CN100354667C - 一种基于混合集成的光子晶体滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于混合集成的光子晶体滤波器，其功能是在红外和可见光波段中阻止某个或多个波长信号，而让其余信号通过器件，包括：一基底；一下包层，该下包层制作在基底上；一下条形波导，该下条形波导制作在下包层上，其折射率大于下包层折射率；上波导，该上波导制作在下条形波导的上面，其宽度应小于或等于下条形波导的宽度，其折射率与下条形波导相同或不同，但应大于下包层折射率；该上波导分为两个部分，其相对的内侧端为楔形结构，中间露出下条形波导，在露出的下条形波导的部分制备光子晶体。

Description

一种基于混合集成的光子晶体滤波器

技术领域：

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种基于介质波导与光子晶体混合集成的滤波器。

背景技术：

上个世纪八十年末，Yablonovitch在控制材料的辐射特性方面[1]、John在光子的局域化方面[2]都做出了开创性的工作，几乎同时提出了光子晶体的概念。光子晶体是用不同介电常数的物质重复排列而成的大周期结构[3]，在其光波频率(ω)与倒易空间(k)的色散谱中，有可能出现惯穿整个谱图的能隙，称之为光子禁带。出现光子禁带的可能性与周期结构的介电常数差成正比，并且光子晶体拒绝那些能量在其禁带内的光子进入，或将这些光子局限在该晶体的缺陷中。这种限制完全不同于光波导全内反射的机理，倒是与半导体晶格周期性对电子产生束缚相类似，其色散谱中的光子禁带则是对应着半导体能带理论中的电子禁带。随着光子晶体的发展，使得在微小区域内实现光波回路集成有望成为可能，这大大激发了人们的兴趣，不断将光子晶体的禁带从微波波段向红外逼近，以寻求其在全光通信网和光计算中的应用。

光子晶体在全光通信网和光计算中的一个重要应用，就是平面光波回路，即光子集成。已有文章报道光子晶体波导和器件[4-6]，但其插入损耗巨大，约在15dB/mm以上，而较为成熟的平板条形介质波导的插入损耗仅有0.5dB/cm，显而易见，前者要大出后者300多倍。因此，我们认为用介质波导作为光波传输，用光子晶体在局部实现特殊功能，以此进行混合集成的器件，则是未来的一个重要的发展方向。为此，我们申报基于该混合集成的滤波器专利。

发明内容：

本发明的目的之一是提供一种由平板条形介质波导和光子晶体混合集成型的滤波器。其功能是在红外和可见光波段中阻止某个或多个波长信号，而让其余信号通过器件。该器件包括光波传输、滤波和模场耦合三个部分。

本发明的目的之二是通过平板条形介质波导来实现光信号的传输。平板条形介质波导是较为成熟的技术，它具有插入损耗小、与外接光纤模场匹配良好等特性，因此，可以使光子晶体器件与外界形成较好的光波耦合渠道。

本发明一种基于混合集成的光子晶体滤波器，其功能是在红外和可见光波段中阻止某个或多个波长信号，而让其余信号通过器件，其特征在于，包括：

一基底；

一下包层，该下包层制作在基底上；

一下条形波导，该下条形波导制作在下包层上，其折射率大于下包层折射率；

一上波导，该上波导制作在下条形波导的上面，其宽度应小于或等于下条形波导的宽度，其折射率与下条形波导相同或不同，但应大于下包层折射率；

该上波导分为两个部分，其相对的内侧端为楔形结构，中间露出下条形波导，在露出的下条形波导的部分制备有光子晶体。

其中还包括一上包层，该上包层制作在滤波器的上面，该上包层的折射率小于下条形波导、上波导的折射率。

其中该光子晶体的周期是在波导平面上重复，而在垂直波导的方向上则是均匀无周期的，且贯穿下条形波导的厚度。

其中该周期结构是一维之时，光子晶体就是垂直波导的竖片；该周期结构是二维之时，光子晶体就是垂直波导的竖条，该竖条是圆洞或圆柱或是方洞或方柱。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为滤波器的功能示意图。

图2是混合集成型光子晶体滤波器的立体示意图。

图3是条形介质波导制备的工艺流程截面图，A、B、C为三个工艺过程。

具体实施方式：

请参阅图1，图1为一滤波器框图，其功能是阻止某一、或某几个波长信号，而让其余信号通过器件。

请参阅图2，图2为本发明一种基于混合集成的光子晶体滤波器的立体图，包括：

一基底1；

一下包层2，该下包层2制作在基底1上；

一下条形波导3，该下条形波导3制作在下包层2上，其折射率大于下包层2折射率；

一上波导4，该上波导4制作在下条形波导3的上面，其宽度应小于或等于下条形波导3的宽度，其折射率与下条形波导3相同或不同，但应大于下包层2折射率；

该上波导4分为两个部分，其相对的内侧端为楔形结构5，中间露出下条形波导3，在露出的下条形波导3的部分制备有光子晶体6；其中该光子晶体6的周期是在波导平面上重复，而在垂直波导的方向上则是均匀无周期的，且贯穿下条形波导3的厚度。该周期结构是一维之时，光子晶体6就是垂直波导的竖片；该周期结构是二维之时，光子晶体6就是垂直波导的竖条，该竖条是圆洞或圆柱或是方洞或方柱，或是其它任意形状的洞或柱。。

其中还包括一上包层7，该上包层7制作在滤波器的上面，该上包层7的折射率小于下条形波导3、上波导4的折射率。

本发明的制备过程

1、条形介质波导制备

选择一个基底1，在该基底1上制备一下包层2，在该下包层2上制备一下波导层8，在该下波导层8上制备一上波导层9，参见图3A。下波导层8的折射率可以等于上波导层9的折射率，也可以不等，但下波导层8和上波导层9的折射率都应大于下包层2的折射率。通过分步刻蚀技术，将它们制备成横截面为脊形或矩形的条形介质波导，参见图3B。刻蚀后的波导表面可以直接与空气接触、也可以被覆盖一上包层7，且其折射率应小于芯层折射率，见图3C。

2、光子晶体制备

在上述的分步刻蚀中，选择局部区域将上波导4去除，在该局部区域的下条形波导3中通过预先设计、电子束曝光、和诱导耦合型离子刻蚀技术刻蚀出折射率光子晶体6。光子晶体6的周期是在波导平面上重复，而在垂直波导的方向上则是均匀无周期的，并贯穿下条形波导3的厚度。如果该周期结构是一维的，光子晶体6就是垂直波导的竖片；如果该周期结构是二维的，光子晶体6就是垂直波导的竖条。该竖条可以是圆洞或圆柱，可以是方洞或方柱，也可以是其它任意形状的洞或柱。

3、模场耦合制备

通过掩膜和刻蚀技术将上波导4分为两部分，且相隔一定距离，其相互对应端为楔形结构端5，参见图2。在光子晶体输入端，上波导4通过俯视楔形终止其继续延伸；而在光子晶体输出端，上波导4通过俯视楔形又重新开始了其传输光波的功能。在此过程中，下条形波导3不变，与光子晶体相连。

原理说明：

1、条形介质波导

根据Snell折射定律，入射角、折射角、和折射率有下列关系：

n_入●Sinθ_入＝n_折●Sinθ_折    (1)

当n_入≤n_折时，θ_入≥θ_折；当n_入≥n_折时，θ_入≤θ_折。对后一种情况，θ_折有可能等于90度，也就是说发生了全反射。平板条形介质波导就是依靠光从光密介质射向光疏介质时所产生的全反射来束缚光波的，所以波导的折射率必须大于其上下包层、以及侧壁的折射率。

2、光子晶体

光子晶体是一种以折射率周期变化的人工结构材料，通过这种周期变化，在光子晶体的色散谱上可以形成光子禁带，当光子的能量或波长落入光子禁带的范围内，该光子则无法进入或通过光子晶体。本专利正是利用光子晶体的这一特性，将一维或二维光子晶体制备在平板条形波导中，利用该禁带来阻挡某个或多个波长的光信号，而非禁带则为导通波段，从而达到滤波作用。

3、模场耦合

本专利中的模场耦合是通过楔形结构对大失配模场进行转换和连接，而楔形结构又是制备在由多条相互重叠的波导上。由于两条平行的波导之间具有横向耦合效应，在无外界干扰下，平行波导的光波能量可以相互传递，那么重叠在一起的两条或多条波导中的光波就更容易进行横向耦合。本专利就是运用了平行波导之间的横向耦合原理，对重叠在一起的两条或多条波导中的一条制备成两个相对的楔形。在一个楔形端，将该条形波导中的模场能量耦合到其它条形波导中去；而在另一个楔形端，又将其它条形波导中的部分模场能量耦合回该条形波导中。

Claims (4)

1、一种基于混合集成的光子晶体滤波器，其功能是在红外和可见光波段中阻止某个或多个波长信号，而让其余信号通过器件，其特征在于，包括：

一基底；

一下包层，该下包层制作在基底上；

一下条形波导，该下条形波导制作在下包层上，其折射率大于下包层折射率；

一上波导，该上波导制作在下条形波导的上面，其宽度应小于或等于下条形波导的宽度，其折射率与下条形波导相同或不同，但应大于下包层折射率；

该上波导分为两个部分，其相对的内侧端为楔形结构，中间露出下条形波导，在露出的下条形波导的部分制备有光子晶体。

2、根据权利要求1所述的基于混合集成的光子晶体滤波器，其特征在于，其中还包括一上包层，该上包层制作在滤波器的上面，该上包层的折射率小于下条形波导、上波导的折射率。

3、根据权利要求1所述的基于混合集成的光子晶体滤波器，其特征在于，其中该光子晶体的周期是在波导平面上重复，而在垂直波导的方向上则是均匀无周期的，且贯穿下条形波导的厚度。

4、根据权利要求1或3所述的基于混合集成的光子晶体滤波器，其特征在于，其中该周期结构是一维之时，光子晶体就是垂直波导的竖片；该周期结构是二维之时，光子晶体就是垂直波导的竖条，该竖条是圆洞或圆柱或是方洞或方柱。

Images