CN101887145B

CN101887145B - 光子晶体矩形耦合腔零色散慢光波导

Info

Publication number: CN101887145B
Application number: CN2010102017422A
Authority: CN
Inventors: 曲连杰; 杨跃德; 黄永箴
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: CN101887145A

Abstract

本发明提供一种介质柱光子晶体零色散慢光波导，包括：一衬底；多个耦合腔，该耦合腔为矩形柱体，该耦合腔成一排直线竖立制作在衬底中间部位的上面，用于对慢光模式的调节；多个介质柱，该介质柱为圆柱体，该介质柱成多排直线竖立制作在衬底的上面，而位于耦合腔的两侧，用于对光场的侧向限制；一激发源，该激发源位于上述衬底的一侧，与成排的耦合腔相对，激励慢光模式的产生。

Description

光子晶体矩形耦合腔零色散慢光波导

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种光子晶体零色散慢光波导。

背景技术

光子晶体慢光波导以其潜在带宽大、可在室温下实现和二维阵列集成等优势，在光通信、光存储、光互联和生物传感等领域受到广泛应用，引起了人们的浓厚兴趣和密切关注。在众多应用场合都要求光子晶体慢光波导的群速度足够小，采用单线缺陷的光子晶体波导可以实现较大的带宽，但是对应的群速度很难减少，有如文献1：“Mao XY，Zhang G Y，Huang YD et al..Chin.Phys.Lett.，2008，25(12)：4311”中的平板光子晶体单缺陷波导群速度减少到c/118，而文献2：“Falco A D，O’Faolain L，and Krauss T F.Applied Physics Letters，2008，92：083501”中的光子晶体条形介质波导也只是能够把群速度降低到c/100左右。而采用光子晶体耦合腔波导结构可以较容易的降低群速度，但是它的问题在于难以在三维情况下保证零色散点位于光线区以下，难以实现单模慢光。

为了实现光子晶体耦合腔波导零色散点处的单模慢光，基于耦合腔模式和光子晶体单线缺陷波导模式的耦合机制。可以通过对耦合腔的尺寸的调节实现能带零色散点向光线区下方移动，同时利用光线区域对模式的辐射作用实现光线区下方的单模慢光。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光子晶体耦合腔零色散慢光波导，以克服光子晶体耦合腔慢光波导零色散点位于光线区域的问题，并实现三维情况下的慢光单模输出。

为达到上述目的，本发明提供一种介质柱光子晶体零色散慢光波导，包括：

一衬底；

多个耦合腔，该耦合腔为矩形柱体，该耦合腔成一排直线竖立制作在衬底中间部位的上面，用于对慢光模式的调节；

多个介质柱，该介质柱为圆柱体，该介质柱成多排直线竖立制作在衬底的上面，而位于耦合腔的两侧，用于对光场的侧向限制；

一激发源，该激发源位于上述衬底的一侧，与成排的耦合腔相对，激励慢光模式的产生。

其中所述介质柱是呈四方晶格排列的光子晶体介质柱。

其中所述四方晶格排列光子晶体介质柱，其原胞为方形介质柱型。

其中所述耦合腔为矩形腔。

其中所述矩形耦合腔是单列沿光子晶体单线缺陷波导方向排列。

其中该激发源位于离衬底一预定距离处。

其中该激发源位于离衬底预定的距离为耦合腔高度的1/2。

其中所述光子晶体零色散慢光波导的光传播方向垂直于耦合腔。

其中所述光子晶体零色散慢光波导的工作波长在零色散点位置。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种光子晶体零色散慢光波导采用介质柱形式，可以实现三维情况下的慢光传播，具有实际的应用价值。

2、本发明提供的这种光子晶体零色散慢光波导，可以利用三维情况下的模式z向辐射，实现单模输出，避免了一般光子晶体慢光波导利用此种能带结构，不能在零色散点处实现单模输出的问题。

3、本发明提供的这种光子晶体零色散慢光波导，可以有效的减少在零色散点处的群速度。

附图说明

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，其中：

图1为本发明提供的这种光子晶体慢光波导的结构示意图。图中z坐标方向代表波导垂直方向；x、y坐标方向代表波导水平方向；光脉冲沿着x方向传播；

图2为本发明提供的这种光子晶体慢光波导的二维结构图；

图3为本发明提供的介质柱半径为0.2a。矩形耦合腔在x方向尺度为0.4a，y方向尺度为1.1a和1.4a的情况下沿光脉冲传播方向上的能带结构；

图4为本发明提供的介质柱半径为0.2a。矩形耦合腔在x方向尺度为0.4a，y方向尺度为1.1a和1.4a的情况下的群速度以及群速度色散；

图中，1为衬底，2为耦合腔，3为介质柱，4为激发源。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提供的这种光子晶体零色散慢光波导三维结构图，该光子晶体零色散慢光波导由衬底1、耦合腔2、介质柱3构成，激发源4位于衬底上方h处。

其中：

一衬底1；

多个耦合腔2，该耦合腔2为矩形柱体，该耦合腔2成一排直线竖立制作在衬底1中间部位的上面，其中所述耦合腔2为矩形腔；矩形耦合腔2是单列沿光子晶体单线缺陷波导方向排列，对于普通的光子晶体单线缺陷波导，禁带内的模式是单调的，而由于矩形耦合腔的存在，可以有效的调节光子晶体单线缺陷波导内的模式，获得特性较好的慢光；

多个介质柱3，该介质柱3为圆柱体，该介质柱3成多排直线竖立制作在衬底1的上面，而位于耦合腔2的两侧；其中所述介质柱3是呈四方晶格排列的光子晶体介质柱；四方晶格排列光子晶体介质柱，其原胞为方形介质柱型，由于介质柱在两侧周期性的排列，可以对一对频率内的光波实现侧向的限制；

一激发源4，该激发源4位于上述衬底1的一侧，与成排的耦合腔2相对；该激发源4位于离衬底1一预定距离处；该激发源4位于离衬底1预定的距离为耦合腔2高度的1/2，用于激励慢光的产生。

其中光子晶体零色散慢光波导的光传播方向垂直于耦合腔2，该光子晶体零色散慢光波导的工作波长在零色散点位置。

所述介质柱3中的介质柱是四方晶格排列的光子晶体介质柱。

所述四方晶格排列光子晶体介质柱，其原胞是四方介质柱型。

所述耦合腔2采用矩形耦合腔。

所述光子晶体零色散慢光波导的矩形耦合腔2是单列沿光子晶体单缺陷波导方向排列。

所述光子晶体零色散慢光波导的衬底1只在介质柱的一个方向上存在。

所述光子晶体零色散慢光波导的激发源4位于离衬底一定距离h处。

所述光子晶体零色散慢光波导的光传播方向垂直于介质柱方向。

该设计中的光子晶体零色散慢光波导的工作波长在零色散点位置。

如图2所示，图2为本发明提供的这种光子晶体零色散慢光波导垂直于z轴的俯视图。图中2为矩形耦合腔，3为光子晶体介质柱，4为激发源。其中，矩形耦合腔2在x和y方向上长度分别为w和1。光子晶体介质柱3半径为r。

基于图1和图2所述的这种光子晶体零色散慢光波导，以下结合具体的实施例对本发明提供的这种光子晶体零色散慢光波导的慢光特性作进一步详细说明。

本实施例中这种光子晶体零色散慢光波导设计的工作波长在零色散点处。本实例所采用的衬底1为Si，矩形耦合腔2采用Si，介质柱3也采用Si，介质柱3半径r＝0.2a，矩形耦合腔2的x方向宽度w＝0.4a，y方向的高度l＝1.1a和1.4a，矩形耦合腔2在x方向上的周期与光子晶体的周期相同。由于矩形耦合腔2可以在x和y两个方向上对光场进行限制，因此可以更有效的降低群速度，同时，由于参数较多，对能带的调节也就相对更广。

本实施例的模拟结果如图3和图4所示。图3是依照本发明的实例提供的这种光子晶体慢光波导的能带结构图，计算方法采用平面波展开法。图4是对应能带结构的群速度和群速度色散曲线。能带对应于图3中的平带。对于相同的光子晶体周期结构，增大矩形耦合腔2的面积将降低能带，由于耦合机制，能带之间会相互交叉耦合形成反交叉点，通过参数的调节，可以控制反交叉点的位置，对应的能带模式的慢光特性也发生改变，当矩形耦合腔2在x和y方向上的尺寸为0.5a，1.0a时存在反交叉点，但是该点位于光线的上方，通过矩形耦合腔2的几何参数的调节可以实现反交叉点的移动，研究发现，通过减小矩形耦合腔2在x方向的尺寸可以更迅速的调节反交叉点向光线区域下方移动，当矩形耦合腔2横向尺寸固定为0.4a的时候，y方向尺寸为1.0a-1.4a的时候，对应的反交叉点位于光线区的下方，并且形成慢光特性较好的平带。如图3所示为对应两种几何尺寸的矩形耦合腔的能带结构，可以看出随着y方向尺寸的增大，能带下移，这主要是由于增大了结构的几何面积，同时反交叉点向右移动。我们对这两种结构的光子晶体矩形耦合腔波导的慢光特性进行了简单的分析，如图4。对于w＝0.4a，l＝1.1a的矩形耦合腔2，在归一化波长为2.68785a处的色散为零，对应的群速度为c/91，通讯波段1.55μm(a＝576.7nm)对应带宽为180GHz，在该频率处的另外一个模式位于光线区域，对应辐射模。从而实现了慢光在三维情况下的单模输出。而对于w＝0.4a，l＝1.4a的矩形耦合腔2，在归一化波长为2.94055a处的色散为零，对应的群速度小于c/184。通讯波段1.55μm(a＝527.1nm)对应带宽为28GHz。可以看出随着矩形耦合腔2在y方向尺寸的增加，对应的归一化波长增加，通讯波段带宽减少，群折射率增加，正符合慢光和色散之间矛盾的关系。

此种结构避免了传统的光子晶体耦合腔慢光波导在三维情况下难以在零色散点工作的问题，实现了单模慢光的产生，同时也保留光子晶体耦合腔波导低群速度的性质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种介质柱光子晶体零色散慢光波导，包括：

一衬底，该衬底的材料为Si；

多个耦合腔，该耦合腔为矩形柱体，该多个耦合腔成一排直线竖立制作在衬底中间部位的上面，沿光子晶体单线缺陷波导方向排列，用于对慢光模式的调节，该耦合腔的材料为Si；

该多个介质柱，该介质柱为圆柱体，该介质柱成多排直线竖立制作在衬底的上面，而位于所述多个耦合腔的两侧，用于对光场的侧向限制，所述介质柱是呈四方晶格排列的光子晶体介质柱，其原胞为方形介质柱型，该介质柱的材料为Si；

一激发源，该激发源位于上述衬底的一侧，与成排的耦合腔相对，激励慢光模式的产生；

所述晶格的晶格常数为a，所述介质柱半径r为0.2a，所述矩形柱体在x方向的宽度w为0.4a，y方向的长度1为1.1a-1.4a，所述多个耦合腔在x方向上的周期与光子晶体的周期相同。

2.根据权利要求1所述的光子晶体零色散慢光波导，其中该激发源位于离衬底一预定距离处。

3.根据权利要求2所述的光子晶体零色散慢光波导，其中该激发源位于离衬底预定的距离为耦合腔高度的1/2。

4.根据权利要求1所述的光子晶体零色散慢光波导，其中所述光子晶体零色散慢光波导的光传播方向垂直于耦合腔。

5.根据权利要求1所述的光子晶体零色散慢光波导，其中所述光子晶体零色散慢光波导的工作波长在零色散点位置。