CN101499616A - 采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，该方法是在半导体材料中，通过在完好的三角晶格光子晶体中去掉12个光子晶体空气孔，并在环形的拐角处增加6个光子晶体空气孔，形成光子晶体环形腔来实现的。本发明提供的光子晶体中的回音壁模式，不仅具有很好的品质因子，而且其模式体积也仅有几个微米，解决了回音壁模式在器件的小型集成化方面所遇到的困难。
Description
技术领域
本发明涉及圆形介质内存在的回音壁模式领域，尤其涉及一种一种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，以通过光子晶体的光子带隙作用来限制回音壁模式，从而达到减小回音壁模式体积同时维持高品质因子的目的。
背景技术
圆形介质内存在回音壁模式，回音壁模式是光波在圆形介质的界面处发生全内反射，在圆形介质内循环传播，并且电磁场的能量主要集中在圆形介质的边界附近的一种模式[1]。此模式存在极高的品质因子且能量主要集中在腔的边界处，因此回音壁模式是光子集成以及光学逻辑等许多器件的关键元素。但是当圆形介质体积减到光波的衍射极限的时候，光波在弯曲处的地方损耗增加，使圆形介质中回音壁模式的品质因子随着微腔体积的减小而减小[2]。
折射率呈周期性排列的光子晶体具有类似于半导体材料中电子能带的光子能带结构。处在带隙中光波不能在光子晶体中传播。在光子晶体中引入点缺陷可以形成光子晶体微腔，引入线缺陷可以形成光子晶体波导，光子晶体中的缺陷不是通过全反射而是通过光子带隙限制光波，因此通过设计，使得存在于光子晶体中的回音壁模式的模式体积可以很小[3]。已知的光子晶体点缺陷中的六极模对应回音壁模式，并且发现六极模式较其它模式具有极高的品质因子[4][5]。
近年来人们开始关注光子晶体中的回音壁模式[6]。在2002年，Lee小组制作了光子晶体环形腔激光器，但并没有对环形腔的模式以及谱线特性进行深入分析[7]。同时，光子晶体环形腔在滤波器方面的应用也受到了广泛关注[8][9]。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，以通过光子晶体的光子带隙作用来限制回音壁模式，从而达到减小回音壁模式体积同时维持高品质因子的目的。。
(二)技术方案
为达上述目的，本发明提供了一种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，该方法是在半导体材料中，通过在完好的三角晶格光子晶体中去掉12个光子晶体空气孔，并在环形的拐角处增加6个光子晶体空气孔，形成光子晶体环形腔来实现的。
优选地，所述去掉的12个光子晶体空气孔构成一正六边形结构。
优选地，所述增加的6个光子晶体空气孔，位于形成的光子晶体环形腔的六个角上的两个光子晶体空气孔的正中间，增加的光子晶体空气孔与所述角上的两个光子晶体空气孔的圆心位于一条直线上，且增加的光子晶体空气孔的圆心到该三角晶格光子晶体中心光子晶体空气孔的圆心的距离相等。
优选地，所述半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料，或InP/InGaAsP材料。
优选地，该方法通过在形成的光子晶体环形腔上进行光注入或者电注入，进一步形成光子晶体激光器。
优选地，所述光子晶体环形腔在空气桥类型薄板结构实现，或者在低折射率材料覆盖型薄板结构实现，或者在传统半导体覆盖型薄板结构实现。
优选地，所述回音壁模式是存在于圆形介质中的一种模式，特定波长的光波在物质表面发生全内反射形成此模式，回音壁模式具有较高的品质因子，易于形成激光。
优选地，所述回音壁模式受到圆形介质体积的限制，当圆形介质体积减到光波的衍射极限时，光波在弯曲处的地方损耗增加，使圆形介质中回音壁模式的品质因子随着微腔体积的减小而减小。
优选地，该方法采用光子结构的光子带隙限制，使回音壁模式不受体积的限制。
优选地，所述光子晶体环形腔中的回音壁可通过一光子晶体波导耦合输出，以制作成边发射的光子晶体激光器。
(三)有益效果
1、本发明提供的这种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，光子晶体环形腔中的回音壁模式不仅具有很高的品质因子，而且便于同其它器件集成，故其在光子集成、光子受激辐射、光延迟、光存储等方面具有非常广泛的应用前景。
2、本发明提供的这种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，光子晶体中的回音壁模式使其在小的模式体积的情况下有较高的品质因子，解决了回音壁模式在器件的小型集成化方面所遇到的困难。
附图说明
图1为完整的二维薄板结构光子晶体的示意图；
图2为图1所示的二维薄板结构光子晶体的能带图；
图3为光子晶体结构的微腔平面内的结构示意图；
图4为图3所示的光子晶体微腔平面内的结构的放大后的示意图；
图5为采用光子晶体结构形成的微腔中的各个模式的品质因子示意图；
图6为采用光子结构形成的回音壁模式的示意图；
图7为此光子晶体结构形成的回音壁模式中的电场强度在空间频率中分布的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本方法采用光子晶体结构形成环形腔，从而可以得到回音壁模式，具体是在半导体材料中，通过在完好的三角晶格光子晶体中去掉12个光子晶体空气孔，并在环形的拐角处增加6个光子晶体空气孔，形成光子晶体环形腔来实现的。
所述去掉的12个光子晶体空气孔构成一正六边形结构。
所述增加的6个光子晶体空气孔，位于形成的光子晶体环形腔的六个角上的两个光子晶体空气孔的正中间，增加的光子晶体空气孔与所述角上的两个光子晶体空气孔的圆心位于一条直线上，且增加的光子晶体空气孔的圆心到该三角晶格光子晶体中心光子晶体空气孔的圆心的距离相等。
所述半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料，或InP/InGaAsP材料。
该方法通过在形成的光子晶体环形腔上进行光注入或者电注入，进一步形成光子晶体激光器。
所述光子晶体环形腔在空气桥类型薄板结构实现，或者在低折射率材料覆盖型薄板结构实现，或者在传统半导体覆盖型薄板结构实现。
所述回音壁模式是存在于圆形介质中的一种模式，特定波长的光波在物质表面发生全内反射形成此模式，回音壁模式具有较高的品质因子，易于形成激光。
所述回音壁模式受到圆形介质体积的限制，当圆形介质体积减到光波的衍射极限时，光波在弯曲处的地方损耗增加，使圆形介质中回音壁模式的品质因子随着微腔体积的减小而减小。
该方法采用光子结构的光子带隙限制，使回音壁模式不受体积的限制。
所述光子晶体环形腔中的回音壁可通过一光子晶体波导耦合输出，以制作成边发射的光子晶体激光器。
参照附图1所示，图1中显示了一完整的二维光子晶体板薄板结构的示意图，该二维光子晶体板薄板的折射率为3.4，光子晶体薄板上下面被空气所包围，也即薄板上下的折射率选为1，周期为a，晶格为三角晶格。半径选用r＝0.3*a，薄板的厚度为0.6*a，本发明所述的光子晶体结构的微腔就是在这一结构的光子晶体中实现的。
参照附图2，图2中显示了二维薄板结构光子晶体的能带图，从图中可以知带隙在a/λ＝0.26和a/λ＝0.335之间，所以选用的回音壁模式应该在带隙之间，以满足光子晶体的光子带隙对此模式的限制。阴影区域表示光锥(按照全反射条件，可以将在薄板结构中传输的光分为导波模和泄露模，光子晶体薄板结构的能带图可以中引入光锥，以表示出两种模式)，处在阴影区的频率为泄漏模式。
参照附图3，图中显示了光子晶体微腔在平面内的结构示意图，因模拟计算时对计算机的限制，仅仅在微腔外包围了三层光子晶体结构。
参照附图4，图中显示了图3所示的光子晶体微腔平面内的结构的放大后的示意图，以详细说明此结构，如图所示，去掉12个光子晶体空气孔，由最细的虚线所表示，12个光子晶体呈六边形排列形成光子晶体环形腔。同时在环形腔的六个角上增加六个光子晶体空气孔，增加孔的目的使得光子晶体环形腔外层结构的空气空距离中心类似于圆形，以得到比较好的回音壁模式的图形。如图所示，增加的空气孔位于两个角上的空气孔的正中间，角上的空气孔由粗的虚线表示，也就是增加的孔与角上的两个孔的圆心位于一条直线上，并且增的孔的圆心到另外两个孔的圆心的距离相等。
参照附图5，图5采用光子晶体结构形成的微腔中的各个模式的品质因子示意图，图中显示了二维光子晶体薄板的各个模式的Q值的变化，从图中可以看到其中的最高的Q值为12000。
参照附图6，图6为采用光子结构形成的回音壁模式的示意图，图中显示了图5中拥有最高品质因子的模式的磁场的分布图，也即回音壁模式的图形，证明此结构存在高品质因子的回音壁模式。
参照附图7，图7为此光子晶体结构形成的回音壁模式中的电场强度在空间频率中分布的示意图，图中显示了此光子晶体结构形成的回音壁模式中的电场强度在空间频率中的分布。按全反射原理可以知道，在空间频率坐标系中满足k≤2π/λ0是泄露模式，当模式在真空中的波长固定的时候，空间频率坐标系内的光锥可以通过圆来表示的。处在圆内的电场强度(|E|2)是泄露出去的模式。从图中可以看到，此回音壁模式的大部分电场强度都是处在光锥之外的，因此垂直方向的损耗很小。
实施例1
按照图1在InP材料上实现可以二维光子晶体薄板结构，其能带图如图2所示，结合图1和图2，按照图3可以制作光子晶体结构实现回音壁模式。
各部分参数选用如下：
材料：InP四元系半导体材料，折射率为3.4。
可以实现回音壁模式的光子晶体结构：在如图1所示完整的二维光子晶体薄板结构中去掉12个空气孔并在光子晶体环形腔结构的拐角处增加六个空气孔，结构如图4所示，结构的周期为470nm，小孔的半径为141nm。参照图3，计算模拟时，光子晶体环形腔周围被3层光子晶体所包围(因三维的计算占用内存大，本发明仅仅模拟了3层光子晶体包围的情况)。
参照上面的参数设计，经过模拟计算可以得出二维薄板结构的光子晶体环形腔的各个模式的品质因子如图5所示，可以知道此光子晶体结构存在一品质因子较高的模式。通过时域有限差分方法可以得到此模式的磁场分布，通过图6中模式的特征可以判断此模式属于回音壁模式。
实施例2
按照图1在InP材料上实现可以二维光子晶体薄板结构，其能带图如图2所示，结合图1和图2，按照图3可以制作光子晶体结构实现回音壁模式。
材料：InP四元系半导体材料，折射率为3.4。
可以实现回音壁模式的光子晶体结构：在如图1所示完整的二维光子晶体薄板结构中去掉12个空气孔并在光子晶体环形腔结构的拐角处增加六个空气孔，结构如图4所示，结构的周期为470nm，小孔的半径为141nm。参照图3，计算模拟时，光子晶体环形腔周围被3层光子晶体所包围(因三维的计算占用内存大，本发明仅仅模拟了3层光子晶体包围的情况)。
参照上面的参数设计，可以计算得出回音壁，通过对回音壁模式的模拟计算来分析回音壁模式存在高品质因子的原因。模拟计算回音壁模式中的电场强度在空间频率中的分布。按全反射原理可以知道，在空间频率坐标系中满足k≤2π/λ0是泄露模式，当模式在真空中的波长固定的时候，空间频率坐标系内的光锥可以通过圆来表示的。处在圆内的电场强度(|E|2)是泄露出去的模式的电场强度。从图7中可以看到，此回音壁模式的大部分电场强度都是处在光锥之外的，因此垂直方向的损耗很小。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
主要参考文献
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Claims (10)
1、一种采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，该方法是在半导体材料中，通过在完好的三角晶格光子晶体中去掉12个光子晶体空气孔，并在环形的拐角处增加6个光子晶体空气孔，形成光子晶体环形腔来实现的。
2、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述去掉的12个光子晶体空气孔构成一正六边形结构。
3、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述增加的6个光子晶体空气孔，位于形成的光子晶体环形腔的六个角上的两个光子晶体空气孔的正中间，增加的光子晶体空气孔与所述角上的两个光子晶体空气孔的圆心位于一条直线上，且增加的光子晶体空气孔的圆心到该三角晶格光子晶体中心光子晶体空气孔的圆心的距离相等。
4、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料，或InP/InGaAsP材料。
5、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，该方法通过在形成的光子晶体环形腔上进行光注入或者电注入，进一步形成光子晶体激光器。
6、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述光子晶体环形腔在空气桥类型薄板结构实现，或者在低折射率材料覆盖型薄板结构实现，或者在传统半导体覆盖型薄板结构实现。
7、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述回音壁模式是存在于圆形介质中的一种模式，特定波长的光波在物质表面发生全内反射形成此模式，回音壁模式具有较高的品质因子，易于形成激光。
8、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述回音壁模式，当存在于普通的圆形介质时，将会受到圆形介质体积的限制，当圆形介质体积减到光波的衍射极限时，光波在弯曲处的地方损耗增加，使圆形介质中回音壁模式的品质因子随着微腔体积的减小而减小。
9、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，该方法采用光子结构的光子带隙限制，使回音壁模式不受体积的限制。
10、根据权利要求1所述的采用光子晶体结构实现环形腔回音壁模式的方法，其特征在于，所述光子晶体环形腔中的回音壁可通过一光子晶体波导耦合输出，以制作成边发射的光子晶体激光器。
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