CN101718939B - 一种光子晶体微腔结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体微腔结构及其制作方法，属于光电子技术领域。本发明的光子晶体微腔结构，包括有机覆盖层、衬底和位于所述有机覆盖层与所述衬底之间的半导体光子晶体微腔；所述有机覆盖层为非线性有机共轭聚合物；本发明的方法为：1)在衬底上生长一层半导体薄膜；2)在半导体薄膜上刻蚀光子晶体微腔结构；3)在光子晶体微腔结构上制备一层有机覆盖层；所述有机覆盖层为非线性有机共轭聚合物。与现有技术相比，本发明的光子晶体微腔制备的光开关具有高Q值、低泵浦功率低功率、开关时间响应快的特点，同时加工和制备方便，非常利于集成。

Description

一种光子晶体微腔结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光子晶体微腔结构及其制作方法，利用这种结构可实现光通讯波段低泵浦功率光子晶体全光开关，属于光电子技术领域。

背景技术

光子晶体是由两种或者两种以上的具有不同介电函数的材料在空间周期性排列而形成的一种人工设计的新型光子学材料。由于空间周期性介电函数对入射光波的调制作用，使得光子晶体具有导带和光子带隙，具有独特的控制光子传输状态的特性，在光通讯、光计算和超快速信息处理等领域都具有非常重要的应用。

全光开关是以一束光来控制另一束光的传输状态，是一种非常重要的集成光子器件。快速的开关时间响应、高开关对比、低泵浦功率是光子晶体全光开关的重要指标。人们提出了许多机理来实现光子晶体光开关(文献1，P.Tran，″ Optical Limiting and Switchingof Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic Bandgap Structure wit

目前光子晶体全光开关的实验研究很多都是基于通常的半导体材料，通过飞秒激光泵浦光子晶体，激发半导体自由载流子而改变材料的折射率，从而改变光子晶体有效折射率，使得光子带隙和缺陷模式发生移动，从而实现飞秒量级超快速时间响应的光子晶体全光开关。但是，通常的半导体材料的非线性系数相对较小，通常其非线性极化率在10^-15esu的量级，需要很高的泵浦光功率才能实现开关效应，泵浦光强通常在GW/cm²的量级(文献6，M.Shimizu，T.Ishihara.Subpicosecond transmission change in semiconductor-embedded photonic crystal slab：Toward ultrafast optical switching.Appl.Phys.Lett.2002，80：2836-2838)；Raineri等人发现利用高Q值光子晶体微腔可以降低光开关的泵浦功率，在半导体光子晶体中引入缺陷，利用缺陷态的移动实现光子晶体全光开关，通过设计光子晶体及缺陷的结构提高缺陷模式的品质因数(即Q值)，Q值达到了10⁶的量级，从而大大降低了实现全光开关所需的泵浦光强，利用几十KW/cm²的低泵浦光强实现了皮秒快响应光子晶体全光开关，但是光开关的开关效率(“开”与“关”两种状态下的透过率对比)很低，仅达到了15％，而且高Q值光子晶体微腔的制备过程非常复杂，难以实现人工调控(文献7，F.Raineri，C.Cojocaru，P.Monnier，A.Levenson，R.Raj，C.Seassal，X.Letartre，and P.Viktorovitch，Ultrafast dynamics of the third-ordernonlinear response in a two-dimensional InP-based photonic crystal.Appl.Phys.Lett.，2004，85：1880-1882)。这就极大地限制了光子晶体全光开关的实际应用。

专利1(申请号02160207.7)以半导体材料作为非线性光学材料来构造具有缺陷态的二维光子晶体，利用半导体材料的三阶非线性光学Kerr效应，在泵浦光作用下缺陷态发生移动而实现全光开关。但是，由于半导体材料的非线性系数较小，需要GW/cm²量级的很高的泵浦光强。与本发明专利的内容完全不同。

专利2(申请号200710099383.2)采用有机共轭聚合物材料加入激光染料利用该复合染料制备二维光子晶体光开关。复合材料的三阶非线性系数比不搀杂的有机共轭聚合物材料大1～2个数量级，能有效降低实现开关效应所需的泵浦激光的激发功率，可以实现低泵浦功率的光子晶体全光开关，泵浦功率可以降至几百KW/cm²到MW/cm²。与本发明专利的内容完全不同。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中高Q值光子晶体微腔的制备过程复杂、难以调控的缺点，提供一种光子晶体微腔结构及其制作方法，该结构由有机覆盖层、半导体光子晶体微腔和衬底所构成，其中有机覆盖层为高非线性有机共轭聚合物材料。

本发明的另一目的在于利用该光子晶体微腔复合结构来实现光通讯波段低功率光子晶体全光开关的功能：

通常情况下，光子晶体微腔的Q值是由构造光子晶体的材料的折射率大小和微腔的结构参数是否优化所决定的，而光开关的泵浦功率是由材料的非线性极化率的大小所决定的。半导体材料在光通讯波段具有较高的折射率，半导体材料的折射率通常大于3.0，很容易实现较高Q值的光子晶体微腔，微腔的Q值可以很容易达到10⁴的量级；但是半导体材料的非线性光学系数相对较小，其非线性极化率仅达到10^-15esu的量级。而有机共轭聚合物材料的折射率较小，通常在1.4～1.8之间，很难实现较高Q值的光子晶体微腔，微腔的Q值通常小于500；但是有机共轭聚合物材料的非线性光学系数相对较大，其非线性极化率通常在10^-11esu的量级，而且通过掺杂和近共振激发，非线性极化率可以达到10^-6esu的量级。

本发明同时利用半导体材料的高折射率，以及有机共轭聚合物材料的高非线性的优点，设计出一种有机-无机光子晶体微腔复合结构，利用半导体材料来构造较高Q值的光子晶体微腔，将有机共轭聚合物材料覆盖到半导体光子晶体微腔的上表面。微腔共振模式在水平方向(x-y)上由于光子带隙效应而被局域在缺陷位置附近，在垂直方向(z)上通过全内反射而被局域在半导体光子晶体中，微腔共振模式的场分布将以消逝场的形式扩展到有机覆盖层中。选择入射激光的波长位于光子晶体微腔支持的共振模式的中心波长。在没有泵浦激光的作用时，探测激光能够通过光子晶体，此时，光开关处于“开”的状态；在泵浦激光的作用下，由于有机共轭聚合物材料自身的高三阶非线性光学Kerr效应，使得较弱的泵浦光强就能够引起较大的有机覆盖层的折射率的变化，从而导致光子晶体微腔的有效折射率发生改变，微腔的共振频率发生移动，使得探测光的频率逐渐落入光子带隙中，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过，此时光开关就处于“关”的状态；由于有机覆盖层具有较高的三阶非线性极化率，因此能够实现光通讯波段低泵浦功率的光子晶体全光开关。

本发明的技术方案为：

一种光子晶体微腔结构，包括有机覆盖层、衬底和位于所述有机覆盖层与所述衬底之间的半导体光子晶体微腔；所述有机覆盖层为非线性有机共轭聚合物。

进一步的，所述有机覆盖层的厚度为10nm～200nm；所述半导体光子晶体微腔的厚度为200nm～300nm；所述衬底的厚度为500μm～5mm。

进一步的，构成所述半导体光子晶体微腔的光子晶体中的空气孔直径 $d=\frac{2}{3}a,$ 其中a为光子晶体的晶格常数。

进一步的，采用多重散射方法或者时域有限差分方法计算所述光子晶体的晶格常数、空气孔直径和所述半导体光子晶体微腔的共振频率。

进一步的，所述晶格常数为327nm、所述空气孔直径为136nm；所述有机覆盖层的厚度为100nm、所述半导体光子晶体微腔的厚度为250nm。

一种光子晶体微腔结构制作方法，其步骤为：

1)在衬底上生长一层半导体薄膜；

2)在半导体薄膜上刻蚀光子晶体微腔结构；

3)在光子晶体微腔结构上制备一层有机覆盖层；所述有机覆盖层为非线性有机共轭聚合物。

进一步的，所述光子晶体微腔结构的刻蚀方法为：在所述半导体薄膜上刻蚀出正方晶格周期性空气孔，且保留光子晶体中间相邻的三个空气孔未刻蚀。

进一步的，所述光子晶体中的空气孔直径 $d=\frac{2}{3}a,$ 其中a为光子晶体的晶格常数。

进一步的，所述晶格常数为327nm、所述空气孔直径为136nm；所述有机覆盖层的厚度为100nm、所述半导体光子晶体微腔的厚度为250nm。

进一步的，采用聚焦离子束刻蚀方法刻蚀所述光子晶体微腔结构；采用化学气相沉积方法或分子束外延方法生长所述半导体薄膜；采用旋涂方法制备所述有机覆盖层。

1.有机-无机光子晶体微腔复合结构

如图1所示，本发明的有机-无机光子晶体微腔复合结构由三部分组成：有机覆盖层、半导体光子晶体微腔和衬底。有机覆盖层为高非线性有机共轭聚合物材料。

1)对材料的要求：

有机覆盖层：由非线性有机共轭聚合物材料所构成：如聚苯乙烯(polystyrene)、聚对苯撑乙烯(Poly(p-phenylene vinylene)，简称PPV)及其衍生物、聚二乙炔(Polydiacetylene，简称PDA)、聚乙炔(Polyacetylene，简称PA)、聚噻吩(Polythiophene，简称PT)等；

半导体材料层：可选用硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铝镓砷(AlGaAs)等对红外光透明的材料；

衬底：二氧化硅(SiO₂)(又称为石英)。

这些有机、无机材料都可以从市场上买到。

2)对尺寸的要求

整个光子晶体微腔复合结构在x-z方向的尺寸的大小，需要根据入射的探测激光束光斑的大小来确定，要求能够覆盖整个入射探测激光光斑；

有机覆盖层的厚度：5nm～700nm

半导体光子晶体微腔的厚度：200nm～600nm

晶格常数：100nm～2μm

空气孔的直径：50nm～500nm

衬底的厚度：500μm～5mm

3)空气孔中的填充物

空气孔的直径只有几十到百纳米的量级。有机覆盖层是通过化学上常用的旋涂的方法制备的。由于表面张力的作用，有机物的溶液不会进入到空气孔中。

2.全光开关功能的实现

1)实现方法

光子晶体微腔共振模式在水平方向(x-y)上由于光子带隙效应而被局域在缺陷位置附近，而在垂直方向(z)上通过全内反射而被局域在半导体材料中，微腔共振模式的场分布将以消逝场的形式扩展到有机覆盖层中，有机覆盖层的折射率的变化，将引起整个光子晶体微腔有效折射率的改变，使微腔共振模式发生移动。选择入射激光的波长λ位于光子晶体微腔支持的共振模式的中心波长λ₁。

在没有泵浦激光的作用时，探测激光能够通过光子晶体，此时，光开关处于“开”的状态，光束传播示意图如图2所示；波导1和2是没有刻蚀的、与光子晶体一样的半导体材料。此时光束传播过程为：

在泵浦激光的作用下，由于三阶非线性光学Kerr效应，有机覆盖层的折射率将发生改变，这就使得有机-无机光子晶体微腔的有效折射率发生改变，导致微腔共振频率发生移动，使得探测光的频率逐渐落入光子带隙中，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过，此时光开关就处于“关”的状态；，光束传播示意图如图3所示。此时光束传播过程为：

由于有机覆盖层具有较高的三阶非线性极化率，因此能够实现光通讯波段低泵浦功率的光子晶体全光开关。

2)各项参数的确定

(1)有机覆盖层的厚度：由微腔共振模式在覆盖层中的穿透深度所决定，微腔共振模式在介质层中的穿透深度通常小于200nm，因此，有机覆盖层的厚度可以在10nm～200nm之间任意取值。

(2)半导体材料层的厚度：在半导体材料层中要刻蚀光子晶体微腔，为了保证入射激光的单模传输特性，通常半导体材料层的厚度可以在在200nm～300nm之间任意取值。

(3)衬底的厚度：衬底只是起到支撑的作用，衬底的厚度可以在500μm～5mm之间任意取值。

(4)光子晶体微腔的参数：

光子晶体由半导体薄膜中正方晶格排列的空气孔所组成，在光子晶体的中间去掉相邻的几个空气孔而构成光子晶体微腔。

周期性正方晶格空气孔的晶格常数(孔与孔之间的距离)：可以根据布拉格公式计算出来：λ＝2na，其中λ是入射的探测光(或者信号光)的波长，n是有效折射率，a是晶格常数。对于光通讯波段，λ可取1300nm或者1550nm。

空气孔的直径 $d=\frac{2}{3}a.$

更详细的晶格常数和孔半径的数据，可以通过多重散射方法或者时域有限差分方法，利用计算机模拟计算获得。

光子晶体微腔的共振频率，可以通过多重散射方法或者时域有限差分方法，通过计算机模拟计算获得。

多重散射方法或者时域有限差分方法有现成的商用软件，可以从市场上购买到。

(5)泵浦光的波长：控制光的波长只要落入光子晶体的导带即可，具体数值没有要求。

(6)探测光的波长：对于光通讯波段，探测光的波长可取1300nm或者1550nm。

3.缺陷模迁移机理

根据光子晶体的光子局域理论，如果在光子晶体中引入缺陷，该缺陷将支持一个谐振的电磁场模式，在光子带隙中出现相应的缺陷态。选择合适的缺陷结构和参数，可以使缺陷模式具有很高的透过率。选择泵浦光位于光子晶体的导带，且远离光子带隙。选择探测光的波长位于缺陷模的中心波长，开始时探测光能够通过光子晶体。在泵浦光的作用下，由于三阶非线性光学Kerr效应，光子晶体的有效折射率发生改变，光子带隙发生移动，相应地缺陷模式的中心波长也发生改变，使得缺陷模式的位置发生移动，探测光的波长远离缺陷模式的中心并落入光子带隙中，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过光子晶体。这样，利用泵浦光的激发作用，使缺陷模式发生迁移，可以实现全光开关效应。缺陷模迁移机理的示意图如图4所示：[文献8，P.Tran，″Optical Limiting and Switching of ShortPulses by Use of a Nonlinear Photonic Bandgap Structure with a Defect″，J.Opt.Soc.Am.B 1997，14(10)：2589-2594]

4.三阶非线性光学Kerr效应

根据三阶非线性光学Kerr效应，非线性光学材料受到泵浦激光的激发作用，其折射率n将发生变化，

$n=n_0+\mathrm{\Δn}=n_0+\frac{120{\mathrm{\π}}^2}{{\mathrm{cn}}_0^2}{R}_e{\mathrm{\χ}}^{\left(3\right)}I---\left(1\right)$

其中，n₀为材料的线性折射率，c为真空中的光速，χ⁽³⁾为材料的三阶非线性极化率，R_eχ⁽³⁾代表取三阶非线性极化率χ⁽³⁾的实部的值，I为泵浦光强，π为常数3.14。[文献9，钱士雄，王恭明编著，非线性光学--原理与进展，上海：复旦大学出版社，2001年版]

5.端面耦合方法

端面耦合方法是一种将入射激光耦合到薄膜光波导中的有效方法。将入射激光通过光纤锥(或者透镜聚焦)后，适当调节光纤锥(或者透镜)与薄膜光波导端面之间的距离，当入射激光的波长、场分布与波导模式的波长和场分布相同时，就可以把入射光耦合到薄膜光波导中。[文献10，董孝义编著，光波电子学-光通信物理基础，南开大学出版社，1987年版]

本发明的优点在于：

1.同时利用半导体材料的高折射率，以及有机共轭聚合物材料的高非线性的优点，利用半导体材料来构造较高Q值的光子晶体微腔，利用有机材料来获得低功率光子晶体全光开关。

2.有机材料的非线性时间响应在亚皮秒的量级，可以获得超快速的开关时间响应。

3.有机-无机光子晶体微腔复合结构简单，加工和制备方便，非常利于集成。

附图说明

图1是本发明的有机-无机光子晶体微腔复合结构示意图；

图2是无泵浦光时，光开关处于“开”状态的光束传播示意图；

图3是有泵浦光时，光开关处于“关”状态的光束传播示意图；

图4是缺陷模迁移机理实现光子晶体光开关；

图5是本发明的有机-无机光子晶体微腔复合结构作为全光开关应用的装置示意图；

图6是本发明实施例中的有机-无机光子晶体微腔复合结构的透过谱曲线；

图7是本发明实施例中的有机-无机光子晶体微腔复合结构的全光开关效应曲线；

图面说明：

1、有机覆盖层，        2、半导体光子晶体微腔，   3、衬底，

4、激光器              5、半透半反镜             6、延迟线

7、全反射镜            8、会聚透镜               9、样品

10、全反射镜           11、会聚透镜              12、收集透镜

13、光谱仪             14、计算机

h₁、有机覆盖层的厚度，h、半导体光子晶体微腔的厚度，h₂、衬底的厚度

a、晶格常数，d、空气孔的直径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

实施例1有机-无机光子晶体微腔复合结构

在厚度300μm，长和宽均为2cm的石英基片上，利用化学气相沉积技术(或者分子束外延技术)生长一层250nm厚的硅薄膜；利用微电子工业常用的聚焦离子束刻蚀技术(或者其它光刻技术)在硅薄膜上刻蚀出正方晶格周期性空气孔，晶格常数为327nm，空气孔直径为136nm；在光子晶体中间有相邻的三个空气孔的位置没有刻蚀，这样来构造出光子晶体微腔；最后，利用化学上常用的旋涂技术在半导体层上制备100nm厚的MEH-PPV薄膜(作为有机覆盖层)。由于液体表面张力的作用，在旋涂的过程中MEH-PPV不会进入到狭缝中。

该有机-无机光子晶体微腔复合结构的透过谱如图6所示。微腔的Q值为800，微腔模式的中心波长为1550nm。

实施例2

应用实施例1中的有机-无机光子晶体微腔复合结构作为光通讯波段的全光开关：

图5是本发明实施例1中有机-无机光子晶体微腔复合结构作为全光开关应用的装置示意图。

其中激光器4为飞秒OPO激光器(美国相干公司制造，波长400nm-1.8μm可调，重复频率86MHz)，发出的准连续激光半透半反镜5分为两束，一束作为探测光，经过延迟线6和全反射镜7后，由会聚透镜8聚焦后，通过端面耦合进入半导体光子晶体微腔样品9中；另一束光作为泵浦光，经过全反射镜10，由会聚透镜11聚焦后垂直于MEH-PPV层上表面垂直射入半导体光子晶体微腔样品9中；从样品中出射的光由收集透镜12会聚后，进入光纤光谱仪13，最后由计算机14进行数据的采集和处理。

入射激光的波长为1550nm，位于光子晶体微腔共振模式的中心波长。全光开关效应如图7所示：

在没有泵浦光作用的时候，探测光的透过率为75％，此时光开关处于“开”的状态；

在泵浦光的作用下，探测光的透过率开始发生变化：随着泵浦光强的增加，探测光的透过率逐渐减小。当泵浦光强为0.5MW/cm²时，探测光的透过率达到了最小值，即3％。此时光开关处于“关”的状态。

从“开”和“关”两种状态下的透过率对比，可以得出全光开关的开关效率是72％。

由于MEH-PPV具有飞秒量级的超快速非线性时间响应，因此，开关时间可以达到飞秒量级。

由此，实现了有机-无机光子晶体微腔复合结构作为光通讯波段低功率全光开关的应用。

Claims (8)

1.一种光子晶体微腔结构，包括有机覆盖层、衬底和位于所述有机覆盖层与所述衬底之间的半导体光子晶体微腔；所述有机覆盖层为非线性有机共轭聚合物；其中，有机覆盖层的厚度为5nm～700nm，半导体光子晶体微腔的厚度为200nm～600nm、晶格常数为100nm～2μm、空气孔直径为50nm～500nm，衬底的厚度为500μm～5mm。

2.如权利要求1所述的光子晶体微腔结构，其特征在于所述有机覆盖层的厚度为10nm～200nm；所述半导体光子晶体微腔的厚度为200nm～300nm；所述衬底的厚度为500μm～5mm。

3.如权利要求1或2所述的光子晶体微腔结构，其特征在于构成所述半导体光子晶体微腔的光子晶体中的空气孔直径

其中a为光子晶体的晶格常数。

4.如权利要求3所述的光子晶体微腔结构，其特征在于采用多重散射方法或者时域有限差分方法计算所述光子晶体的晶格常数、空气孔直径和所述半导体光子晶体微腔的共振频率。

5.一种光子晶体微腔结构制作方法，其步骤为：

1)在衬底上生长一层半导体薄膜；其中，衬底的厚度为500μm～5mm；

2)在半导体薄膜上刻蚀光子晶体微腔结构；其中，半导体光子晶体微腔的厚度为200nm～600nm、晶格常数为100nm～2μm、空气孔直径为50nm～500nm；

3)在光子晶体微腔结构上制备一层有机覆盖层；所述有机覆盖层为非线性有机共轭聚合物；其中，有机覆盖层的厚度为5nm～700nm。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述光子晶体微腔结构的刻蚀方法为：在所述半导体薄膜上刻蚀出正方晶格周期性空气孔，且保留光子晶体中间相邻的三个空气孔未刻蚀。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述光子晶体中的空气孔直径其中a为光子晶体的晶格常数。

8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于采用聚焦离子束刻蚀方法刻蚀所述光子晶体微腔结构；采用化学气相沉积方法或分子束外延方法生长所述半导体薄膜；采用旋涂方法制备所述有机覆盖层。

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