一種大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體及其準(zhǔn)直度定量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，特別是涉及一種大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體及其準(zhǔn) 直度定量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著硅基集成電路特征尺寸的不斷減小，以銅互連為基礎(chǔ)的電互連技術(shù)由于功耗 大、信號(hào)延遲等因素越來(lái)越難滿足芯片間高密度的通信需求。光互連技術(shù)由于具備帶寬大、 功耗低、延遲短、無(wú)串?dāng)_和匹配及電磁兼容等優(yōu)勢(shì)，成為滿足高速計(jì)算和海量信息傳輸要求 的關(guān)鍵技術(shù)。硅基光電集成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光電集成，可大批量生產(chǎn)，同時(shí)具有低成本和高速 率的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為解決互連問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 絕緣體上的娃（Silicon-on-Insulator，SOI)是一種獨(dú)特的娃基材料體系，采用 這種材料制作光電子器件有利于兼容成熟的CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光電集成。但是，普 通的SOI光波導(dǎo)尺寸較大，相應(yīng)的器件很難實(shí)現(xiàn)高密度的集成芯片，于是，光子晶體的概念 應(yīng)運(yùn)而生。
[0004] 所謂光子晶體，指的是不同折射率的介質(zhì)波長(zhǎng)尺度周期性排列而成的人工微結(jié) 構(gòu)，具有光子帶隙（PBG)，光子局域，負(fù)折射，自準(zhǔn)直等特性。光子晶體基于這些特性可以對(duì) 光子的操縱，為將來(lái)的光電和光子集成芯片開辟了一條新的道路。
[0005] 光子晶體以材料的空間周期排列不同而分為1D、2D和3D光子晶體。產(chǎn)生完全光 子帶隙的3D光子晶體在制作上還有一定困難，因此，具有設(shè)計(jì)靈活、制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等 優(yōu)點(diǎn)的2D光子晶體是目前構(gòu)造光子晶體器件的最優(yōu)選擇。
[0006] 自準(zhǔn)直現(xiàn)象是光子晶體的重要特性，它使光束克服衍射發(fā)散效應(yīng)顯示出直線傳播 的特性，具有低成本、高集成度的工藝優(yōu)點(diǎn)?；谧詼?zhǔn)直現(xiàn)象的新型光子晶體器件被相繼研 發(fā)出來(lái)，如無(wú)通道波導(dǎo)、亞波長(zhǎng)成像等，然而傳統(tǒng)自準(zhǔn)直現(xiàn)象受入射角度限制，并且由于折 射率、模場(chǎng)及群速度失配等因素使光子晶體光耦合效率很低，這些因素限制了基于光子晶 體自準(zhǔn)直現(xiàn)象的器件在大規(guī)模集成光子芯片中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子 晶體及其準(zhǔn)直度定量方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中自準(zhǔn)直現(xiàn)象受入射角度限制、光子晶體光 耦合效率低等問(wèn)題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體，所 述大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體至少包括：
[0009] 矩形晶格結(jié)構(gòu)排列的光子晶體介質(zhì)柱，用于實(shí)現(xiàn)大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直傳輸；
[0010] 以及，介于所述光子晶體介質(zhì)柱及入射光束之間的抗反射層，所述抗反射層包括 單排周期性排列的抗反射介質(zhì)柱。
[0011] 優(yōu)選地，所述光子晶體介質(zhì)柱及所述抗反射介質(zhì)柱可以在半導(dǎo)體材料基板絕緣體 上硅上利用掩膜、電子束曝光、離子刻蝕、干法刻蝕、濕法腐蝕技術(shù)形成。
[0012] 優(yōu)選地，所述光子晶體介質(zhì)柱及所述抗反射介質(zhì)柱的材質(zhì)為硅，折射率為3. 5。
[0013] 優(yōu)選地，所述光子晶體介質(zhì)柱的半徑r= 0. 3a，晶格常數(shù)比值0 =b/a，其中，a、 b分別為光子晶體在x、y方向的晶格常數(shù)，即x、y方向上相鄰光子晶體介質(zhì)柱之間的間距。
[0014] 優(yōu)選地，所述光子晶體在x方向的晶格常數(shù)a設(shè)定為400nm。
[0015] 優(yōu)選地，所述晶格常數(shù)比值P不小于2. 3。
[0016] 優(yōu)選地，所述抗反射介質(zhì)柱的周期為b。
[0017] 優(yōu)選地，按所述入射光束的入射角度劃分區(qū)間優(yōu)化所述抗反射層與所述光子晶體 界面介質(zhì)柱的距離dml及所述抗反射介質(zhì)柱的半徑rml;使所述抗反射介質(zhì)柱的半徑rml =r，其中r為所述光子晶體介質(zhì)柱的半徑，掃描耦合效率與所述抗反射層與所述光子晶體界 面介質(zhì)柱的距離dml及所述入射光束的入射角度0間的關(guān)系，優(yōu)化所述抗反射層與所述 光子晶體界面介質(zhì)柱的距離dart;在此基礎(chǔ)上掃描耦合效率與所述抗反射介質(zhì)柱的半徑r 及所述入射光束的入射角度9間的關(guān)系，優(yōu)化所述抗反射介質(zhì)柱的半徑rml以提高所述入 射光束的耦合效率。
[0018] 優(yōu)選地，若所述入射光束的入射角度0介于0°?20°，則所述抗反射層與所述 光子晶體界面介質(zhì)柱的距離dari= 3. 28a，所述抗反射介質(zhì)柱的半徑rml= 0. 26a。
[0019] 優(yōu)選地，若所述入射光束的入射角度0介于20°?30°，則所述抗反射層與所述 光子晶體界面介質(zhì)柱的距離dari= 3. 44a，所述抗反射介質(zhì)柱的半徑rml= 0. 26a。
[0020] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明還提供上述大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體的 準(zhǔn)直度定量方法，所述準(zhǔn)直度定量方法至少包括：
[0021] 利用最小二乘法定義等頻線的直線因子，根據(jù)所述等頻線的直線因子確定所述晶 格常數(shù)比值0，通過(guò)調(diào)整所述晶格常數(shù)比值0來(lái)實(shí)現(xiàn)所述光子晶體的準(zhǔn)自準(zhǔn)直傳播。
[0022] 如上所述，本發(fā)明的大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體及其準(zhǔn)直度定量方法，具有以下有 益效果：
[0023] 本發(fā)明的大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體及其準(zhǔn)直度定量方法通過(guò)矩形晶格結(jié)構(gòu)排列 的光子晶體介質(zhì)柱實(shí)現(xiàn)大角度光束的準(zhǔn)自準(zhǔn)直傳播，又通過(guò)引入一排介質(zhì)柱實(shí)現(xiàn)入射光束 的高效率耦合，可降低制備工藝的復(fù)雜性。同時(shí)，提出基于最小二乘法的定量方法可以在數(shù) 學(xué)上描述光子晶體準(zhǔn)直度，為光子晶體在光電子器件中的實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1顯示為本發(fā)明的大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2?圖5顯示為本發(fā)明的大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體等頻線與晶格常數(shù)比值之間 的關(guān)系不意圖。
[0026] 圖6顯示為本發(fā)明的基于最小二乘法的直線度因子與晶格常數(shù)比值之間的關(guān)系 示意圖。
[0027] 圖7?圖9顯示為本發(fā)明的大角度準(zhǔn)自準(zhǔn)直光子晶體的模場(chǎng)圖。
[0028] 圖10顯示為耦合效率與所述抗反射層與所述光子晶體界面介質(zhì)柱的距離及所述 入射光束的入射角度間的關(guān)系示意圖。
[0029]圖11?圖12顯示為耦合效率與所述抗反射介質(zhì)柱的半徑及所述入射光束的入射 角度間的關(guān)系不意圖。
[0030] 圖13顯示為本發(fā)明的光子晶體及加入抗反射層后不同角度下的耦合效率關(guān)系示 意圖。
[0031] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0032] 1光子晶體介質(zhì)柱
[0033] 2抗反射介質(zhì)柱
[0034] 3空氣介質(zhì)
【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0036] 請(qǐng)參閱圖1?圖13。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組