CN100429542C

CN100429542C - 波导以及包括该波导的装置

Info

Publication number: CN100429542C
Application number: CNB2006101446848A
Authority: CN
Inventors: 池本圣雄; 高木章成; 星光; 野林和哉; 沼田爱彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: JP4684861B2; CN1967299A; EP1793248A1; US20070110382A1; JP2007133331A; US7751669B2; EP1793248B1

Abstract

一种由包括第一线缺陷和第二线缺陷的三维光子晶体构成的波导。第一线缺陷处于部分柱状结构处，并且由与柱状结构不同的介质形成。第二线缺陷处于沿第一线缺陷纵向延伸的部分梯状结构处，并且由与柱状结构所用介质的折射率不同的介质形成。第二线缺陷与第一线缺陷分开的距离至少是三维光子晶体在所述包括柱状结构的各层之堆积方向的面外晶格周期的0.5倍。

Description

波导以及包括该波导的装置

技术领域

本发明涉及由具有三维折射率周期性结构的三维光子晶体构成的波导，以及包括该波导的装置。

背景技术

Yablonovitch已经提出了利用亚波长结构控制电磁波透射/反射特性的概念(参见：Physical Review Letters，vol.58，p.2059，1987)。根据该文献，电磁波的透射/反射特性可以用周期性亚波长结构控制。该控制也可以应用于光，即波长在光波长数量级的电磁波。该文献提出，这些称为光子晶体的结构，可以在一定波长范围实现反射率为100％的反射镜，这意味着没有光损失。在一定波长范围提供100％反射率的概念称为光子带隙，这从从“半导体能隙”类比得来的。

三维亚波长周期性结构可以为任何方向入射的光提供光子带隙。这种光子带隙下面将称为完全光子带隙。完全光子带隙可用于实现具有新功能的光元件。例如，在其周期性结构中具有点缺陷或线缺陷的光子晶体能作为谐振器或波导工作。特别是，通过形成线缺陷可以得到急剧弯曲的波导或插分波导，使其可靠地捕获光(参见：日本专利公开2001-74955以及日本应用物理学会第65届秋季会议的详细摘要，No.3，p.936)。

图21A到21F表示能提供完全光子带隙的三维光子晶体结构。图21A表示一种金刚石蛋白石结构，图21B表示一种木料堆结构，图21C表示一种螺旋结构，图21D表示一种特殊三维结构，图21E表示一种反三维周期性结构，图21F表示一种金刚石木料堆结构。

对于由具有完全光子带隙的三维光子晶体构成的波导，其光子带隙一般包括光以单一模式传输的频率范围以及光以多模式传输的频率范围。这里的单一模式是指某一波长的光以一个波数矢量经过波导传输的模式。每种传输模式在波导中具有其自身的周期性电磁场强度分布。

光回路和发光装置使用的波导例如需要预期的陷光效应和使预期波长的光以单一模式传输的能力。另外，对于从波导末端发出的光，需要在垂直于传输方向的平面中对称的单峰电磁场强度分布。从波导末端发出的光的电磁场强度分布，取决于波导末端处垂直于传输方向的平面中每种传输模式的电磁场强度分布。因此，需要的是在垂直于传输方向的平面中的某个区域中具有高度集中的单峰电磁场强度分布的传输模式。

日本专利公开2001-74955披露了一种在其木料堆结构中具有线缺陷的波导，如图21B所示。线缺陷是通过去除木料堆结构中包括的部分柱状结构形成的。根据该出版物，此波导结构允许在特定频率范围内几乎是单峰电磁场强度分布的单一模式传输。但是，这种波导具有有限的可用频率范围，原因是光在其部分光子带隙频率范围按多模式传输。另外，如果三维光子晶体由低折射率的介质构成，则光子带隙和允许单一模式传输的频率范围非常窄。

日本应用物理学会第65届秋季会议的详细摘要No.3，p.936，披露了一种波导结构，使光在单一模式下在较宽频度范围内传输。图22A表示光在垂直于传输方向的平面中的电磁场强度分布。图22B表示光在平行于传输方向和堆积方向的平面中的电磁场强度分布。在图22A和22B中，中央白区表示较高的电磁场强度。图22A表示在另外柱状结构上高度集中的双峰电磁场强度分布。就应用而言，双峰分布是不理想的。图22B示出电磁场强度分布沿波导结构极大地改变。如果波导结构与另一谐振器或波导结构一起存在于三维光子晶体中，例如，由于制造误差造成结构位置的微小变化也将大大改变其电磁场强度分布。结构之间的电磁场传输性质取决于其电磁场强度分布之间的位置关系。甚至结构位置的微小变化也将大大改变结构之间的电磁场传输性质，从而明显改变装置性能。因此，制造具有预期性能的波导结构的装置需要复杂的制造技术，因为各个结构必须高精度定位。

此外，上述的两个波导结构不能在所需频率范围内提供单一模式传输，因为没有技术可以用于改变传输模式的频率。

发明内容

本发明提供一种三维光子晶体波导，其允许在所需频率范围内的单一模式传输，该单一模式垂直于传输方向的平面中具有单峰电磁场强度分布。

根据本发明的波导由三维光子晶体构成，所述三维光子晶体包括具有以预定间距排列的柱状结构的第一层，具有以所述间距排列从而沿着与所述第一层的柱状结构的纵向不同的方向延伸的柱状结构的第二层，具有以所述间距排列从而沿着所述第一层的柱状结构的纵向延伸的柱状结构的第三层，以及具有以所述间距排列从而沿所述第二层的柱状结构的纵向延伸的柱状结构的第四层。所述第三层的柱状结构在垂直于其纵向的方向偏离所述第一层的柱状结构所述间距的一半。所述第四层的柱状结构在垂直于其纵向的方向偏离所述第二层的柱状结构所述间距的一半。所述三维光子晶体还包括处于部分所述柱状结构的第一线缺陷，以及处于沿所述第一线缺陷的纵向延伸的部分柱状结构的第二线缺陷。所述第一线缺陷由与所述柱状结构不同的介质形成，所述第二线缺陷由折射率与所述柱状结构所用介质的不同的介质形成。所述第二线缺陷与所述第一线缺陷分开的距离至少是三维光子晶体在上述层之堆积方向的面外晶格周期的0.5倍。

参考附图，从以下代表性实施例的描述中，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是具有木料堆结构的光子晶体的示意图；

图2是表示图1所示的光子晶体的各个层的一组示意图；

图3是图1所示光子晶体的归一化频率的曲线图；

图4A到4D是根据本发明第一实施例的波导结构的示意图；

图5A和5B分别是表示根据第一实施例的波导结构的传输模式的曲线图和示意图；

图6是表示根据第一实施例的波导结构的归一化频率的曲线图；

图7是表示根据第一实施例的另一个波导结构的归一化频率的曲线图；

图8是具有木料堆结构的另一个光子晶体的示意图；

图9是表示图8所示光子晶体的各个层的一组示意图；

图10是表示图8所示光子晶体的归一化频率的曲线图；

图11A到11D是根据本发明第二实施例的波导结构的示意图；

图12A和12B分别是表示第二实施例的波导结构的传输模式的曲线图和示意图；

图13是表示根据第二实施例的波导结构的归一化频率的曲线图；

图14A到14D是根据本发明第二实施例的另一个波导结构的示意图；

图15是表示根据第二实施例的波导结构的归一化频率的曲线图；

图16是表示根据第二实施例的另一个波导结构的归一化频率的曲线图；

图17A和17B是根据本发明第三实施例的发光装置的示意图；

图18A和18B是根据第三实施例的另一个发光装置的示意图；

图19A和19B是根据第三实施例的分出回路的示意图；

图20是第三实施例所用光束的光谱图；

图21A到21F是公知光子晶体的示意图；

图22A和22B是表示公知光子晶体的电磁场强度分布的示意图；

图23A是包括离散结构的光子晶体的示意图；

图23B是表示图23A所示光子晶体的各个层的一组示意图；

图24A是包括离散结构的另一个光子晶体的示意图；

图24B是图24A所示光子晶体的各个层的一组示意图。

具体实施方式

第一实施例

图1是木料堆结构A的示意图。木料堆结构A具有包括平行于xy平面的第一层101、第二层102、第三层103和第四层104的规则周期。

图2表示图1中的四层101到104的部分xy剖面。第一层101和第三层103包括柱状结构101a和103a，柱状结构101a和103a分别沿x轴方向以间距P周期性排列，从而垂直于x轴方向延伸，即沿y轴方向延伸。柱状结构101a和103a在x轴方向彼此偏移距离P/2。第二层102和第四层104包括柱状结构102a和104a，柱状结构102a和104a分别沿y轴方向以间距P周期性排列，从而垂直于y轴方向延伸，即沿x轴方向延伸。柱状结构102a和104a在y轴方向彼此偏移距离P/2。

通过例如优化柱状结构101a到104a所用材料的折射率、柱状结构101a到104a的形状和间距以及各个层101到104的厚度，可以在所需频率范围(波长范围)内实现完全光子带隙。

表1表示木料堆结构A的结构参数。在表1中，折射率是指木料堆结构A的柱状结构101a到104a所用的介质(材料)的折射率。柱状结构101a到104a以外的部分所用的介质是空气，其折射率为1.0。面内晶格周期是指柱状结构101a到104a的间距，即P。面外晶格周期是指木料堆结构A的四个层101到104在堆积方向的总长度。柱状结构宽度是指每个柱状结构在垂直其纵向并平行各层101到104的方向上的宽度。柱状结构高度是指每个柱状结构在堆积方向(z轴方向)的高度。

表1

图3是表示根据平面波展开法计算的木料堆结构A的光子带隙的曲线图。在此曲线图中，水平轴表示波数矢量，即电磁波进入光子晶体的方向。例如，K点表示平行于x轴(或y轴)的波数矢量，X点表示在xy平面沿相对x轴(或y轴)45°角取向的波数矢量。垂直轴表示相对晶格周期归一化的频率。阴影区表示完全光子带隙的频率范围，此区域禁止任何方向入射的光传输。

三维光子晶体中形成的缺陷破坏其周期性，形成完全光子带隙的缺陷模式。缺陷模式的频率和波数矢量取决于其形状和介质。如果形成线缺陷，则波数矢量大小在线缺陷的纵向不受限制，因此缺陷模式允许沿该方向的传输。

图4A到4D是根据本发明第一实施例的波导结构B的示意图。该波导B是通过在图1的木料堆结构A中形成第一线缺陷20和第二线缺陷200到203得到的。第一线缺陷20沿y轴方向延伸，第二线缺陷200到203形成在沿y轴方向延伸的部分柱状结构处。图4A是波导结构B沿xz平面截取的剖视图，图4B、4C和4D分别是沿图4A的线IVB、IVC和IVD截取的剖视图。第二线缺陷200到203是由折射率与柱状结构所用介质不同的介质形成的。

在此实施例中，第二线缺陷200到203是由折射率为2.0的介质形成的。第一线缺陷20是通过去除部分柱状结构形成的。

表2表示波导B的结构参数，其中坐标原点是xz平面中第一线缺陷20的中心。在表2和图4A到4D中，缺陷宽度20w是指第一线缺陷20在x轴方向的宽度。缺陷高度20h是指第一线缺陷20在堆积方向的高度。缺陷折射率20n、200n、201n，202n和203n分别是指线缺陷20、200、201、202和203的折射率。

表2

图5A是表示根据时域有限差分(FDTD)法计算的波导结构B的传输模式的曲线图。在此曲线图中，水平轴代表相对于晶格周期(即P)归一化的波数矢量的传输方向分量(y轴方向分量)的大小；垂直轴代表相对于晶格周期(即P)归一化的频率。边缘的阴影区代表除完全光子带隙以外的频率范围。在完全光子带隙中出现的传输模式是缺陷模式，这是因为存在线缺陷20以及200到203。

中央阴影区代表允许缺陷模式在单一模式下传输的频率范围。允许单一模式传输的频率范围是0.446-0.458。如果波导结构B中形成第一线缺陷20，而没有第二线缺陷200到203，则允许单一模式传输的频率范围根据FDTD法计算的是0.433-0.440。这些结果表明，第二线缺陷200到203在更宽的频率范围允许单一模式传输。

图5B表示在允许在xz平面中单一模式传输的频率范围的传输模式的电磁场强度分布。白色区代表较高的电磁场强度。图5B表示在波导结构B的中心周围高度集中的单峰电磁场强度分布。

图6是表示在第二线缺陷200到203的缺陷折射率200n到203n同时变化相同数量之后，允许单一模式传输的频率范围变化的曲线图。

在图6中，水平轴代表缺陷折射率，垂直轴代表归一化频率。实线代表允许单一模式传输的频率范围的高频侧，虚线代表其低频侧。允许单一模式传输的频率范围随缺陷折射率200n到203n变化。即，通过选择第二线缺陷200到203所用的介质可以改变缺陷折射率200n到203n，从而控制允许单一模式传输的频率范围。

下面将解释控制允许单一模式传输的频率范围、使传输模式在垂直于传输方向的平面中具有单峰分布的原因。

靠近光子带隙低频侧的传输模式具有在线缺陷20和200到203相对高度集中的电磁场强度分布。相反，靠近光子带隙高频侧的传输模式具有远离线缺陷扩展的电磁场强度分布，特别是在堆积方向。

由于光的频率和波数矢量之间的关系取决于光传输空间的折射率，因此传输模式的频率和波数矢量之间的关系取决于模式的折射率。对于固定的波数矢量，模式频率随模式折射率减小而增大。模式折射率取决于模式的电磁场强度分布在结构的高折射率部分集中的程度。因此，通过改变在堆积方向远离第一线缺陷的位置形成的第二线缺陷所用介质的折射率，可以大大改变靠近高频侧的传输模式的模式折射率。这允许靠近高频侧的传输模式的频率有大的变化。根据这个机理，通过适当地选择第二线缺陷所用的介质以控制允许单一模式传输的频率范围，可以实现具有靠近高频侧的所需波长的传输模式。

如果第二线缺陷非常靠近第一线缺陷，像现有技术一样，它们就会大大影响传输模式的电磁场强度分布。因为电磁场强度分布趋向于集中在高折射率部分，因此传输模式具有在垂直于传输方向的平面中集中在第二线缺陷的双峰电磁场强度分布。

相比之下，在根据此实施例的波导结构B中，第二线缺陷200到203对传输模式的电磁场强度分布影响很小，因为它们所处的位置远离第一线缺陷20。因此，传输模式具有在垂直于传输方向的平面中高度集中在第一线缺陷20的单峰电磁场强度分布。

在此实施例中，第二线缺陷200到203形成在最靠近第一线缺陷20的柱状结构中，但本发明并不限于上述的例子。如果在最靠近第一线缺陷20且包括沿第一线缺陷20的纵向延伸的柱状结构的各层中，第二线缺陷200到203形成在更远离第一线缺陷20的柱状结构中，则可以实现类似的效果。

如果第二线缺陷200到203形成在沿堆积方向更远离第一线缺陷20的各层中包括的柱状结构中，则也可以实现类似的效果。在堆积方向，第一线缺陷20与第二线缺陷200到203之间的有效距离范围是0.5到1.5倍的面外晶格周期。如果第二线缺陷200到203与第一线缺陷20分开的距离小于0.5倍的面外晶格周期，则难以实现在垂直于传输方向的平面中具有单峰电磁场强度分布的传输模式。如果第二线缺陷200到203与第一线缺陷20分开的距离大于1.5倍的面外晶格周期，则第二线缺陷200到203的作用很小。

包含第二线缺陷200到203的柱状结构的数量并不限于此实施例。另外，第二线缺陷200到203可以由不同折射率的介质形成。

更精确地控制第二线缺陷200到203的位置、数量和介质允许更精确地控制模式频率。

此实施例与光子晶体的柱状结构所用的介质的折射率无关。例如，表3表示与图4A到图4D所示的波导结构B具有相同结构的波导结构C的结构参数。此波导结构C由三维光子晶体构成，其中的三维光子晶体包括由折射率为3.6的介质形成的柱状结构。

表3

图7是表示在缺陷折射率200n到203n同时改变相同数量之后允许单一模式传输的频率范围变化的曲线图。在图7中，水平轴代表缺陷折射率，垂直轴代表归一化频率。实线表示允许单一模式传输的频率范围的高频侧，虚线表示其低频侧。限定在这些线之间的区域代表允许单一模式传输的频率范围。传输模式是用FDTD法计算的，如图6所示。图7表示允许单一模式传输的频率范围随缺陷折射率200n到203n的变化。因此，通过选择第二线缺陷200到203所用的介质可以改变缺陷折射率200n到203n，从而与三维光子晶体所用介质的折射率无关地控制允许单一模式传输的频率范围。

在此实施例中，如上所述，可以按木料堆结构形成波导结构，使得到的波导允许在所需频率范围内具有所需强度分布的单一模式传输。

像现有技术一样，具有高折射率比的至少两种介质可以用于制成如上所述的三维光子晶体波导结构。综合使用较高折射率比的介质将得到较宽的光子带隙，因为光子带隙来自于晶体中的折射率分布。利用至少为2的折射率比可以实现有效的宽光子带隙。柱状结构所用的介质可以是高折射率的材料，例如Si、GaAs、InP、Ge、TiO₂、GaN、Ta₂O₅和Nb₂O₅。另外，柱状结构所用的介质可以是在所用波长范围内没有吸收的透明材料。除柱状结构以外的部分所用的介质可以是低折射率材料，例如电介质(如SiO₂)、有机聚合物(如PMMA)、空气或水。通过去除部分柱状结构形成的第一线缺陷所用的介质，并不限于空气，可以是上述的任何低折射率材料。

这种波导结构可以通过公知的工艺生产，例如电子束光刻构图和淀积的重复工艺、晶片熔化或纳米压印。

第二实施例

图8是光子带隙比木料堆结构A宽的三维光子晶体结构D的示意图。三维光子晶体结构D具有包括基本平行于xy面的第1层301、第2层302、第3层303、第4层304、第5层305、第6层306、第7层307、第8层308、第9层309、第10层310、第11层311和第12层312的规则的周期性结构。图9表示图8中的12层301到312的部分xy截面。第1层301和第7层307包括分别在x轴方向以间距P排列、从而沿y轴方向延伸的柱状结构301a和307a。柱状结构301a和307a在x轴方向彼此偏移距离P/2。第4层304和第10层310包括分别在y轴方向以间距P排列、从而沿x轴方向延伸的柱状结构304a和310a，柱状结构304a和310a在y轴方向彼此偏移距离P/2。

第2层302和第3层303包括离散结构302a和303a，离散结构302a和303a分别设置在与第1层301的柱状结构301a和第4层的柱状结构304a之交叉点对应的位置。在给定层中的相邻结构被设置成在xy面中彼此隔离。这些离散结构302a和303a是对称的，即，层302和303中的结构具有相同形状，但在xy面中相对转动90°。同样地，第5层305和第6层306处于第4层304和第7层307之间并包括离散结构305a和306a，离散结构305a和306a分别设置在与第4层304的柱状结构304a与第7层307的柱状结构307a之交叉点对应的位置，从而在xy面中与同一层的相邻结构隔离。同样地，第8层308和第9层309处于第7层307和第10层310之间并包括离散结构308a和309a，离散结构308a和309a分别设置在与第7层307的柱状结构307a与第10层310的柱状结构310a之交叉点对应的位置，从而在xy面中与同一层的相邻结构隔离。同样地，第11层311和第12层312处于第10层310和第1层301之间并包括离散结构311a和312a，离散结构311a和312a分别设置在与第10层310的柱状结构310a与第1层301的柱状结构301a之交叉点对应的位置，从而在xy面中与同一层的相邻结构隔离。

通过例如优化柱状结构301a、304a、307a到310a以及离散结构302a、303a、305a、306a、308a、309a、311a和312a所用材料的折射率及其形状和间距以及各个层301到312的厚度，可以在所需频率范围(波长范围)中实现宽的完全光子带隙。层302、303、305、306、308、309、311和312分别包括离散结构302a、303a、305a、306a、308a、309a、311a和312a。

表4表示三维光子晶体结构D的结构参数。在表4中，折射率是指三维光子晶体结构D的柱状结构301a、304a、307a到310a以及离散结构302a、303a、305a、306a、308a、309a、311a和312a所用的介质的折射率。除了柱状结构301a、304a、307a到310a以及离散结构302a、303a、305a、306a、308a、309a、311a和312a以外的部分所用的介质是空气，其折射率为1.0。面内晶格周期是指图9中柱状结构301a、304a、307a和310a的间距，即P。面外晶格周期是指三维光子晶体结构D的12个层301到312在堆积方向的总长度。离散结构长度Dl是指每个离散结构在平行于层301到312的平面中的长度。离散结构的宽度Dw是指每个离散结构在平行于层301到312的平面中的宽度。离散结构高度Dh是指每个离散结构在堆积方向(z轴方向)的高度。

表4

图10是表示根据平面波展开法计算的三维光子晶体结构D的光子带隙的曲线图。图10的水平轴和垂直轴如同第一实施例的图3中的定义一样。阴影区表示禁止任何方向入射光传输的完全光子带隙的频率范围。三维光子晶体D中形成的线缺陷在完全光子带隙中建立传输模式。

图11A到11D是根据本发明第二实施例的波导结构E的示意图。此波导结构E是通过在三维光子晶体结构D中形成第一线缺陷40和第二线缺陷400到403制成的。第一线缺陷40在y轴方向延伸，并且是通过部分去除一个层中的柱状结构以及该层上方两层和该层下方两层的离散结构形成的。第二线缺陷400到403形成在部分柱状结构，也沿y轴延伸。

图11A是沿xz面截取的波导结构E的剖视图。图11B、11C和11D是分别沿图11A的线XIB、XIC和XID截取的波导结构E的剖视图。表5表示波导结构E的结构参数。在此实施例中，第二线缺陷400到403是由折射率为2.0的介质制成的。坐标的原点是xz面中第一线缺陷40的中心。在表5和图11A到11D中，缺陷高度40h是指第一线缺陷40在堆积方向(z轴方向)的高度，这等于含有第一线缺陷20的层、该层上方的两层以及该层下方的两层的总厚度。缺陷宽度40w是指第一线缺陷40在x轴方向的宽度，它等于离散结构长度Dl。缺陷折射率40n、400n、401n、402n和403n分别是指线缺陷40、400、401、402和403的折射率。

表5

图12A是表示根据FDTD法计算的波导结构E的传输模式的曲线图。图12A的水平轴和垂直轴像第一实施例定义的一样。边缘阴影区代表完全光子带隙以外的频率范围。中央阴影区代表允许单一模式传输的频率范围，即0.462到0.481。如果在波导结构E中形成第一线缺陷40而没有第二线缺陷400到403，则根据FDTD法计算的允许单一模式传输的频率范围是0.452到0.466。这些结果表明，第二线缺陷400到403在更宽的频率范围内允许单一模式传输。

图12B表示在xz面中允许单一模式传输的频率范围内传输模式的电磁场强度分布。白区表示较高的电磁场强度。图12B表示在波导结构E中心周围高度集中的单峰电磁场强度分布。

图13是表示缺陷折射率400n到403n同时变化相等数量之后允许单一模式传输的频率范围的变化曲线图。在图13中，水平轴代表缺陷折射率，垂直轴代表归一化频率。实线代表允许单一模式传输的频率范围的高频侧，虚线代表其低频侧。这些线之间限定的区域代表允许单一模式传输的频率范围。图13表示允许单一模式传输的频率范围随缺陷折射率400n到403n的变化。

通过选择第二线缺陷400到403所用的介质，可以改变缺陷折射率400n到403n，从而控制允许单一模式传输的频率范围。控制允许单一模式传输的频率范围从而在垂直于传输方向的平面中提供几乎单峰强度分布的原因如同第一实施例所述。

此实施例中在最靠近第一线缺陷40的柱状结构中形成第二线缺陷400到403，但它们也可以形成在其它柱状结构中。例如，如同第一实施例所述，如果在最靠近第一线缺陷40并包括沿第一线缺陷40的纵向延伸的柱状结构的各层中，在离第一线缺陷较远的柱状结构中形成第二线缺陷400到403，也可以达到类似作用。

而且，如果在沿堆积方向离第一线缺陷40较远的层中包括的柱状结构中形成第二线缺陷400到403，也可以达到类似作用。在堆积方向上第一线缺陷40与第二线缺陷400到403之间的有效距离范围可一直达到1.5倍的面外晶格周期。第二线缺陷的数量并不限于此实施例。另外，第二线缺陷400到403可以由不同折射率的介质制成。更精确地控制第二线缺陷400到403的位置、数量和介质可以更精确地控制模式频率。

下面将描述根据此实施例的另一个波导结构F。此波导结构F是使用图8所示的三维光子晶体结构D制成的。波导结构F包括在离散结构中形成的第二线缺陷，而不是在沿第一线缺陷的纵向延伸的柱状结构中，或者波导结构F包括在离散结构和柱状结构两者中形成的第二线缺陷。波导F可以控制允许单一模式传输的频率范围。

图14A到14D是波导结构F的示意图。此波导结构F是通过在图8所示的三维光子晶体结构D中形成第一线缺陷50和第二线缺陷500到503制成的。第一线缺陷50沿y轴方向延伸，并按照与波导结构E中的第一线缺陷40相同的方式形成。第二线缺陷500到503是在与含有第一线缺陷50的层不同的各层中包括的部分离散结构中形成的，并且具有与离散结构不同的折射率。图14B到14D表示含有第二线缺陷500到503的层的结构。第二线缺陷500到503是由折射率与三维光子晶体结构D的柱状结构和离散结构不同的介质形成的。

图14A是波导结构F沿xz面截取的剖视图。图14B、14C和14D是波导结构F分别沿图14A的线XIVB、XIVC和XIVD截取的剖视图。在此实施例中，第二线缺陷500到503是在靠近第一线缺陷50的离散结构中形成的。

表6表示波导结构F的结构参数。在表6和图14A到14D中，缺陷高度50h是指第一线缺陷50的高度，它等于含有第一线缺陷50的层、该层上方两层和该层下方两层的总厚度。缺陷宽度50w是指第一线缺陷50的宽度。缺陷折射率50n、500n、501n、502n和503n分别是指线缺陷50、500、501、502和503的折射率。传输模式是由FDTD法计算的，如上所述。

表6

图15是表示在缺陷折射率500n到503n同时改变相同数量之后允许单一模式传输的频率范围变化的曲线图。在图15中，水平轴代表缺陷折射率，垂直轴代表归一化频率。实线表示允许单一模式传输的频率范围的高频侧，虚线表示其低频侧。图15表示允许单一模式传输的频率范围随缺陷折射率500n到503n的改变。

通过选择第二线缺陷500到503所用的介质，可以改变缺陷折射率500n到503n，从而控制允许单一模式传输的频率范围。第二线缺陷500到503也可以形成在其它离散结构中。例如，如果第二线缺陷500到503形成在离第一线缺陷50较远的离散结构中，或者在离第一线缺陷50较远的层中包括的并与沿y轴方向延伸的柱状结构相邻的离散结构中，也可以达到类似作用。在堆积方向上第一线缺陷50与第二线缺陷500到503之间的有效距离范围为0.5倍到1.5倍的面外晶格周期。如果第二线缺陷500到503与第一线缺陷50分开的距离小于0.5倍的面外晶格周期，则难以得到在垂直于传输方向的平面中具有单峰电磁场强度分布的传输模式。如果第二线缺陷500到503与第一线缺陷50分开的距离大于1.5倍的面外晶格周期，则第二线缺陷500到503的作用很小。

另外，第二线缺陷500到503可以同时形成在柱状结构和离散结构中。第二线缺陷500到503的数量并不限于此实施例。第二线缺陷500到503可以由折射率不同的介质制成。

在此实施例中，通过部分去除柱状结构和附近的离散结构形成的第一线缺陷20，可以通过仅部分去除柱状结构或者与离散结构一起部分地去除而形成。

如同第一实施例，第二实施例与光子晶体所用介质的折射率无关。例如，表7表示与图11A到11D所示波导结构E具有相同结构的波导结构G的结构参数。此波导结构G是由折射率3.6的介质制成的三维光子晶体构成。如下所述，使用第二线缺陷可以控制允许单一模式传输的频率范围。传输模式是用FDTD法计算的，如上所述。

表7

图16是表示在缺陷折射率400n到403n同时改变相同数量之后允许单一模式传输的频率范围变化的曲线图。水平轴代表缺陷折射率，垂直轴代表归一化频率。

在图16中，实线表示允许单一模式传输的频率范围的高频侧，虚线表示其低频侧。允许单一模式传输的频率范围随缺陷折射率400n到403n改变。因此，通过选择第二线缺陷400到403所用的介质，可以改变缺陷折射率400n到403n，从而与三维光子晶体所用介质的折射率无关地控制允许单一模式传输的频率范围。

在此实施例中，如上所述，通过在三维光子晶体结构D中形成缺陷可以制成波导结构，从而使提供的允许单一模式传输的波导在所需频率范围内具有所需的强度分布。

用于制造如上所述的三维光子晶体波导结构的介质如同第一实施例所述的一样。用于第一线缺陷的介质并不限于空气，可以是第一实施例所述的任何低折射率的材料。这种波导结构可以按照与第一实施例相同的工艺制造。

第二实施例所用的三维光子晶体结构D包括由两个包括离散结构的亚层构成的额外层，但此实施例并不限于光子晶体结构D。例如，如果在包括由一个、三个或更多个亚层(该亚层包括离散结构)构成的额外层的三维光子晶体结构中的上述位置形成线缺陷，或者在具有柱状结构的每一层的任一侧包括额外层的三维光子晶体结构中的上述位置形成线缺陷，则可以达到类似作用。

图23A是包括由单一亚层(该亚层包括离散结构)构成的额外层的三维光子晶体结构2100的示意图。三维光子晶体结构2100具有包括平行xy面的第1层2101、第2层2102、第3层2103、第4层2104、第5层2105、第6层2106、第7层2107和第8层2108的规则周期。

图23B表示8个层2101到2108的部分xy剖面。第1层2101和第5层2105包括分别在x轴方向以间距P排列、从而在y轴方向延伸的柱状结构2101a和2105a。柱状结构2101a和2105a是由高折射率的第一介质形成的，并且在x轴方向彼此偏移距离P/2。第3层2103和第7层2107包括分别在y轴方向以间距P排列、从而在x轴方向延伸的柱状结构2103a和2107a。柱状结构2103a和2107a是由第一介质形成的，并且在y轴方向彼此偏移距离P/2。

第2层2102包括离散结构2102a，该离散结构2102a处于与第1层2101的柱状结构2101a与第3层2103的柱状结构2103a之交叉点对应的位置，从而在xy面中彼此隔离。这些离散结构2102a是由第一介质形成的。同样，第4层2104处于第3层2103和第5层2105之间并包括离散结构2104a，该离散结构2104a处于与第3层2103的柱状结构2103a和第5层2105的柱状结构2105a之交叉点对应的位置，从而在xy面中彼此隔离。同样，第6层2106处于第5层2105和第7层2107之间并包括离散结构2106a，该离散结构2106a处于与第5层2105的柱状结构2105a和第7层2107的柱状结构2107a之交叉点对应的位置，从而在xy面中彼此隔离。同样，第8层处于第7层2107和第1层2101之间并且包括离散结构2108a，该离散结构2108a处于与第7层2107的柱状结构2107a和第1层2101的柱状结构2101a的之交叉点对应的位置，从而在xy面中彼此隔离。离散结构2104a、2106a、2108a具有与离散结构2102a相同的形状，并且由第一介质形成。

柱状结构2101a、2103a、2105a和2107a以及离散结构2102a、2104a、2106a和2108a彼此接触，并且每层中的其它区域1a用低折射率的第二介质填充。

图24A是包括由具有离散结构的三个亚层构成的额外层的三维光子晶体结构2300的示意图。三维光子晶体结构2300具有包括平行于xy面的第1层2301、第2层2302、第3层2303、第4层2304、第5层2305、第6层2306、第7层2307、第8层2308、第9层2309、第10层2310、第11层2311、第12层2312、第13层2313、第14层2314、第15层2315和第16层2316的规则周期。

图24B表示16个层2301到2316的部分剖面。第一层2301和第9层2309包括分别在x轴方向以间距P排列、从而在y轴方向延伸的柱状结构2301a和2309a。柱状结构2301a和2309a由第一介质形成，并且在x轴方向彼此偏移距离P/2。第5层2305和第13层2313包括分别在y轴方向以间距P排列、从而在x轴方向延伸的柱状结构2305a和2313a。柱状结构2305a和2313a由第一介质形成，并且在y轴方向彼此偏移距离P/2。

第2层2302、第3层2303和第4层2304包括分别处于与第1层2301的柱状结构2301a和第5层2305的柱状结构2305a的交叉点对应的位置、从而在xy面中彼此隔离的离散结构2302a、2303a和2304a。这些离散结构2302a、2303a和2304a由第一介质形成。离散结构2302a和2304a是对称的，即，其形状在xy面中相对转动90°后彼此一致。

同样，第6层2306、第7层2307和第8层2308处于第5层2305和第9层2309之间，包括分别处于与第5层2305的柱状结构2305a和第9层2309的柱状结构2309a的交叉点对应的位置、从而在xy面中彼此隔离的离散结构2306a、2307a和2308a。同样，第10层2310、第11层2311和第12层2312处于第9层2309和第13层2313之间，包括分别处于与第9层2309的柱状结构2309a和第13层2313的柱状结构2313a的交叉点对应的位置、从而在xy面中彼此隔离的离散结构2310a、2311a和2312a。同样，第14层2314、第15层2315和第16层2316处于第13层2313和第1层2301之间，包括分别处于与第13层2313的柱状结构2313a和第1层2301的柱状结构2301a的交叉点对应的位置、从而在xy面彼此隔离的离散结构2314a、2315a和2316a。离散结构2306a到2308a、2310a到2312a、以及2314a到2316a由第一介质形成。

柱状结构2301a、2305a、2309a和2313a以及离散结构2302a到2304a、2306a到2308a、2310a到2312a以及2314a到2316a彼此接触，每层的其它区域填充第二介质。通过例如优化第一和第二介质的折射率，柱状结构2301a、2305a、2309a和2313a以及离散结构2302a到2304a、2306a到2308a、2310a到2312a以及2314a到2316a的形状和间距以及各个层2301到2316的厚度，可以在所需频率范围(波长范围)实现很宽的完全光子带隙。

如图23A所示，柱状结构2301a、2305a、2309a和2313a以及离散结构2302a到2304a、2306a到2308a、2310a到2312a以及2314a到2316a的形状、取向、间距和介质并不限于上述的例子。

每个额外层的三个亚层的离散结构在xy面可以具有不同面积。例如，可以提供由三个面积沿z轴方向变化的亚层构成的额外层。

如果每个额外层包括具有离散结构的四个或四个以上的亚层，可以实现更宽的完全光子带隙，但这种结构需要复杂的制造工艺。因此可以根据用途选择亚层的数量。

如上所述，在包括按预定间距平行排列的柱状结构的层之间包括具有离散结构的层的光子晶体结构，比公知结构具有更宽的完全光子带隙。

第三实施例

下面描述根据本发明第三实施例的包括波导的装置。

首先将描述发光装置。在三维光子晶体中形成点缺陷以及作为波导的线缺陷。

通过优化点缺陷的形状和介质可以形成在光子带隙中的所需频率具有谐振模式的谐振器。

谐振器中可以设置发射光谱覆盖谐振波长的发光介质，从而提供高效的发光装置，例如激光器或发光二极管(LED)。通过对发光介质提供外部能量，例如电磁波或电流，可以驱动该装置。

如果在点缺陷谐振器附近设置在谐振器谐振模式的频率处具有传输模式的波导，则谐振器内产生的光可以耦合到传输模式而射出谐振器。

光以传输模式传输经过波导到达其一个末端，在此末端光耦合到传输经过三维光子晶体外部自由空间的模式，从而使光能射出晶体。

图17A和17B表示包括根据此实施例的波导和点缺陷的发光装置的一个例子，在点缺陷中具有在供应载流子时发光的活性部分。

发光装置600包括谐振器601a、p型电极602、p型载流子通道603、n型电极604和n型载流子通道605。谐振器601a是通过在三维光子晶体结构中形成点缺陷601形成的。供应载流子时发光的活性部分形成在谐振器601a中。

空穴通过p型电极602和p型载流子通道603供应到谐振器601a，而电子通过n型电极604和n型载流子通道605供应到谐振器601a。这些空穴和电子在谐振器601a内耦合发光，产生激光振荡。

发光装置600还包括从谐振器601a输出光的波导606。此波导606是通过形成第一线缺陷607和第二线缺陷608和609而形成的。第一线缺陷607是通过去除三维光子晶体的部分柱状结构形成的。第二线缺陷608和609是在与包含第一线缺陷607的层不同的层中形成的。

通过选择第二线缺陷608和609所用的介质可以优化第二线缺陷608和609的折射率，从而在谐振器601a的谐振模式的频率处实现单一模式传输。

波导606可以设置在相对于谐振器601a的适当位置，有效地将谐振器601a的谐振模式转换成传输模式，并将其从波导606的末端输出到三维光子晶体外部。

因此波导606允许控制传输模式，从而使允许单一模式传输的频率范围覆盖谐振模式的频率。

另外，波导606的传输模式的电磁场强度在垂直于传输方向的平面中集中在波导606中心。

因此，波导606能从其末端输出其电磁场强度分布没有非对称畸变的光。

如上所述，可利用此实施例的波导与点缺陷谐振器的组合实现高性能发光装置。

图18A和18B表示包括根据此实施例的波导以及激励活性介质的激励装置的发光装置的一个例子，其中波导包括含有活性介质的线缺陷。

发光装置700包括以三维光子晶体结构提供的波导706。

在图18A和18B的例子中，波导706是通过形成第一线缺陷707和第二线缺陷708和709形成的。第一线缺陷是通过去除三维光子晶体的部分柱状结构形成的。

第二线缺陷708和709是在与含有第一线缺陷707的层不同的层中、在沿第一线缺陷707纵向延伸的部分柱状结构处形成的。

第二线缺陷708和709是由折射率与三维光子晶体结构的柱状结构不同的介质形成的。

三维光子晶体结构710和711处于波导706外部，在波导两端提供高反射表面。

第一线缺陷707中形成供应载流子时发光的活性部分701。发光装置700还包括p型电极702、p型载流子通道703、n型电极704和n型载流子通道705。

空穴通过p型电极702和p型载流子通道703供应到第一线缺陷707，而电子通过n型电极704和n型载流子通道705供应到第一线缺陷707。这些空穴和电子在第一线缺陷707内耦合发光。

活性部分701发出的光经过第一线缺陷707传输，并在波导706的端面反射，从而在第一线缺陷707内往复运动。

如果适当设计波导706在传输方向的长度及其结构参数，使其满足光传输模式的谐振条件，则发出的光在第一线缺陷707中产生谐振和激光振荡。

波导706的传输模式的电磁场强度在垂直于传输方向的平面中集中在波导706中心。因此，波导706可以从其末端输出电磁场强度分布没有发生非对称畸变的光。

另外，通过选择第二线缺陷708和709所用的介质改变第二线缺陷708和709的折射率，允许控制模式频率，从而使波导706满足任何波长的光的谐振条件，引起激光振荡。

如上所述，将根据此实施例的包括含有活性介质的线缺陷的波导与激励活性介质的激励装置组合，可以实现高性能激光装置。

在此实施例中，根据所需的振荡波长可以选择不同的发光介质，包括化合物半导体、无机发光材料、有机发光材料、发光聚合物、量子点和纳米晶。

激励(激发)方法可以是，例如，利用外部光源的光激发或者通过电流注入的激发。在通过电流注入的激发中，发光介质可以保持在金属或透明导电材料形成的电极之间，上述金属如Al或Cr，透明导电材料如铟锡氧化物(ITO)。

另外，谐振器可以具有独立工作的电极，用于独立控制各个谐振器发出的光。

这种装置可以用作光源，其应用包括显示器、光通讯装置、太赫兹应用以及诸如DVD的媒介和下一代蓝光记录媒介的光拾取器。

图19A和19B表示包括根据此实施例的线缺陷波导以及点缺陷谐振器的分出回路一个例子。

分出回路800包括以三维光子晶体结构提供的波导。

在图19A和19B的例子中，波导是通过形成第一线缺陷801和第二线缺陷802和803制成的。第一线缺陷801是通过去除三维光子晶体的部分柱状结构形成的。

第二线缺陷802和803是在与含有第一线缺陷801的层不同的层中、在沿第一线缺陷801的纵向延伸的部分柱状结构中形成的。

第二线缺陷802和803是由折射率与三维光子晶体结构的柱状结构和离散结构不同的介质形成的。

分出回路800还包括波导附近的点缺陷谐振器804到807。

虽然图19A和19B仅表示出谐振器804到807，但为了达到所需的光多路分解，实际上为要多路分解的n个波长提供n个谐振器。

谐振器设计成在不同谐振波长工作。波导设计成在覆盖要多路分解的波长的波长范围内允许单一模式传输。通过调节第二线缺陷的位置、数量和介质可以控制传输模式，从而在覆盖谐振波长的波长范围内允许单一模式传输。

将具有图20所示光谱的光束引导到波导中。光束的光谱在点缺陷谐振器的谐振波长λ1到λn处具有峰值。由此谐振器能输出波长对应于谐振波长λ1到λn的光分量。

相反，光束可以通过谐振器被引入并在波导中多路复用。

这种光装置作为插分装置用于光通讯波段特别有用。

因此，根据此实施例的三维光子晶体波导可以用于能在所需波长范围多路分解的高性能分出元件。

如上所述，包括根据此实施例的线缺陷波导以及点缺陷谐振器的波长过滤器可以用于提供高性能插分回路。

虽然已经参考代表性实施例描述了本发明，但应该理解的是，本发明并不限于这里给出的代表性实施例。权利要求的范围应作最广泛的解释，从而包括所有的修改、等同结构和功能。

Claims

1.一种包括三维光子晶体的波导，所述三维光子晶体包括：

具有以预定间距排列的柱状结构的第一层；

具有以所述间距排列从而沿着与所述第一层的柱状结构的纵向不同的方向延伸的柱状结构的第二层；

具有以所述间距排列从而沿着所述第一层的柱状结构的纵向延伸的柱状结构的第三层，所述第三层的柱状结构在垂直于其纵向的方向偏离所述第一层的柱状结构所述间距的一半；

具有以所述间距排列从而沿所述第二层的柱状结构的纵向延伸的柱状结构的第四层，所述第四层的柱状结构在垂直于其纵向的方向偏离所述第二层的柱状结构所述间距的一半；

处于部分所述柱状结构处的第一线缺陷，所述第一线缺陷包括与所述柱状结构不同的介质；以及

处于沿所述第一线缺陷的纵向延伸的部分柱状结构处的第二线缺陷，所述第二线缺陷包括与所述柱状结构所用介质的折射率不同的介质，所述第二线缺陷与所述第一线缺陷分开的距离是所述三维光子晶体在上述层之堆积方向的面外晶格周期的0.5～1.5倍。

2.一种包括三维光子晶体的波导，所述三维光子晶体包括：

具有以预定间距排列的柱状结构的第一层；

处于上述四层之间的额外层，每层所述额外层包括至少一个亚层，所述亚层包括在平行于上述四层的平面中彼此隔离开的离散结构，所述离散结构处于与所述柱状结构的交叉点对应的位置；

第一线缺陷，所述第一线缺陷处于部分所述柱状结构处，或者处于部分所述柱状结构以及与该部分所述柱状结构相邻的一个或两个额外层的部分离散结构处，所述第一线缺陷包括与所述柱状结构和离散结构不同的介质；以及

第二线缺陷，所述第二线缺陷处于沿所述第一线缺陷的纵向延伸的部分所述柱状结构处，所述第二线缺陷包括与所述柱状结构所用介质的折射率不同的介质，所述第二线缺陷与所述第一线缺陷分开的距离是所述三维光子晶体在上述层之堆积方向的面外晶格周期的0.5～1.5倍。

3.一种包括三维光子晶体的波导，所述三维光子晶体包括：

具有以预定间距排列的柱状结构的第一层；

处于部分所述离散结构处的第二线缺陷，所述第二线缺陷包括与所述离散结构所用介质的折射率不同的介质，所述第二线缺陷与所述第一线缺陷分开的距离是所述三维光子晶体在上述层之堆积方向的面外晶格周期的0.5～1.5倍。

4.一种包括三维光子晶体的波导，所述三维光子晶体包括：

具有以预定间距排列的柱状结构的第一层；

第二线缺陷，所述第二线缺陷处于部分所述离散结构以及沿所述第一线缺陷的纵向延伸的部分所述柱状结构处，所述第二线缺陷包括与所述柱状结构所用介质以及所述离散结构所用介质的折射率不同的介质，所述第二线缺陷与所述第一线缺陷分开的距离是所述三维光子晶体在上述层之堆积方向的面外晶格周期的0.5～1.5倍。

5.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的波导，其特征在于，所述第二线缺陷处于最靠近所述第一线缺陷的柱状结构中。

6.一种发光装置，包括：

根据权利要求1到4中的任一项所述的波导；以及

用于发射光使其经过所述波导传输的谐振器，所述谐振器包括所述三维光子晶体中的点缺陷。

7.一种发光装置，包括：

根据权利要求1到4中的任一项所述的波导；

为所述第一或第二线缺陷提供的活性介质；以及

激励所述活性介质的激励装置。

8.一种插分回路，包括：

根据权利要求1到4中的任一项所述的波导；以及

用于发射光使其经过所述波导传输的谐振器，每个所述谐振器包括所述三维光子晶体中的点缺陷。