CN101995604A - 一种基于斜体蜂巢结构的二维光子晶体慢光波导实现方法 - Google Patents

Abstract

一种在二维三角晶格光子晶体波导中同时引入蜂巢结构以及斜体结构从而形成斜体蜂巢光子晶体慢光波导结构的实现方法。通过调节光子晶体结构，来实现较高的群折射率以及较宽的平坦色散的慢光带宽。仿真表明，斜体蜂巢光子晶体波导比不加斜体的蜂巢光子晶体波导，在群折射率分别约为25、50、62、84时，前者的群折射率-平坦色散慢光带宽积较后者分别提高65％，28％，35％，25.9％；并且通过调整嵌套空气孔的半径大小及位置，要比未经过调整的结构具有更大的群折射率-慢光带宽积，在群折射率约为25、50、62、86时分别提高7％，15％，6.8％和11.8％。从而说明斜体蜂巢光子晶体更加适合于实现慢光，为未来全光通信网络提供了一种实现超小型的全光缓存器的方法。

Description

一种基于斜体蜂巢结构的二维光子晶体慢光波导实现方法

技术领域

本发明涉及一种在普通的二维三角晶格光子晶体波导中同时引入蜂巢结构以及斜体结构从而形成斜体蜂巢光子晶体慢光波导结构的实现方法，属于全光网络中的光缓存领域。

背景技术

为了克服高速光纤通信中的“电子瓶颈”问题，从而提高通信效率和速率，人们提出了全光网络的概念。然而实现超高速的全光网络，有几个非常关键的技术：超高速光源，光开关，光时钟同步与恢复，光波长转换，光缓存等。其中，光缓存是实现信息传输和一系列信息处理功能的关键技术之一。网络节点的吞吐量、丢包率、通道竞争都需要用到光缓存器。为了实现完全光信息处理的全光路由器、彻底打破光纤通信系统的“电子瓶颈”，光缓存器是必不可少的关键部件。

利用光子晶体来做慢光的材料并达到缓存的目的是当下的研究热点，它的光缓存的主要思想便是控制光的群速度。光子晶体与其他慢光介质系统相比而言，其主要优势在于潜在的带宽大；光子晶体结构材料设计灵活，通过改变结构参数，可以在任意波长上实现慢光；光子晶体特殊结构的色散导致群速度降低，理论上群速度可以降到真空光速的10^-6倍，这种慢光传输可以在室温下运行，便于人为控制；光子晶体结构材料器件体积小，可实现大规模存储且便于与现有的光通信器件集成，因此倍受关注。

目前关于慢光的研究有的基于电磁诱导透明技术(EIT)来实现慢光(文献1.N.V.Wheeler，P.S.Light，F.Couny，and F.Benabid；“EIT-based slow and fast light in an all-fiber system，”Proc.SPIE，Vol.7612，p 761202，8February，2010)或基于光纤中的非线性效应，如布里渊散射等(文献2.Jianguo Liu，Tee-Hiang Cheng，Yong-Kee Yeo，Yixin Wang，Lifang Xue，Weifeng Rong，Luying Zhou，Gaoxi Xiao，Dawei Wang，and Xiaojun Y，“Stimulate Brillouin Scattering BasedBroadband Tunable Slow-Light Conversion in a Highly Nonlinear Photonic Crystal Fiber，”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.27，NO.10，MAY 15，2009)。基于光子晶体波导的慢光研究也有很多方面，有的利用光电聚合物材料通过外加电场达到可控慢光的目的(文献3.Che-Yun Lin and Beomsuk Lee，Alan X.Wang，Wei-Cheng Lai，SwapnajitChakravarty，Yazhao Liu，David Kwong，and Ray T.Chen，Jingdong Luo and Alex K.Y.Jen，“Ultra-compact silicon nanophotonic modulator based on electro-optic polymer infiltrated slotphotonic crystal waveguide，”Proc.SPIE，Vol.7607，p 76070D，23February 2010，文献4.WenjieLu，Yuping Chen，Xianfeng Chen，and Yuxing Xia，“Group Velocity Modulation Based onElectrooptic Photonic Crystal With Waveguide Structure，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS，VOL.22，NO.8，APRIL 15，2010)，有的通过调谐光子晶体结构或者引入槽波导来加强慢光的特性，如更大的慢光时延，更宽的可用平坦色散带宽，更小的色散等(文献5.RanHao，Eric Cassan，Hamza Kurt，Jin Hou，Xavier Le roux，Delphine Marris-Morini，Laurent Vivien，Dingshan Gao，Zhiping Zhou，and Xinliang Zhang，“Novel Kind of Semislow Light PhotonicCrystal Waveguides With Large Delay-Bandwidth Product，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS，VOL.22，NO.11，JUNE 1，2010；文献6.Jun Adachi，Norihiro Ishikura，HirokazuSasaki，and Toshihiko Baba，“Wide Range Tuning of Slow Light Pulse in SOI Photonic CrystalCoupled Waveguide via Folded Chirping，”IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS INQUANTUM ELECTRONICS，VOL.16，NO.1，JANUARY/FEBRUARY 2010，文献7.Jin Hou，Huaming Wu，D.S.Citrin，Wenqin Mo，Dingshan Gao，and Zhiping Zhou，“Wideband slow light inchirped slot photoniccrystal coupled waveguides，”OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.10，p10567-10580，10May 2010)。

在通过调节光子晶体结构来优化慢光的效果的文章中，Feng-Chun Leng等通过改变三角晶格光子晶体两个基向量的夹角，形成斜晶格的光子晶体波导(oblique lattice photoniccrystal)，这种慢光波导具有比普通三角晶格波导更大的群折射率-平坦慢光带宽的积(文献8.Feng-Chun Leng，Wen-Yao Liang，Bin Liu，Tong-Biao Wang，and He-Zhou Wang，“Wideband slowlight and dispersion control in oblique lattice photonic crystal waveguides”，OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.6，p 5707-5712，15March，2010)。同时这种方法也能够和其他的改变光子晶体结构的方法结合，如改变空气孔半径的大小或者空气孔的位置等，可以调整出更适合于实际应用的光子晶体慢光波导的结构。蜂巢光子晶体(honey comb photonic crystal)在调节光子晶体能带上比普通的光子晶体有更好的特点，FengWen等人研究了蜂巢光子晶体TE和TM模的完全光子带隙的性质(文献9.FengWen，Sylvain David，Xavier Checoury，Moustafa El Kurdi，PhilippeBoucaud，“Two-dimensional photonic crystals with large complete photonic band gaps in both TEand TM polarizations，”OPTICS EXPRESS，Vol.16，No.16，p 12278-12289，4August，2008)，在Yundong Zhang等人的文章中研究了蜂巢光子晶体的TE和TM模能带曲线的性质(文献10.Yundong Zhang，Bo Yu，Ping Yuan，“Flatband slow light photonic crystal waveguide，in both TEand TM polarizations，”CLEO/PACIFIC RIM′09)，蜂巢光子晶体比普通的光子晶体无论对于TM和TE模式有更大的完全光子带隙，并且对于两种模式的光波都有平坦色散的慢光带宽，因此蜂巢光子晶体对于慢光的特性的调整具有更大的优势。

本发明首次将斜体光子晶体结构与蜂巢光子晶体结构相结合，研究了这种新型波导结构的慢光特性，首先研究了斜体的蜂巢光子晶体结构具有比不加斜体的蜂巢光子晶体具有更好的慢光效果，然后在斜体的蜂巢光子晶体的基础上进一步调整嵌套的小空气孔的位置与半径大小，从而可以看出适当调整斜体蜂巢光子晶体结构可以进一步优化慢光的效果。所以这种斜体结构与蜂巢结构结合的光子晶体更加适合于实现慢光。

发明内容

本发明目的在于解决如何通过调节普通的三角晶格光子晶体慢光波导的结构来提高其慢光的性能的问题，该光子晶体慢光波导结构可以通过在SOI(Silicon On Insulator)材料顶层Si做掩模、在掩模涂电子束胶、离子刻蚀、干法刻蚀，去掉掩模等步骤完成空气孔光子晶体的制作。

在本专利的光子晶体慢光波导结构中，将斜体光子晶体结构与蜂巢光子晶体结构相结合，形成斜体蜂巢光子晶体慢光波导结构，通过美国麻省理工学院(MIT)的MPB仿真软件对其能带结构进行仿真，并将缺陷模式的导模对频率求导，得出群折射率随频率的变化情况，从结果可以看出，带有斜结构的蜂巢光子晶体波导的慢光特性要优于普通的蜂巢光子晶体波导，即前者较后者有更大的群折射率-平坦色散慢光带宽的乘积；另外，通过适当调整斜体蜂巢光子晶体波导的嵌套小空气孔的位置与半径的大小后，慢光的特性有进一步的提高。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种在普通的二维三角晶格光子晶体波导中同时引入蜂巢结构以及斜体结构从而形成斜体蜂巢光子晶体慢光波导结构的实现方法，其中：

该光子晶体慢光波导是在普通的硅介质背景空气孔结构的光子晶体的基础上引入蜂巢结构和斜体结构所构成的，并通过适当调节光子晶体的结构得到比较理想的慢光效果的结构，该结构可以通过传统的SOI制作方法做出空气孔结构，并通过移动空气孔的位置或者半径的大小来达到调整光子晶体的能带结构，调整出更好的慢光效果的目的。

所述斜体结构的蜂巢光子晶体波导是在完美蜂巢光子晶体的基础上，去掉其中一行，并拉近两侧的空气孔使之形成W0.85波导，同时改变两个基向量间的夹角，使之不再为60°，本专利中此夹角为69°，从而改变了沿波导方向的晶格常数。

所述的二维光子晶体慢光波导中，背景介质为硅，空气孔中是空气。

所述的二维光子晶体慢光波导，空气孔的半径为0.32a。

所述的W0.85波导，是指在完美光子晶体中引入线缺陷，即去掉其中一行，此时的波导为W1波导，两边空气孔向波导方向靠近使波导宽度为W1波导宽度的0.85倍时的波导即为W0.85波导。

所述的背景介质硅的折射率为3.5，空气孔的折射率为1。

所述的蜂巢光子晶体结构，是指在普通的三角晶格的光子晶体中，在相邻的三个空气孔所构成的三角形的重心处再放置一个空气孔，此空气孔的半径要小于周围的空气孔的半径，从整体上看，就像在一个普通的光子晶体中嵌套了另一套小空气孔的光子晶体一样，小孔的晶格常数为a，折射率为1。

所述的斜晶格光子晶体结构，是指在普通的三角晶格的光子晶体中，原本相邻的三个空气孔所构成的图形为正三角，但在斜晶格光子晶体的结构中改变其中一个角的度数，使之变成一个等腰三角形，其中波导方向与等腰三角的底边平行，在本专利中，顶角的大小采用69°，通过仿真证明这样可以有效提高慢光特性。

所述将斜体结构与蜂巢结构相结合，是指在普通光子晶体结构的基础上引入嵌套小孔的蜂巢结构并同时改变三角晶格的基向量的夹角，其中嵌套的小孔的基向量的夹角也同时改变，角度也为69°。

所述调整光子晶体结构，一种是通过移动最靠近波导的两排空气孔(大孔)的位置，另一种是通过改变嵌套的小孔的半径的大小以及位置来调整光子晶体的结构的。

与传统方法相比本发明有如下优点：

首先利用光子晶体波导实现慢光要比利用EIT技术实现慢光具有更好的可实现性，后者需要高温高压的条件，而且设备复杂，耗资巨大，但是光子晶体在室温下即可获得慢光，既方便又易于实现；光子晶体具有体积小、易于集成等优点，相对于光纤实现慢光的方法具有更大的缓存容量，也更适合在全光网络或光计算机器件中集成，有更广的应用空间。

在光子晶体实现慢光的方法中，利用斜结构的蜂巢光子晶体波导来实现慢光要比普通的蜂巢光子晶体更有优势，具体为，对于达到相同的群折射率的情况下，斜结构的蜂巢光子晶体不加斜体结构的蜂巢光子晶体有更大的平坦色散的慢光带宽；另外，通过有效调整斜体蜂巢光子晶体结构中嵌套小孔的位置和半径大小可以进一步提高波导的慢光性质，即具有更大的群折射率-平坦色散的慢光带宽的乘积。

本发明的原理如下：

对于一个中心频率为ω₀的光波，普遍地定义群速度为：

$v_g={\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dk}}|}_{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{c}{n_g}---\left(1\right)$

其中通过联想相折射率引入了对应的群折射率n_g作为传输常数。对于在给定的场条件下表现为线性响应的介质中有k＝nω/c，所以由(1)式可得群折射率为：

$n_g\left({\mathrm{\ω}}_0\right)=c\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{d\ω}}=n+{\mathrm{\ω}}_0{\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ω}}|}_{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(2\right)$

进而群速度重写为：

$v_g\left({\mathrm{\ω}}_0\right)=\frac{c}{n+{\mathrm{\ω}}_0{\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ω}}|}_{{\mathrm{\ω}}_0}}---\left(3\right)$

由此可以看出，在无色散的介质当中(dn/dω＝0)，群折射率下降到相折射率，并且光波以预料当中的相速度传播。然而，当

或(正常色散)且足够大时，

即出现慢光。通过改变光波群速度来获得慢光的方法是以此为理论基础和出发点，即用各种方法使得dn/dω变大，来达到降低光群速的目的。

总的来说，光子晶体波导内的慢光现象是通过导模与周期性晶格之间的不断发生布拉格反射作用而形成的。光子晶体波导慢光的核心思想就是通过调整光子晶体波导的结构，得到比较平坦的缺陷模式色散曲线，并综合考虑带宽和色散的影响得到理想的慢光效果。

在斜结构的光子晶体中，斜结构光子晶体拥有比普通光子晶体结构更宽的波矢慢光区域，对应于频率谱上就有更宽的平坦色散带宽，即斜结构的光子晶体具有更好的慢光性质。另外通过增加蜂巢光子晶体结构，可以很好的优化调整光子晶体波导的缺陷模式，通过调整嵌套小孔的半径大小以及小孔的位置，来达到更好的慢光结构，在相同的群折射率的情况下，进一步增加平坦色散的慢光带宽。

附图说明

以下各图所取的光子晶体的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1.结合斜体结构与蜂巢结构的二维光子晶体慢光波导结构

图2.基向量夹角分别为60°和69°的蜂巢结构慢光波导的色散曲线

图3.基向量夹角分别为60°和69°的蜂巢结构慢光波导群折射率谱

图4.不同小孔半径的群折射率谱

图5.不同小孔位置的群折射率谱

图6.调整与未调整嵌套结构的群折射率谱对比图

具体实施方式

此斜体结构的二维蜂巢光子晶体慢光波导结构是由普通三角晶格光子晶体引入蜂巢光子晶体结构与斜体光子晶体结构而构成的，如图1所示。在普通的三角晶格的光子晶体中加入嵌套的小空气孔的结构，使之变成蜂巢光子晶体结构，同时改变三角晶格两个基向量

和

之间的夹角θ，使之变成斜体蜂巢光子晶体结构。

在如图1所示的结构中，是三角晶格两个基向量夹角，且

其中a是晶格常数，大空气孔的半径为R＝0.32a，小孔的半径为r＝0.1a，沿波导方向的晶格常数为Λ，且有

小空气孔的位置在相邻大空气孔所构成的三角形的重心位置处，所有的空气孔的折射率为1，介质背景采用纯硅，折射率为3.5。图中红色虚线是靠近波导中心前两行的大空气孔的中心位置连线，绿色实线是同一排的小孔的中心位置连线。图中D1和D2分别表示靠近波导中心的第一排和第二排大空气孔中心位置的位移，并且以图中的箭头方向为正方向，即当空气孔的位移与箭头一致时记为正位移，反之为负位移。图中d为嵌套小孔的中心位置的位移，在移动时每一排小孔都移动d距离，并且仍然以图中箭头方向为位移的正方向，反之为负位移。

(1)斜体蜂巢结构比不加斜体的蜂巢结构有更好慢光效果的实现

对于普通结构的蜂巢光子晶体来说，两个基向量间的夹角θ为60°，沿波导方向的晶格常数Λ＝a，第一布里渊区的边界为0.5·(2π/a)；对于斜晶格的光子晶体波导结构来说，两个基向量间的夹角θ为69°，对于斜体结构波导，沿波导方向的晶格常数变为

所以第一布里渊区的边界为0.44·(2π/a)。实际上，相当于所有的空气孔的垂直位置不变，水平方向的晶格常数变为1.13a，而其他条件均不变。

利用美国麻省理工学院(MIT)的MPB仿真软件可以仿真出这两种慢光波导结构的色散曲线，根据式(1)，将导模曲线对频率求导便可得到群速度，通过群速度就可以求得群折射率随频率的变化情况。

由于光子晶体慢光波导最靠近波导中心的两排空气孔的位置对波导的慢光特性影响最大，所以分别移动这两排空气孔，使慢光的群折射率分别约为25，50，62，84，并且使得慢光的平坦色散带宽尽量大，以得到比较大的群折射率-平坦色散慢光带宽的积。群折射率分别约为25，50，62，84时导模的色散曲线如图2所示，从导模曲线可以看出，斜体蜂巢光子晶体结构比未加斜体结构的光子晶体波导导模曲线分散，对禁带频带的利用率也更大。通过式(1)可以得到群折射率谱，如图3所示，通过图中的曲线便可以得到平坦色散慢光的带宽的值，即Δω。在此处两种结构的嵌套结构相同，即都采用小孔半径r＝0.1a，小孔位移d＝0。普通结构和斜体结构的蜂巢光子晶体(即基向量夹角分别为θ＝60°和θ＝69°时)在群折射率n_g分别大约为25，50，62，84时各项值的比较如表1所示。

表1.普通与斜体蜂巢结构慢光的各项数值比较

在表1中，Δω为慢光带宽，此处Δω设定为n_g变化范围在10％时的带宽，n_g·(Δω/ω)为群折射率-平坦色散慢光带宽的乘积。由图3以及表1可以看出，在群折射率大约相同的情况下，即n_g为25、50、62、84时，斜体结构的慢光带宽比普通结构的慢光带宽分别提高了71％，26％，27％，14％，而n_g·(Δω/ω)分别提高65％，28％，35％，25.9％。由此可见，斜体晶格的蜂巢结构光子晶体比普通的蜂巢结构的光子晶体具有更好的慢光特性。

(2)调整比未调整斜体蜂巢结构中小空气孔有更好慢光效果的实现

在斜体蜂巢光子晶体结构中，通过改变小空气孔的位置或者半径大小来可以有效调整慢光的能带曲线。如图4所示，当固定小孔位置，增加小孔半径的情况下，群折射率曲线的变化情况，从图中可以看出，随着小孔半径r的增加，群折射率下降；当固定小孔半径的情况下，移动嵌套小孔的位置时，波导的群折射率曲线如图5所示，移动方向的正负如图1所示，从图中可以看出，当小孔靠近波导时，群折射率不断增大。通过以上两点可以看出嵌套小孔对于慢光的特性影响是比较显著的，选择适当的小孔半径以及位置来达到更好的慢光效果是可行的。在图6所示的群折射率谱曲线中，同时改变了小孔的半径和位置，来达到更好的慢光效果，并比较了调整与未调整嵌套结构的情况下，慢光的带宽的变化。其中未调整结构即为小孔位移d＝0，小孔半径r＝0.1a的情况。在此处，为了只比较嵌套小孔对慢光的影响，两种情况都分别采用对应n_g的相同的两排大孔的位置，并且都采用基向量夹角θ＝69°，大孔半径R＝0.32a。调整结构与未调整结构各项数值比较如表2所示。

表2.调整结构与未调整结构慢光的各项数值比较

在表2中，D1与D2的值在调整小孔与未调整小孔两种情况下是一样的，也就是说，在两种情况下，靠近波导中心两侧前两排大空气孔的位置在n_g相同的情况下是相同的，这也就达到了只比较由小孔变化所带来的影响的目的。

由图6与表2可以看出，在群折射率大约相同的情况下，即n_g为25、50、62、86时，经过调整嵌套小孔的斜体蜂巢光子晶体要比没有经过调整的结构在慢光带宽(Δω)上分别提高了12％，21％，7％和12.5％，而群折射率-平坦色散慢光带宽的乘积(n_g·(Δω/ω))分别提高7％，15％，6.8％和11.8％。由此可以看出，斜体的蜂巢光子晶体可以通过调整嵌套小孔的位置与半径来进一步提高慢光的效果，即在相同的群折射率的情况下，调整小孔的斜体蜂巢结构光子晶体慢光波导具有比没有调整的斜体蜂巢光子晶体结构具有更大的平坦色散慢光带宽和群折射率-平坦色散慢光带宽的乘积。

Claims (3)

1.一种在普通的二维三角晶格光子晶体波导中同时引入蜂巢结构以及斜体结构从而形成斜体蜂巢光子晶体慢光波导结构的实现方法，其中：

该光子晶体慢光波导结构是在普通的硅介质背景(折射率为3.5)空气孔(折射率为1)光子晶体中同时引入了斜体光子晶体结构与蜂巢光子晶体结构，从而有效改善了光子晶体波导的能带曲线，实现了更好的慢光效果。

2.如权利要求1所述的光子晶体慢光波导结构，其特征是：在普通的三角晶格光子晶体中，在相邻空气孔构成的三角形的重心处放置另一套半径不同、晶格常数相同的三角晶格，形成蜂巢结构，并在完美光子晶体中抽去一行，并将两侧的空气孔向波导方向靠近，形成W0.85型波导结构；同时改变两个基向量间的夹角，从而改变了沿波导方向的晶格常数，达到引入斜体结构的目的，最终形成斜体蜂巢光子晶体波导结构。

3.如权利要求1或2所述的光子晶体慢光波导结构，其特征在于具有更加适合于慢光传输的特性：在群折射率分别约为25、50、62、84时，斜体蜂巢结构的群折射率-平坦色散慢光带宽的乘积较不加斜体的蜂巢结构分别提高65％，28％，35％和25.9％；在群折射率分别约为25、50、62、86时，调整了嵌套小空气孔位置与半径大小的斜体蜂巢结构的群折射率-平坦色散慢光带宽的乘积要比未调整时分别提高7％，15％，6.8％和11.8％ 。

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