專(zhuān)利名稱(chēng)：利用點(diǎn)缺陷間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器和光學(xué)反射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以被用作波分多路復(fù)用通信所用光源的光學(xué)共振器和光學(xué)反射器。
背景技術(shù)：
近來(lái)，光子晶體作為一種光學(xué)器件已經(jīng)引發(fā)關(guān)注。光子晶體是一種具有周期性折射率分布的光學(xué)功能材料，它具有關(guān)于光子能量的帶狀結(jié)構(gòu)。它的一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)不允許光傳播的能量區(qū)域(稱(chēng)為光子禁帶)。
光子晶體應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)例是光通信。目前的光通信使用波分多路復(fù)用器(WDM)代替通常被稱(chēng)為時(shí)分多路復(fù)用(TDM)的方法。波分多路復(fù)用作為一種通信方法，其中通過(guò)信號(hào)傳輸線傳送多波長(zhǎng)的光，每種波長(zhǎng)攜帶不同的信號(hào)。這種方法使每單位時(shí)間能夠傳送的信息量極大地增多。
波分多路復(fù)用需要關(guān)于每一種波長(zhǎng)的光源。當(dāng)前所用各種光源中間，一類(lèi)光源是使用半導(dǎo)體激光器，每個(gè)半導(dǎo)體激光器具有與每種光波長(zhǎng)相應(yīng)的不同振蕩波長(zhǎng)，另一類(lèi)光源使用與光多路分用器結(jié)合的白光源。但這些方法不可避免地會(huì)增大器件的尺寸，而且效率低下。
已經(jīng)知道光子晶體可以用作光學(xué)共振器。由于光學(xué)共振器能夠限制光，所以，適宜的發(fā)光裝置能夠被用作光源。把光學(xué)晶體用作光源將明顯地減小波分多路復(fù)用光通信設(shè)備的尺寸。
已經(jīng)對(duì)光學(xué)晶體，特別是各種二維光學(xué)晶體用作光學(xué)共振器進(jìn)行了研究(比如日本未審專(zhuān)利公開(kāi)No.2001-272555所述的那樣)。按照該文，造成光學(xué)晶體周期性方面混亂的點(diǎn)缺陷(point defect)和線缺陷(line defect)的引入造成光子禁帶內(nèi)的缺陷所引起的能級(jí)(缺陷能級(jí))。這就使得光只能出射與光子禁帶相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)與缺陷能級(jí)能量對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。所述線缺陷的作用像是波導(dǎo)，而點(diǎn)缺陷的作用像是光學(xué)共振器。當(dāng)白光內(nèi)所含的特定共振波長(zhǎng)的光線被引導(dǎo)通過(guò)波導(dǎo)進(jìn)入光學(xué)共振器時(shí)，光在光學(xué)共振器中共振，并從二維表面發(fā)射到外面。因而，可將二維光學(xué)晶體用作發(fā)射特定波長(zhǎng)光的光源。二維光學(xué)晶體的應(yīng)用并不限于光學(xué)共振器(或光源)，也可以考慮它對(duì)波長(zhǎng)多路復(fù)用器件/波分多路分用器件的應(yīng)用。
對(duì)于上述普通二維光子晶體而言，假設(shè)所述光學(xué)共振器對(duì)每種波長(zhǎng)只使用單一的點(diǎn)缺陷。然而，這種只包含單一點(diǎn)缺陷的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)使部分光能夠通過(guò)波導(dǎo)和光學(xué)共振器，以便在波導(dǎo)周?chē)艿椒瓷洌蛘咄ㄟ^(guò)波導(dǎo)而不進(jìn)入光學(xué)共振器(即穿過(guò)光學(xué)共振器)。因而，本文將反射的光稱(chēng)為“反射光”，而將透過(guò)的光稱(chēng)為“透射光”。反射光和透射光的存在，使光學(xué)共振器的發(fā)光的效率變差。具體地說(shuō)，發(fā)光率可能不會(huì)高過(guò)大約50％，所述發(fā)光率被定義為從光學(xué)共振器發(fā)射到外面的光量與引入波導(dǎo)中的白光中具有共振波長(zhǎng)的光組分的量之比。
提出本發(fā)明，用以解決這樣的問(wèn)題，它的目的在于提供一種具有較高發(fā)光效率的二維光子晶體的光學(xué)共振器。本發(fā)明還要論證可將同樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光學(xué)反射器。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明第一種形式利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，包括a)呈板狀的主體；b)多個(gè)具有與所述主體不同折射率的變折射率區(qū)域，它們以周期性的方式排布在所述主體中；c)由各變折射率區(qū)域的缺陷以線性方式在所述主體內(nèi)形成的一個(gè)波導(dǎo)；d)由兩個(gè)同一類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，它們位于波導(dǎo)附近，并沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之(2n-1)/4倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中n是正整數(shù)。
本發(fā)明第二種形式利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，包括
a)呈板狀的主體；b)多個(gè)具有與所述主體不同折射率的變折射率區(qū)域，它們以周期性的方式排布在所述主體中；c)通過(guò)以線性方式制造各變折射率區(qū)域的缺陷在主體內(nèi)形成的波導(dǎo)；d)由兩個(gè)同一類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，它們位于波導(dǎo)附近，并沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之n/2倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中n是正整數(shù)。
利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光反射器，包括a)呈板狀的主體；b)多個(gè)具有與所述主體不同折射率的變折射率區(qū)域，它們以周期性的方式排布在所述主體中；c)通過(guò)以線性方式制造各變折射率區(qū)域的缺陷在主體內(nèi)形成的波導(dǎo)；d)由兩個(gè)同一類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，它們位于波導(dǎo)附近，并沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之m/2倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中m是正整數(shù)。
利用上述光反射器可還以構(gòu)成組成第二種光學(xué)共振器中的點(diǎn)狀缺陷對(duì)的每個(gè)點(diǎn)狀缺陷。
按照本發(fā)明，一種厚度充分地小于沿平面方向尺寸的平面形的板被用作利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的主體。在這種主體內(nèi)，具有不同于主體折射率的變折射率區(qū)域是以周期性的方式排布的。這種變折射率區(qū)域的周期性排布產(chǎn)生光子禁帶，它不允許能量落入該光子禁帶區(qū)域內(nèi)的光存在。這意味著具有與這種能量相應(yīng)波長(zhǎng)的光不能通過(guò)所述主體。
變折射率區(qū)域的折射率可能高于或者低于主體的折射率。但從容易選擇材料的觀點(diǎn)看，可取的是由具有低折射率的材料制成所述變折射率區(qū)域，因?yàn)樗鲋黧w通常是用具有高折射率的材料制造的。
可以通過(guò)將具有低折射率的材料插入所述主體中，或者只是在所述主體中形成孔，而形成所述低折射率區(qū)域。在后一種情況下，空氣構(gòu)成所述變折射率區(qū)域。具體地說(shuō)，空氣是具有低折射率的材料。因此，形成孔有利于增大變折射率區(qū)域與主體之間的折射率差別。作為共振器或反射器，這給出較高的Q因子值。此外，形成孔要比插入不同材料容易。
下面的描述中將這樣的點(diǎn)稱(chēng)為晶格點(diǎn)，在這樣的點(diǎn)處，變折射率區(qū)域是按周期性方式排布的。晶格點(diǎn)可能排布成各種圖樣。典型的例子包括方形晶格圖樣或三角形晶格圖樣。
在具有上述周期性的光子晶體中，位于一定晶格點(diǎn)處的變折射率區(qū)域中形成的缺陷造成所述周期性的混亂。如果適當(dāng)?shù)卮_定缺陷的參數(shù)，則所述周期性方面的混亂引起光子禁帶內(nèi)的缺陷能級(jí)，它們產(chǎn)生允許主體內(nèi)的光存在的點(diǎn)，在所述主體內(nèi)基本上不允許光出射。這就被稱(chēng)為點(diǎn)缺陷。沿著一條線造成的點(diǎn)缺陷在主體內(nèi)形成波導(dǎo)，光可以通過(guò)它。這被稱(chēng)為線缺陷。線缺陷可以使得形成彎線或曲線以及直線。一條線缺陷可以包含單獨(dú)一排晶格點(diǎn)或者一側(cè)接一側(cè)的多排晶格點(diǎn)。
在由多個(gè)孔形成變折射率區(qū)的情況下，在晶格點(diǎn)處最容易形成缺陷的方法是用主體的材料填充晶格點(diǎn)處的孔，也就是說(shuō)，省去在晶格點(diǎn)處鉆孔。作為選擇，增大孔的直徑制成孔形缺陷。通過(guò)不在晶格點(diǎn)處鉆孔而形成的缺陷被稱(chēng)為施主型缺陷，而通過(guò)增大孔的直徑形成缺陷稱(chēng)為受主型缺陷。
下面描述施主型缺陷和受主型缺陷。這種說(shuō)明要涉及折射率，因?yàn)楸景l(fā)明涉及的光包含紅外線和紫外線。但就一般而言，利用介電常數(shù)的周期性差異造成光子晶體。因此，為了造成缺陷，應(yīng)該改變?cè)谒鲋黧w內(nèi)周期性排布的各變折射率區(qū)(或晶格點(diǎn))之一的介電常數(shù)。介電常數(shù)高于其它各點(diǎn)的晶格點(diǎn)被稱(chēng)為施主型缺陷，而低于其它各點(diǎn)之介電常數(shù)的晶格點(diǎn)被稱(chēng)為受主型缺陷。有如前面所描述的那樣，當(dāng)在由一定材料制成的主體內(nèi)排布各孔而不在一定的晶格點(diǎn)處鉆孔(或者以主體的材料填充孔)，以造成缺陷時(shí)，所述點(diǎn)處的介電常數(shù)比空氣的高，以致所述的點(diǎn)成為施主型缺陷。相反，增大晶格點(diǎn)處孔的直徑將使所述點(diǎn)處的介電常數(shù)減小，并且該點(diǎn)將成為受主型缺陷。
按照本發(fā)明，具有同樣形狀和大小的兩點(diǎn)型缺陷排列在波導(dǎo)附近，并且它們沿著波導(dǎo)的導(dǎo)引方向彼此間隔一段距離L。這種由兩點(diǎn)型缺陷構(gòu)成的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為點(diǎn)型缺陷對(duì)。這里的“波導(dǎo)附近”意味著這樣的區(qū)域，即所述兩點(diǎn)型缺陷與波導(dǎo)有某種明顯的相互作用。從對(duì)稱(chēng)的觀點(diǎn)，雖然兩點(diǎn)型缺陷與波導(dǎo)的距離應(yīng)該是相同的，但可以允許它們略有不同。所述各個(gè)點(diǎn)型缺陷包括單獨(dú)一個(gè)晶格點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)缺陷和多個(gè)彼此相鄰的晶格點(diǎn)構(gòu)成的簇缺陷(cluster defect)。點(diǎn)型缺陷可以是受主型缺陷或施主型缺陷。
確定每個(gè)點(diǎn)型缺陷(以及在簇缺陷情況下構(gòu)成該簇缺陷之各點(diǎn)缺陷的排列)的尺寸，使共振波長(zhǎng)等于目標(biāo)共振波長(zhǎng)；在所述共振波長(zhǎng)下，由兩點(diǎn)型缺陷(以及位于其附近的波導(dǎo))構(gòu)成的共振器應(yīng)該共振。
迄今所述的結(jié)構(gòu)對(duì)于本發(fā)明光學(xué)共振器的第一和第二兩種形式基本上是共用的。為什么這里使用“基本上”一詞的理由在于，有如后面有述的那樣，按照第二種形式，可以用彼此間隔一段距離L′(L＞L′)兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷(或點(diǎn)狀缺陷對(duì))代替每一個(gè)點(diǎn)狀缺陷。
按照第一種形式，兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷之間的距離L是目標(biāo)共振波長(zhǎng)λ的(2n-1)/4倍那樣長(zhǎng)，這里的n是正整數(shù)。也就是說(shuō)，它等于目標(biāo)共振波長(zhǎng)的四分之一乘以一個(gè)奇數(shù)整數(shù)。換句話說(shuō)，所述距離等于把四分之一波長(zhǎng)與一個(gè)整數(shù)相乘后的目標(biāo)波長(zhǎng)相加，或者從與一個(gè)整數(shù)相乘后的目標(biāo)波長(zhǎng)減去四分之一波長(zhǎng)所得到的值。這里的λ是穿過(guò)所述主體的光的波長(zhǎng)，它與主體的折射率有關(guān)。
設(shè)定λ＝(2n-1)/4的理由如下。為了說(shuō)明的方便，將透過(guò)波導(dǎo)的光首先遇到的點(diǎn)狀缺陷稱(chēng)為“缺陷1”，而把其它的點(diǎn)狀缺陷稱(chēng)為“缺陷2”。當(dāng)按這種方式確定距離L時(shí)，在缺陷1處反射的光與在缺陷2處反射的光之間的光程差是2L＝(2n-1)λ/2，也即半波長(zhǎng)乘以一個(gè)奇數(shù)，使兩條反射光線互相干涉并抵銷(xiāo)。于是，反射光以及透射光同時(shí)受到抑制，波導(dǎo)內(nèi)出射的光有效地進(jìn)入共振器，因而被留住。
每個(gè)點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的距離并不影響光程差。為了抑制反射光和透射光，所需要的是設(shè)計(jì)點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的距離，使得表示波導(dǎo)與每個(gè)點(diǎn)狀缺陷之間Q因子的Qp以及表示每個(gè)缺陷與外面之間Q因子的Qv彼此接近，或者最好是彼此相等。
按照第二種形式，兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷之間的距離L是目標(biāo)共振波長(zhǎng)λ的n/2倍那樣長(zhǎng)，這里的n是正整數(shù)。也就是說(shuō)，距離L等于目標(biāo)共振波長(zhǎng)之半乘以一個(gè)整數(shù)。當(dāng)按這種方式確定距離L時(shí)，在缺陷1和缺陷2處反射的光線在兩個(gè)缺陷之間形成駐波并共振。也就是說(shuō)，按照第二種方式，位于兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷之間的波導(dǎo)起共振器的作用。以下將這種共振器方式被稱(chēng)為波導(dǎo)光學(xué)共振器。
在這種波導(dǎo)光學(xué)共振器中，可以從波導(dǎo)或者沿與二維表面垂直的方向發(fā)出共振光。可以按照用戶(hù)的目的或條件從這兩種方式選擇發(fā)出光的方法。
可以通過(guò)在波導(dǎo)中包含激光介質(zhì)使波導(dǎo)方式的共振器構(gòu)成激光光源。
按照第二種形式，利用點(diǎn)狀缺陷反射光。點(diǎn)狀缺陷只反射與缺陷能級(jí)相應(yīng)的特定波長(zhǎng)的光。因此，這種共振器只允許單一波長(zhǎng)的光共振，而不受高次諧波的影響。為了增強(qiáng)在各點(diǎn)狀缺陷處的反射，可以考慮第二種形式，以使Qv適當(dāng)?shù)卮笥赒p。
如上所述，可將第二種形式的光學(xué)共振器用作光學(xué)反射器。當(dāng)把注意力放在波導(dǎo)中行波的行程入口一側(cè)時(shí)，從缺陷1反射的光與從缺陷2反射的光之間的光程差2L等于波長(zhǎng)乘以整數(shù)，使兩條反射光線彼此增強(qiáng)。這意味著光在波導(dǎo)的進(jìn)口側(cè)受到有效的反射。這就使所述光學(xué)反射器被用作反射特定波長(zhǎng)光的光學(xué)濾波器，而不使它通過(guò)。
在上述光學(xué)反射器中，可將另一組兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷(或點(diǎn)狀缺陷對(duì))加到波導(dǎo)的相對(duì)側(cè)。在這種情況下，沿波導(dǎo)寬度方向的距離可能略有不同，但縱向位置必須相同。在這種情況下，四個(gè)點(diǎn)狀缺陷作為一組，構(gòu)成光學(xué)反射器。這種結(jié)構(gòu)比使用兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷作為一組的光學(xué)反射器給出更高的光反射效率。
使用上述光學(xué)反射器將加強(qiáng)第二種反射光學(xué)共振器中的共振。在第二種形式下，上述兩個(gè)或四個(gè)點(diǎn)狀缺陷組分別排布在缺陷1和缺陷2的位置。兩個(gè)或四個(gè)點(diǎn)狀缺陷組比單獨(dú)一個(gè)點(diǎn)狀缺陷更有效地反射光，以致第二種形式的光學(xué)共振器中發(fā)生的共振得到加強(qiáng)，并且發(fā)光效率也得到提高。
在本發(fā)明采用點(diǎn)缺陷之間干涉的第一種方式二維光子晶體光學(xué)共振器中，使引起普通類(lèi)型使用點(diǎn)缺陷之二維光子晶體光學(xué)共振器的發(fā)光效率變差的反射光和透射光得到抑制。這導(dǎo)致從點(diǎn)狀缺陷發(fā)射到外面的光強(qiáng)增強(qiáng)，并提高發(fā)光效率。
在本發(fā)明采用點(diǎn)缺陷之間干涉的第二種方式二維光子晶體光學(xué)共振器中，各點(diǎn)狀缺陷處反射的光肯定被用于在兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷之間的波導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生光的共振。這是一種新型的光學(xué)共振器，與普通二維光子晶體光學(xué)共振器不同，在普通的二維光子晶體光學(xué)共振器中，各點(diǎn)狀缺陷本身起光學(xué)共振器的作用。
此外，按照本發(fā)明第二種方式，可將利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的結(jié)構(gòu)用作光學(xué)反射器。這使得能夠構(gòu)成一種濾波器，阻礙從一端傳送的光內(nèi)所含特定波長(zhǎng)的光，并反射所述的光。


圖1表示本發(fā)明利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的實(shí)例，其中將受主型點(diǎn)缺陷用作所述點(diǎn)狀缺陷；圖2表示本發(fā)明利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的實(shí)例，其中將施主型點(diǎn)缺陷用作所述點(diǎn)狀缺陷；圖3表示第一種方式共振器的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的光輸出效率；圖4表示普通類(lèi)型的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的光輸出效率；圖5以示意方式表示利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器結(jié)構(gòu)的實(shí)例；圖6表示利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器的反射率；圖7以示意方式表示利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器結(jié)構(gòu)的實(shí)例；圖8(a)，8(b)和8(c)以示意方式表示利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器結(jié)構(gòu)的其它實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
(1)第一種方式的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖1和2表示本發(fā)明利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器結(jié)構(gòu)的實(shí)例。圖1和2中所示板形物體是板(主體)11。當(dāng)考慮將1.5μm波帶的紅外光用于光通信時(shí)，可用InGaAsP制成所述板11，它對(duì)于該波帶是透明的。
在這種板11上，按周期a排布著多個(gè)孔12。這些孔12是變折射率區(qū)域，從而形成光子禁帶。圖1和2表示一種實(shí)例，其中將各孔12排布成三角形晶格圖樣。也可以采用其它周期性排列圖樣，比如方形晶格圖樣。
前述日本未審專(zhuān)利公開(kāi)No.2001-272555教導(dǎo)上述波帶對(duì)應(yīng)于0.27c/a至0.28c/a的頻率范圍，其中c是光速，或者對(duì)應(yīng)于a/0.28至a/0.27的波長(zhǎng)范圍。因此，為了在光子禁帶內(nèi)形成與波長(zhǎng)λ對(duì)應(yīng)的缺陷能級(jí)，以產(chǎn)生波長(zhǎng)為λ的光的共振，必須選擇周期a在0.27λ至0.28λ范圍。對(duì)于波長(zhǎng)為1.5μm的紅外光而言，譬如周期a約為0.41μm至0.42μm。
通過(guò)設(shè)置不鉆孔的線性區(qū)域而形成波導(dǎo)13。
在圖1所示的實(shí)例中，兩個(gè)受主型點(diǎn)缺陷14具有相同的形狀和尺寸，沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔距離L＝(2n-1)/4。通過(guò)增大孔12的半徑形成受主型點(diǎn)缺陷14。在圖2所示的實(shí)例中，通過(guò)不鉆兩個(gè)或多個(gè)位置相鄰的孔12形成兩個(gè)施主型簇缺陷15。在圖2所示的實(shí)例中，施主型簇缺陷成三角形。另外，可取其它各種形式，如成四個(gè)或多個(gè)缺陷構(gòu)成的直線形狀。
(2)第一種方式的發(fā)光效率以下描述對(duì)于采用圖1所示受主型點(diǎn)缺陷情況下的發(fā)光效率研究結(jié)果。第一步，確定晶格點(diǎn)的周期a和前述距離L。當(dāng)使多個(gè)孔有如圖1所示那樣排布時(shí)，使兩個(gè)受主型點(diǎn)缺陷中的每一個(gè)位于一個(gè)晶格點(diǎn)處，以使L等于周期a乘以一個(gè)整數(shù)，即L＝ma，其中m為整數(shù)。由這個(gè)公式以及前述的條件L＝(2n-1)λ/4，得到公式a＝λ(2n-1)/4m。然后，在用于在前述光子禁帶內(nèi)形成與波長(zhǎng)λ相應(yīng)之缺陷能級(jí)的0.27λ＜a＜0.28λ條件下，通過(guò)適當(dāng)選擇整數(shù)m和n，可以確定a和L。
在本例中，以a＝0.410μm和L＝16.0μm(n＝26，m＝39)計(jì)算發(fā)光效率；這一設(shè)定滿(mǎn)足上述當(dāng)λ＝1.255μm時(shí)的條件，這等價(jià)于空氣中λ＝1.5μm的波長(zhǎng)。按照上述從波導(dǎo)來(lái)的特定波長(zhǎng)光的強(qiáng)度為1的假設(shè)，計(jì)算從缺陷1發(fā)射的光的強(qiáng)度，從缺陷2發(fā)射的光的強(qiáng)度，從缺陷1和缺陷2反射的光的強(qiáng)度，以及通過(guò)缺陷1和缺陷2的光的強(qiáng)度。分別對(duì)Qp＝Qv和Qp＜Qv實(shí)現(xiàn)計(jì)算，其中，Qp是波導(dǎo)與每個(gè)缺陷之間的Q因子，而Qv是每個(gè)缺陷與外面之間的Q因子。結(jié)果被示于圖3中。它表明當(dāng)Qp＝Qv時(shí)，有接近引入光的70％按λ＝1.5μm從缺陷1被發(fā)射(或發(fā)出)到外面。
作為比較，圖4表示普通類(lèi)型的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器的光輸出效率。圖4中的橫軸表示用中心角頻率ω0除光的角頻率ω。該圖表明，在普通情況下，最大的光輸出效率約為50％。將這個(gè)值與前述的百分?jǐn)?shù)相比表明，本發(fā)明的共振器提高了光的輸出效率。(3)利用點(diǎn)缺陷間干涉之二維光子晶體光學(xué)共振器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例圖5表示按照本發(fā)明第二種方式波導(dǎo)光學(xué)共振器結(jié)構(gòu)的一種實(shí)例。該例中，兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷位于波導(dǎo)的一側(cè)，彼此沿與波導(dǎo)平行的方向間隔開(kāi)距離L＝nλ/2。有如粗箭頭所示者，波導(dǎo)內(nèi)的光受到兩個(gè)點(diǎn)狀缺陷的反射，并被限制于它們之間的波導(dǎo)內(nèi)。為了提高這種限制的效果，考慮使Qv或向外方向的每個(gè)點(diǎn)狀缺陷處的Q因子盡可能地大，并使Qp或與波導(dǎo)平行方向上的Q因子盡可能地小。以下的部分研究各種情況。
(4)利用點(diǎn)缺陷間干涉之二維光子晶體光學(xué)反射器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例圖7以示意方式表示利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器結(jié)構(gòu)的一種實(shí)例。將此圖與圖5相比較清楚地表明，這種光學(xué)反射器與圖5所示的波導(dǎo)光學(xué)共振器結(jié)構(gòu)相同。有如前面所說(shuō)的那樣，點(diǎn)狀缺陷對(duì)固有地滿(mǎn)足共振條件，同時(shí)，對(duì)從外面來(lái)到這點(diǎn)的光滿(mǎn)足反射條件。因此，有如圖7中粗箭頭所表示的那樣，滿(mǎn)足波長(zhǎng)λ＝2L/m的光受到所述點(diǎn)狀缺陷對(duì)的反射，而不能進(jìn)一步傳送。
圖8(a)，8(b)和8(c)表示上述波導(dǎo)光學(xué)共振器和光學(xué)反射器結(jié)構(gòu)的其它實(shí)例。在圖8(a)所示的例子中，施主型簇缺陷被用作所述點(diǎn)狀缺陷。在圖8(b)所示的例子中，點(diǎn)狀缺陷對(duì)位于波導(dǎo)的兩側(cè)。在圖8(c)所示的例子中，點(diǎn)狀缺陷對(duì)位于波導(dǎo)的兩側(cè)，并且每個(gè)點(diǎn)狀缺陷對(duì)也是由一個(gè)點(diǎn)狀缺陷對(duì)構(gòu)成的。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)而言，有如圖6所示那樣計(jì)算所述反射率。這表明具有圖8(c)所示四個(gè)缺陷的結(jié)構(gòu)比圖5所示每個(gè)點(diǎn)狀缺陷由一個(gè)單獨(dú)點(diǎn)缺陷給出的結(jié)構(gòu)給出尤好的反射率。
權(quán)利要求
1.一種利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，它包括a)呈板狀的主體；b)多個(gè)具有與所述主體不同折射率的變折射率區(qū)域，它們以周期性的方式排布在所述主體中；c)由各變折射率區(qū)域的缺陷以線性方式在所述主體內(nèi)形成的波導(dǎo)；d)由兩個(gè)同一類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，它們位于波導(dǎo)附近，并沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之(2n-1)/4倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中n是正整數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，所述點(diǎn)狀缺陷對(duì)的每個(gè)缺陷是包含兩個(gè)或多個(gè)彼此相鄰缺陷的簇缺陷。
3.一種利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，它包括a)呈板狀的主體；b)多個(gè)具有與所述主體不同折射率的變折射率區(qū)域，它們以周期性的方式排布在所述主體中；c)由以線性方式制造各變折射率區(qū)域的缺陷在主體內(nèi)形成的波導(dǎo)；d)由兩個(gè)同一類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，它們位于波導(dǎo)附近，并沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之n/2倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中n是正整數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，所述點(diǎn)狀缺陷對(duì)的每個(gè)缺陷是包含兩個(gè)或多個(gè)彼此相鄰缺陷的簇缺陷。
5.如權(quán)利要求3所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，由點(diǎn)狀缺陷對(duì)構(gòu)成的每個(gè)缺陷是一個(gè)由兩個(gè)同樣類(lèi)型點(diǎn)缺陷構(gòu)成的光學(xué)反射器，所述兩個(gè)點(diǎn)缺陷沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之m/2倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中m是正整數(shù)，且n＞m。
6.如權(quán)利要求5所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，另一個(gè)光學(xué)反射器跨越波導(dǎo)并沿波導(dǎo)寬度方向位于與前述光學(xué)反射器相對(duì)的位置。
7.如權(quán)利要求5或6所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，所述構(gòu)成光學(xué)反射器的點(diǎn)狀缺陷是簇缺陷。
8.如權(quán)利要求3至7任一項(xiàng)所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，所述波導(dǎo)內(nèi)包含激光介質(zhì)。
9.如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，構(gòu)成點(diǎn)狀缺陷對(duì)的每個(gè)缺陷位于離波導(dǎo)相同距離的位置。
10.如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)共振器，其特征在于，由在主體內(nèi)鉆的多個(gè)孔構(gòu)成所述變折射率區(qū)域。
11.一種利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器，其特征在于，它包括a)呈板狀的主體；b)多個(gè)具有與所述主體不同折射率的變折射率區(qū)域，它們以周期性的方式排布在所述主體中；c)通過(guò)以線性方式制造各變折射率區(qū)域的缺陷在主體內(nèi)形成的波導(dǎo)；d)由兩個(gè)同一類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，它們位于波導(dǎo)附近，并沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向彼此間隔開(kāi)有如所關(guān)注的共振波長(zhǎng)之m/2倍那樣長(zhǎng)的一段距離，其中m是正整數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器，其特征在于，所述反射器包括另一個(gè)相同類(lèi)型的點(diǎn)狀缺陷對(duì)，跨越波導(dǎo)并沿波導(dǎo)寬度方向位于與前述點(diǎn)狀缺陷對(duì)相對(duì)的位置。
13.如權(quán)利要求11或12所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器，其特征在于，構(gòu)成點(diǎn)狀缺陷對(duì)的每個(gè)缺陷位于離波導(dǎo)相同距離處。
14.如權(quán)利要求11至13任一項(xiàng)所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器，其特征在于，由在主體內(nèi)鉆的多個(gè)孔構(gòu)成所述變折射率區(qū)域。
15.如權(quán)利要求11至14任一項(xiàng)所述的利用點(diǎn)缺陷之間干涉的二維光子晶體光學(xué)反射器，其特征在于，所述點(diǎn)狀缺陷對(duì)的每一個(gè)缺陷是由兩個(gè)或多個(gè)彼此相鄰的缺陷構(gòu)成的簇缺陷。
全文摘要
一種具有高發(fā)光效率的二維光子晶體光學(xué)共振器和光學(xué)反射器；結(jié)構(gòu)如下。一種二維光子晶體包括呈板狀的主體(11)，由多個(gè)具有與主體(11)不同折射率的周期性排布的區(qū)域(或孔)(12)形成所述主體。通過(guò)提供不鉆孔(12)的線性區(qū)域形成波導(dǎo)(13)。通過(guò)沿波導(dǎo)的縱長(zhǎng)方向加長(zhǎng)兩個(gè)孔(12)彼此間隔的距離L形成兩個(gè)受主型點(diǎn)缺陷(14)。在這種結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)選擇距離L抑制在點(diǎn)缺陷(14)處光的反射和傳輸，同時(shí)允許在點(diǎn)缺陷(14)處共振的光有效地發(fā)出。適當(dāng)選擇距離L將增大在點(diǎn)缺陷(14)處光的反射率。這使主體(11)可被用作光學(xué)共振器，在兩個(gè)點(diǎn)缺陷(14)之間產(chǎn)生光的共振，或者用作反射器，在兩個(gè)點(diǎn)缺陷(14)處反射光。
文檔編號(hào)H01S3/06GK1643415SQ0380674
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者野田進(jìn), 淺野卓 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)