(dǎo)直接對(duì)接時(shí)，如果距離不合適，損耗會(huì)很嚴(yán)重，通 過時(shí)域有限差分仿真，當(dāng)采用如圖5所示的耦合方式時(shí)，可以獲得較小的損耗，其中錯(cuò)開尺 寸為晶格孔半徑。圖6為進(jìn)行了色散補(bǔ)償?shù)穆獠▽?dǎo)中的光場傳輸圖，兩部分波導(dǎo)傳播模式不同， 但實(shí)現(xiàn)了很好的耦合。圖7為色散補(bǔ)償慢光波導(dǎo)中短脈沖的傳輸情況，三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)相互間 隔5微米，脈沖原始寬度取357微米(乘以l/(le+6Xc)可轉(zhuǎn)換為時(shí)間，其中c為真空光 速)，經(jīng)過正色散波導(dǎo)傳輸，脈沖展寬到365微米，然后經(jīng)過負(fù)色散波導(dǎo)，脈寬壓縮到350微 米。說明該慢光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了色散補(bǔ)償。由于時(shí)域有限差分精度所限，完美匹配條件不易獲 得，如果經(jīng)過大量優(yōu)化會(huì)得到更好結(jié)果。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)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，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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
一種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括縱向結(jié)構(gòu)及橫向結(jié)構(gòu)，其中，縱向結(jié)構(gòu)為一種空氣橋多層結(jié)構(gòu)，從頂層到底層依次為空氣層/半導(dǎo)體材料層/空氣層/襯底材料層；橫向結(jié)構(gòu)是一光子晶體波導(dǎo)，該光子晶體波導(dǎo)設(shè)計(jì)在縱向結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料層上，包括正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述橫向結(jié)構(gòu)中正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)的三角晶格周期均為P，孔半徑均為R，其中 三角晶格周期P取380 420納米，孔半徑R取0. 3IP。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述正色散波導(dǎo)通過去掉一行孔形成，該波導(dǎo)通過色散關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)其缺陷態(tài)具有慢 光效應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述負(fù)色散波導(dǎo)是在正色散波導(dǎo)去掉孔的那一行上加上一行不同半徑的孔而形成，通 過能帶結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)工作模式態(tài)具有負(fù)色散效應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述縱向結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料層采用硅或磷化銦，該層厚度取250 300納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)直接對(duì)接時(shí)，錯(cuò)開尺寸為晶格孔半徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括縱向結(jié)構(gòu)及橫向結(jié)構(gòu)，其中，縱向結(jié)構(gòu)為一種空氣橋多層結(jié)構(gòu)，從頂層到底層依次為空氣層/半導(dǎo)體材料層/空氣層/襯底材料層；橫向結(jié)構(gòu)是一光子晶體波導(dǎo)，該光子晶體波導(dǎo)設(shè)計(jì)在縱向結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料層上，包括正色散波導(dǎo)和負(fù)色散波導(dǎo)。本發(fā)明提供的這種消除群速度色散的慢光效應(yīng)光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整兩個(gè)波導(dǎo)寬度及負(fù)色散中間缺陷孔半徑來實(shí)現(xiàn)模式匹配及色散補(bǔ)償，對(duì)接位置對(duì)波導(dǎo)損耗至關(guān)重要，既保證了慢光所需要的群時(shí)延，又保證了凈色散盡量小，同時(shí)獲得了高透過率。
文檔編號(hào)G02B6/122GK101887144SQ20091008403
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者劉安金, 周文君, 張冶金, 邢名欣, 鄭婉華, 陳微 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所