CN102269842A - 一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法。本发明设计一种基于二维光子晶体结构，通过设计一个高性能的微腔，并使其与光子晶体波导实现高效耦合。它的基本结构是基于空气孔三角晶格光子晶体结构，主要包括w1波导和一个单排孔结构的微腔。单排孔结构共包括七个空气孔，该微腔的设计主要通过有规律地逐渐改变七个空气孔的半径而获得高品质因子。

Description

一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法

技术领域

本发明涉及一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法，属于微型器件技术领域。

背景技术

近年来，尺寸为光波波长大小的微型光学谐振腔即光学微腔及其器件受到了广泛的研究。其中，基于光子晶体微腔的高品质谐振腔更是引起了人们的广泛兴趣。相比传统的谐振腔而言，此类光学谐振腔可以获得更高的品质因子和更小的器件体积。

而利用可调谐光子晶体微腔实现全光开关和可调谐滤波器是光子晶体领域的一个研究热点，较高的透过率、大的品质因数和可调谐特性以及超快的响应时间是需要解决的焦点问题。(文献1，“二维光子晶体微腔全光开关与可调谐滤波器”，江萍，胡小永，2010，第十二届基础光学与光物理讨论会论文)。近年来关于光子晶体微腔的全光开关和滤波器的研究有：Tahereh Ahmadi Tameh，Babak Memarzadeh Isfahani等人在2010年提出的基于非线性光子晶体微腔的全光开关(文献2，″Improving the performance of all-optical switching basedon nonlinear photonic crystal microring resonators″，7 march 2010，IntetnationalJournal of Electronics and Commuications)和Yuanliang Zhang，Yao Zhang和Baojun Li于2007年提出的基于自准直束的二维光子晶体光开关与逻辑门(文献3，″Opttcal switchesand logif gates based on self-collimated beams in two-dimensional photoniccrystals″，23 July 2007/Vol.15，No.15/OPTICS EXPRESS)等等。

而基于微腔结构的光子晶体传感器也是研究的热点，主要是利用光子晶体微腔对光的强局域能力，形成透射谱中的谐振峰，并通过外界环境的变化引起谐振峰峰值的变化或者谐振波长的偏移以实现传感。到目前为止，基于腔结构的光子晶体传感器有用于DNA芯片检测的生物传感器(文献4，Ferruccio Pisanello，Luigi Martiradonna，Pier Paolo Pompa.″Paralleland high sensitive photonic crystal cavity assisted read-out for DNA-chips″，28November 2009，Microelectronic Engineering)，Bo Li和Chengkuo Lee在2011年提出的集成了三个环形微腔的NEMS膜片传感器(文献5，″NEMS diaphragm sensors integrated withtriple-nano-ring resonator″，14 February 2011，Sensors and Actuators A：physical)，Tsan-Wen Lu和Po-Tsung Lee在2009年提出的利用双层光子晶体微腔的相互作用实现超高灵敏度的压力传感器(文献6，″Ultra-high sensitivity optical stress sensor based ondouble-layered photonic crystal microcavity″，2 February 2009/Vol.17，NO.3/OPTICSEXPRESS 1518)，还有hengkuo Lee和Jayaraj Thillaigovindan提出的基于嵌入了微腔的光子晶体悬臂梁光微机械传感器(文献7，″Optical nanomechanical sensor using a siliconphotonic crystal cantilever embedded with a nanocavity resonator″，23 March2009，Apllied Optics)等等。

光子晶体微腔的组成也有多种结构，包括环形微腔(文献5，文献6)、U型微腔(文献7)还有分级空气孔微腔即单排孔微腔如A.Benmerkhi，M.bouchemat于2010年提出的具有分级空气孔的高Q值光子晶体微腔的数值优化(文献8，″Numerical optimization of high-Q-factorphotonic crystal microcavities with a graded air lattice″，J.Opt.Soc.Am.B/Vol.28，No.2/February 2011)。

在本发明中提出了一种基于单排孔结构的光子晶体微腔，通过调节微腔的结构可以获得高品质因子和高透射率，并可应用于全光开关，传感器以及滤波器，而且由于单排孔结构简单，易于集成到全光电路中，因此可以增强结构的通用性和兼容性。

发明内容

本发明提出了一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法。该光子晶体结构可以在半导体材料基板绝缘体上硅(SOI)上通过光深度刻蚀法等制作技术制备而成。该微腔可以分别应用于光子晶体领域内的光强可控的全光开关、传感器和滤波器等器件。

当单排孔的中心孔填充上有机聚苯胺时，当通过腔的光强弱时，折射率不变，开关为关。当通过腔的光强强时，由于聚合物的非线性效应，光强改变材料的折射率，所以腔内的有效折射率改变，使得腔的谐振频率发生偏移，原来频率不能通过的光可以通过，开关为开。

通过微注入技术往微腔的中心孔注入分析物，当腔内的环境改变时，光子晶体的有效折射率改变，导致透射谱中的峰值发生偏移，因此通过观察透射谱中透射峰的偏移可以实现对腔内分析物的检测，以实现生物传感。

本发明中的单排孔结构的透射峰具有高品质因子，而且结构简单，可以作为某波长的滤波器，而且多通道级联后集成该结构时，可以用于波分复用系统。

在本发明中，将光子晶体W1波导与光子晶体微腔结合形成耦合腔结构，其中微腔由7个按规律变化的空气孔形成，通过仿真软件对其场图和透射谱进行仿真，得出光强在光子晶体波导和耦合腔中的变化情况和光经过光子晶体单排孔结构后的透射谱，从结果可以看出经过结构优化后的光子晶体光开关和光子晶体传感器分别在开关性能和传感性能得到提高。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法，其中：

该光子晶体微腔是基于三角晶格二维光子晶体耦合腔结构实现的，其中二维光子晶体耦合腔结构可以在半导体材料基板绝缘体上硅(SOI)上通过光深度刻蚀法等制作技术制作。

所述的光子晶体单排孔结构是由一条光子晶体W1波导和七个规律变化的空气孔构成，其中W1波导，宽度为

a是三角晶格光子晶体的晶格常数。

所述二维光子晶体中，三角晶格的晶格常数a＝460nm，空气孔的半径r＝161nm，介质硅的折射率n_si＝3.5。

所述的调整光子晶体单排孔结构是逐渐有规律地改变七个空气孔的半径以获得单个高品质因子的透射峰。

所述的品质因子Q＝λ/Δλ，其中λ是谐振波长，Δλ是谐振峰的半宽波长。

所述的光源的中心频率ω₀＝0.3(2πc/a)。

所述的光强调制深度是η＝10log(T_max/T_min)。

所述的折射率与光强之间的表达式是n＝n₀+Δn＝n₀+n₂I。其中I是局域在微腔内的光强强度，n₀是折射率，n₂是非线性折射率。

所述光子晶体传感器的折射率灵敏度(S)可以示为：S＝Δλ/Δn，其中Δλ是谐振波长峰值的偏移量；Δn是感知区域内折射率的变化量。当感知区域内折射率发生变化时，耦合腔的谐振频率也随之发生偏移，通过测量和分析透射谱中谐振波长峰值的偏移变化，即可得到光子晶体传感器的灵敏度。

所述的可用于粗波分复用的滤波器结构的透射峰半宽为4nm。

与传统方法相比本发明有如下优点：

本发明中的光子晶体微腔具有高品质因子，能达到387.5，在具有高品质因子的同时具有较高的透射率，能达到0.75。因此改微腔在应用到光子晶体全光开关、滤波器以及传感器领域具有较大的潜力。

本发明中的经过光强调制后的微腔，可用于光开关，消光比达到30db，具有十分优良的开关性能。而且由于结构简单，体积微小，能方便地集成到全光集成电路中。

本发明的光子晶体传感器实现方法中，与传统的光子晶体生物传感器实现方法相比结构更为精简，容易制作加工，而且所需要的分析物更少，此外，在结构更为精简的基础上，传感器的灵敏度有进一步的提高。

本发明的单排孔结构微腔能分别实现全光开关功能，传感功能以及能应用于粗波分复用系统中，由于单排孔结构组成的微腔具有多种用途，在未来全光网络的集成方面具有明显的优势。

附图说明

以下各图所取的光子晶体传感器的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是本发明中的光子晶体微腔结构模型示意图，其中包含了W1波导和一个与之高效耦合的光子晶体耦合腔。耦合腔由七个空气孔组成，从左到右空气孔半径分别是r₁、r₂、r₃、r₄、r₃、r₂和r₁。晶格常数a＝460nm，普通空气孔半径r＝161nm，r₁＝92nm，r₂＝115nm，r₃＝r₁＝161nm，r₄＝138nm，介质硅的折射率n_si＝3.5。

图2是调整单排孔结构时出现的两种情况，图2(a)是当光源的中心频率ω₀＝0.30(πc/a)时，r₃＝138nm，r₄＝161nm时稳态状态下电场在x-y平面内的场图分布。图2(b)是当光源的中心频率ω₀＝0.30(πc/a)时，r₃＝r₄＝138nm时稳态状态下电场在x-y平面内的场图分布。

图3是当r₃＝r₄＝138nm，光开关分别打开和关闭时的透射谱，对应的局域在微腔内的光强强度分别是I＝30GW/cm²和I＜＜30GW/cm²，其对应的曲线的颜色分别为红色、蓝色。

图4是当r₃＝r₁＝161nm，r₄＝138nm(即最终结构)光开关分别打开和关闭时的透射谱，对应的局域在微腔内的光强强度分别是I＝30GW/cm²和I＜＜30GW/cm²，其对应的曲线的颜色分别为红色、蓝色。

图5是确定最终结构后，光开关打开和关闭时的场图，图5(a)是当光源的中心频率ω₀＝0.30(πc/a)时，I＜＜30GW/cm²即开关为关闭状态时稳态状态下电场在x-y平面内的场图分布。图5(b)是当光源的中心频率ω₀＝0.30(πc/a)时，I＝30GW/cm²即开关为打开状态时稳态状态下电场在x-y平面内的场图分布。

图6是当中心空气孔注入不同的分析物时，即分别改变中心孔的折射率时对应的透射谱，折射率分别为n＝1、1.33、1.38、1.43、1.48、1.53、1.58和1.63，从左到右分别对应不同的透射谱，曲线颜色分别为黑色、红色、蓝色、黄色、粉红色、黑色、绿色和青色。

图7是用于生物检测的光子晶体传感器中耦合腔内感知区域折射率与相应谐振波长的关系曲线；其中蓝色星点表示利用2D-FDTD方法计算得到的仿真数值，红色实线表示相应的线性拟合结果。

图8是可用于4通道粗波分复用系统中的滤波器的透射谱，半宽为4nm。其中，r4分别为0.28a、0.29a、0.3a和0.31a，分别对应的曲线颜色是红色、蓝色、黄色和绿色。

具体实施方式

在本发明的实施中，为了实现波导与耦合腔的高效耦合，选择单排孔结构作为微腔的基本结构，结构模型如图1所示。为获得高品质因子具有多功能的微腔对单排孔的7个空气孔进行调节。得到微腔的最终结构后，对其分别进行光开关和传感方面的应用，并提出其在粗波分复用系统中作为滤波器的应用。

下面是单排孔结构的光子晶体微腔的具体设计过程以及应用。

(1)为提高耦合腔的性能，并使得该结构具有良好的光局域能力，调节单排孔结构的7个空气孔的半径。

在根据本发明的实施中，改变空气孔的半径r对光子晶体结构的场图有很大的影响，利用仿真软件可以仿真出不同情况下光子晶体的场图。首先令单排孔的七个空气孔规律变化，使其逐渐增大，因为两边的空气孔半径较小时有利于光强耦合到微腔中去，而单排孔采用的对称结构有利于增强光在微腔中的局域能力。

当r＝161nm，r₁＝92nm，r₂＝115nm，，r₃＝138nm，r₄＝161nm时单排孔结构的空气孔逐渐增大13nm，然后逐渐减少13nm，当输入光源是中心频率＝0.3(2πc/a)的高斯光源，其稳态状态下电场在x-y平面内的平面分布图如图2(a)所示。从图2(a)可以看出，光强经过w1波导的前半段后并没有耦合到微腔中去，不能通过w1波导的后半段。这是因为中心空气孔半径大于两边的空气孔半径，光强不能局域在中心空气孔中，不能形成微腔。

当r＝161nm，r₁＝92nm，r₂＝115nm，，r₃＝r₄＝138nm时单排孔结构的空气孔有规律变化，但是中心空气孔的半径等于与其相邻的两个空气孔的半径，当输入光源是中心频率＝0.3(2πc/a)的高斯光源，其稳态状态下电场在x-y平面内的平面分布图如图2(b)所示。从图2(b)可以看出，当中心空气孔的半径与相邻的空气孔半径相等时，光强能耦合到微腔中去，而且能通过整个w1波导，同时可以看出，光强在中心孔周围局域得不够理想，不利于实现光开关和传感，故需要调节中心空气孔的半径大小。

图3为r₃＝r₄＝138nm时单排孔结构开关打开和关闭时的两个透射谱，由图中可以看出，无论开关打开还是关闭，透射谱均有两个透射峰，分别对应中心孔周围的两个较强的光强局域区域，会降低光开关的消光比和传感器的传感性能。

本发明中的单排孔结构的性能与中心空气孔的半径r₄及其两边的空气孔半径r₃有密切联系，当r₄大于或者等于r₃时，均不满足所需要达到的性能要求，故令r₄小于r₃，以形成一个具有单一而且高品质因子的透射峰的微腔。经过r₃和r₄的微调，单排孔的最终结构为r＝161nm，r₁＝92nm，r₂＝115nm，r₃＝r₁＝161nm，r₄＝138nm。此时，当a＝460nm，谐振波长λ＝1550nm，而谐振波长的半宽Δλ＝4nm，因此微腔的品质因子Q＝λ/Δλ＝387.5。而且最高的透射率为谐振峰峰值0.75。

(2)基于单排孔结构的微腔作为光强控制的光开关

于光子晶体微腔中的中心空气孔填充非线性材料有机聚苯胺，当通过微腔的光强为弱时，即I远小于30GW/cm²有机聚合物的折射率不变，n＝1.50，此时开关为关闭状态。有机聚合物的三阶非线性极化率是

而n₂＝1.58×10^-14cm²/W。因此，当光强I＝30GW/cm²，有机聚合物的折射率变化为1.55，同时谐振频率偏移，谐振波长变化为1550nm，此时开关为打开状态。

图4是当开关分别为关闭和打开时，即局域在微腔内的光强强度分别远远小于和等于30GW/cm²时对应的中心空气孔填充的有机聚合物折射率分别为1.50和1.55时的透射谱，分别对应蓝色曲线和红色曲线。从图中可以看出，在波长为1550nm处，当通过光开关的光强较弱时，填充在微腔中的中心空气孔的有机聚合物的折射率不变，其在1550nm处的透射率为0.0008，光开关为关闭状态。当通过光开关的光强较强时，有机聚合物的折射率发生改变，微腔的透射峰也发生偏移，并偏移至1550nm处，此时在1550nm处的透射率为0.752，光开关为打开状态。因此T_max＝0.752，T_min＝0.0008，故光强调制的光开关的调制深度η为29.4db。图5分别为确定最终结构后，光开关打开和关闭时的场图，图5(a)是当光源的中心频率ω₀＝0.30(πc/a)时，n＝1.50即开关为关闭状态时稳态状态下电场在x-y平面内的场图分布。图5(b)是当光源的中心频率ω₀＝0.30(πc/a)时，n＝1.55即开关为打开状态时稳态状态下电场在x-y平面内的场图分布。从图中可以看出，当开关分别为打开或者关闭时，由于光强的调制作用，光分别可以大部分通过或者完全不能通过微腔。由此可见，由光强调制的该微腔用于光开关具有良好的开关性能。

(3)基于单排孔结构的微腔作为光子晶体传感器

首先，利用微注入技术向单排孔结构的中心空气孔注入分析物，改变其折射率n，分别检测折射率为1.33、1.38、1.43、1.48、1.53、1.58和1.63的分析物，然后分析其透射谱，最后测量光子晶体传感器的灵敏度。如图6所示，即本发明中单排孔结构的微腔应用于光子晶体传感器对应不同折射率的透射谱的比较。各不同分析物的折射率，谐振波长，谐振峰值，以及所在曲线如下：

n₀＝1：λ＝1501.3nm，透射峰值T＝0.5287，黑色曲线

n₁＝1.33：λ＝1523.2nm，透射峰值T＝0.7244，红色曲线

n₂＝1.38：λ＝1527.7nm，透射峰值T＝0.7319，蓝色曲线

n₃＝1.43：λ＝1532.5nm，透射峰值T＝0.7242，黄色曲线

n₄＝1.48：λ＝1537.5nm，透射峰值T＝0.7288，粉红色曲线

n₅＝1.53：λ＝1542.9nm，透射峰值T＝0.7286，黑色曲线

n₆＝1.58：λ＝1548.6nm，透射峰值T＝0.7387，绿色曲线

n₇＝1.63：λ＝1554.5nm，透射峰值T＝0.7259，青色曲线

从图6可以看出，当中心孔折射率逐渐增大时，谐振峰发生了红移，在此实施案例中，通过改变光子晶体耦合腔的折射率，可以实现谐振波长的改变，即输出谐振峰的峰值发生偏移，因此可以通过观察谐振峰的峰值变化来检测耦合腔中的分析物。图7是对检测结果进行线性拟合，可以观察到，谐振峰的偏移与耦合腔内的折射率变化有线性关系。根据公式S＝Δλ/Δn计算本发明中的光子晶体传感器的灵敏度得，灵敏度S为104.2nm/RIU，其中，RIU表示折射率变化量为1。故该光子晶体传感器可应用于生物医学检测和环境检测。

(4)基于单排孔的微腔作为光子晶体滤波器应用于粗波分复用系统

基于单排孔的微腔结构的透射峰，半宽约为4nm，当多个相同结构而且结构简单的该微腔结构级联时可构成一个多通道的粗波分复用器。为获得不同波段的透射峰，改变微腔的结构，主要是改变单排孔中的中心空气孔的半径r₄，分别令r₄＝0.28a、0.29a、0.3a和0.31a即128.8nm、133.4nm、138nm和142.6nm。仿真四个不同结构的滤波器的透射峰，如图8所示。由图中可以看出，四个滤波器的透射率均在0.6以上，而且分别对应四种不同的中心波长，滤波器半宽为4nm，因此可用于四通道粗波分复用系统中。

Claims (5)

1.一种具有高品质因子的光子晶体微腔的实现方法，其中：该光子晶体传感器是基于空气孔三角晶格二维光子晶体结构，即空气孔硅介质背景结构，其中硅的折射率n_si＝3.5。在光子晶体中引入一个单排孔结构的微腔并与w1波导耦合。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于光子晶体微腔的具体设计方法，本方案中微腔的设计是有规律地逐渐改变单排孔的七个空气孔的半径，特别是中心空气孔及与其相邻空气孔的半径。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于本方案的微腔的品质因子达到387.5。

4.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于本方案的微腔的最高透射率达到0.75。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的实现方法，其特征在基于单排孔结构的该微腔能分别应用于全光开关、传感器和滤波器。

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