CN102540329B

CN102540329B - 二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统

Info

Publication number: CN102540329B
Application number: CN 201210021944
Authority: CN
Inventors: 王维彪; 梁中翥; 梁静秋; 崔乃迪
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: CN102540329A

Abstract

二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，涉及光学技术领域中的一种微结构光子晶体元件，提供一种能够实现光子晶体波导和传统光学器件或外置光源间高效耦合波导单通道系统，本发明采用多光子晶体谐振腔并联的方式，电磁波从波导二区中的耦合区进入由多个光子晶体谐振腔并联构成的耦合系统，与并联光子晶体谐振腔及光子晶体波导响应频率相同的电磁波经过数个并联光子晶体谐振腔高效耦合进缺陷区，电磁波在缺陷区中单向传播，最后由光子晶体波导的一侧出射，从而达到提高耦合面积的目的，耦合效率高，也使得光子晶体波导结构更紧凑、体积更小，并具有更高的集成度。

Description

二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域中的一种微结构光子晶体元件，具体涉及一种二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统及其制作方法。

背景技术

光子晶体是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列形成的人工微结构。近年来，基于光子晶体材料的光电功能器件得到了广泛的关注，利用光子晶体的光子禁带和光子局域特性，光子晶体波导、滤波器、光开关、耦合器等光子晶体光电器件已见诸报道，为未来大规模光电集成以及全光网络的实现打下了良好的基础。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。由于带隙中没有任何态存在，频率落在带隙中的电磁波被禁止传播。如果在光子晶体中引入介电缺陷或介电无序，会出现光子局域现象，在光子带隙中将形成相应的缺陷能级，特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。通过在完整的二维光子晶体中引入缺陷，破坏光子禁带，引入缺陷态，可用来制作二维光子晶体功能器件。若在完整的二维光子晶体中引入线缺陷即去掉数排介质柱，那么相应频率的电磁波就只能在这个线缺陷中传播，离开线缺陷就会迅速衰减，可以通过在二维光子晶体中引入线缺陷来制作光子晶体波导。

实现光子晶体器件与传统光学器件或光源间的高效耦合对于未来全光网络的实现有着重要的意义。然而，由于光子晶体器件尺寸较小，在光子晶体器件与传统光学器件或光源的耦合过程中，耦合面积和耦合效率均难以提升。近年来，几何光学方法及倏逝波耦合等方法被提出以实现高效耦合。几何光学方法是通过使用聚焦透镜以及透镜光纤等外置几何光学器件将光聚焦到光子晶体器件入射端面以实现耦合的方法。然而，要想将光聚焦到光子晶体器件尺度上是非常困难的。另外，几何光学耦合方法从根本上讲并没有提高系统的耦合面积，而且过多外置器件的引入会使系统结构复杂化，不利于与其他器件的集成。同时，外置光学器件所引起的反射、散射损耗以及插值损耗会降低系统的耦合效率。倏逝波耦合方法利用倏逝波产生及耦合的原理将光从器件的顶端耦合到器件中，从而大大的提高了耦合面积。倏逝波方法也面临着一些问题，例如特定渐变光纤的加工、耦合过程中使用的渐变光纤与光子晶体器件的距离参数难以控制、需要精密的外置校准和调节系统以及外置的校准调节系统对集成度的影响等问题，这些都限制了倏逝波耦合方法的应用。因此，迫切需要一种耦合效率高、集成度高、操作简单且能够实现光子晶体器件与传统光学器件或光源高效耦合的方法。

发明内容

本发明提供一种能实现光子晶体波导和传统光学器件或外置光源间高效耦合的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统。

二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，包括波导层、低折射率埋层和衬底层，所述波导层位于低折射率埋层的上部，低折射率埋层的下部与衬底层相连；所述波导层包括波导一区、缺陷区和波导二区；波导一区与波导二区的衔接处分布缺陷区，所述波导一区由多个介质柱周期性排列组成，所述波导二区最外面一行分布耦合介质柱，该行耦合介质柱构成耦合区，所述波导二区中包含多个沿平行于缺陷区方向排列的点缺陷，每个点缺陷与其周围的介质柱和最外面的耦合介质柱构成光子晶体谐振腔；多个光子晶体谐振腔并联；在最右端的光子晶体谐振腔中点缺陷的上部对应位置有一个反射介质柱，反射介质柱与缺陷区相邻。

本发明的工作原理：本发明采用多光子晶体谐振腔并联的方式，电磁波从波导二区中的耦合区进入由多个光子晶体谐振腔并联构成的耦合系统，与并联光子晶体谐振腔及光子晶体波导响应频率相同的电磁波经过数个并联光子晶体谐振腔高效耦合进缺陷区，由于右端第一个光子晶体谐振腔带有起反射镜作用的反射介质柱，因而电磁波在缺陷区中能够单向传播，最后由光子晶体波导的一侧出射。从而达到提高耦合面积的目的，耦合效率高。同时，耦合面积的提高也为耦合前预聚焦和对准等操作提供了便利。另外，整个光子晶体波导集成在同一基片上，不需要外置的光学元件，使得光子晶体波导结构更紧凑、体积更小，并具有更高的集成度。本发明区别于传统光学波导的内反射原理，光子晶体波导基础原理是不同方向缺陷模共振匹配，故理论上光子晶体波导不受转角限制，弯曲损耗极小，因此本发明可以用于低损耗转弯波导。本发明的光子晶体单通道侧面耦合波导也可以作为一种高效的90°转弯波导。

本发明的有益效果：本发明所述的光子晶体波导采用侧面耦合结构，选择了多个光子晶体谐振腔并联，可以在保证耦合效率的同时为光源预聚焦及对准操作提供便利。利用最后一个光子晶体谐振腔在单通道侧面耦合波导中起到反射镜的作用，可以实现器件的单通道传播。另外，整个二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统集成在同一基片上，不需要外置的光学元件，从而使得二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统结构更紧凑、体积更小并具有更高的集成度。与其他耦合方法相比，本发明的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统具有效率高、体积小、结构简单以及集成度高等优点。采用纳米压印与ICP刻蚀或FIB相结合的加工方法，使二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统有加工精度高、表面粗糙度低等优点，解决了因粗糙度偏高带来的散射大的问题。将同步辐射X射线光刻技术与研磨、抛光技术相结合进行边缘区去除及侧面修整，可以在去除边缘区的过程中有效保护二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统结构。

附图说明

图1是本发明的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统主体平面示意图；

图2是本发明的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统波导二区部分示意图；

图3a、3b是耦合效率随介质柱参数变化曲线；

图4是本发明二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统三维示意图；

图5为刻蚀划片槽所需光刻版示意图；

图6中6a～6g为制备划片所需的划片槽工艺过程示意图；

图7中7a～7h为使用纳米压印工艺制作二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统主体结构过程示意图；

图8中8a～8f加工尺寸要求严格的介质柱的工艺过程示意图；

图9中9a～9f为去除器件边缘区，以得到二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统的工艺过程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，包括波导层13、低折射率埋层7和衬底层8，所述波导层位于低折射率埋层7的上部，低折射率埋层7的下部与衬底层8相连；所述波导层包括波导一区1、缺陷区10和波导二区2；波导一区1与波导二区2的衔接处分布缺陷区10，所述波导一区1由多个介质柱9周期性排列组成，所述波导二区2最外面一行分布耦合介质柱12，该行耦合介质柱12构成耦合区3，所述波导二区2中包含多个沿平行于缺陷区10方向排列的点缺陷6，每个点缺陷6与其周围的介质柱9和最外面的耦合介质柱12构成光子晶体谐振腔4；多个光子晶体谐振腔4并联；在最右端的光子晶体谐振腔4中点缺陷6的上部对应位置有一个反射介质柱11，反射介质柱11与缺陷区10相邻；所述波导层集成在同一片低折射率埋层7和衬底层8上。所述光子晶体谐振腔4与光子晶体波导层的响应频率相同。

本实施方式所述的波导一区1中的介质柱9的半径为r。

本实施方式所述的耦合区由耦合介质柱12构成，所述耦合介质柱12的半径r₂大于或小于介质柱9的半径r。

本实施方式所述的点缺陷6为光子晶体中改变一个或多个介质柱9的半径形成的缺陷。

本实施方式所述的起反射镜作用的反射介质柱11半径为r₃，所述介质柱11的半径r₃大于或小于介质柱9的半径r。

本实施方式针对1550nm的电磁波，以钛酸锶柱作为介质柱为例对本实施方式作详细说明。

结合图2，为了达到耦合的目的，本实施方式利用五个并联谐振腔4对光束进行高效耦合，此时器件的耦合长度在15μm左右，可以在保证耦合效率的同时为光源预聚焦极对准操作提供便利。制作过程中要求在完整的光子晶体结构中对钛酸锶柱的半径进行优化，其中，构成二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统主体的钛酸锶柱为正方晶格结构，其晶格周期为510nm。入射光从波导耦合区3入射，经过五个并联谐振腔4的高效耦合，将光耦合进缺陷区10，第5个谐振腔在单通道侧面耦合波导中起到反射镜的作用，以实现器件的单通道传播。

对于1550nm的电磁波，构成光子晶体波导主体的介质柱半径r＝102nm。

如图3a、3b所示：

当构成点缺陷的介质柱半径r₁＝51nm，耦合层介质柱半径r₂＝160nm，反射介质柱r₃＝260nm时，二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统可实现94.49％的耦合效率。

当构成点缺陷的介质柱半径r₁＝51nm，耦合层介质柱半径r₂＝250nm，反射介质柱r₃＝150nm时，二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统可实现91.4％的耦合效率。

当构成点缺陷的介质柱半径r₁＝51nm，耦合层介质柱半径r₂＝185nm，反射介质柱r₃＝80nm时，二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统可实现82.7％的耦合效率。

当构成点缺陷的介质柱半径r₁＝51nm，耦合层介质柱半径r₂＝100nm，反射介质柱r₃＝180nm时，二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统耦合效率为81.47％。

当构成点缺陷的介质柱半径r₁＝51nm，耦合层介质柱半径r₂＝120nm，反射介质柱r₃＝60nm时，二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统耦合效率为84.22％。

结合图4所示，二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统主体上钛酸锶柱的高度h₁＝220nm，二氧化硅埋层厚度h₂＝3μm，底层硅厚度h₃＝600μm。

图5为刻蚀划片槽所需光刻版示意图。光刻版为边长为A＝2cm的正方形结构，正方形结构被分为16个正方形小单元，每个单元边长为a＝0.5cm。所设计的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统制作于小单元内，经过划片一次曝光可得16组二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统。

具体实施方式二、结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式与具体实施一所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统的具体制作过程：

第一步，制备划片所需的划片槽：如图6a～6g所示。

(A)对衬底硅101为600μm厚，其上生长3μm厚二氧化硅层102的基底(如图6a所示)进行清洁处理；

(B)如图6b所示，在二氧化硅层102上利用溶胶凝胶法制备一层钛酸锶薄膜103；

(C)如图6c所示，在钛酸锶薄膜103上涂覆一层厚度为2-3μm的光刻胶膜104；

(D)将步骤(C)制作完成的结构放入烘箱中前烘；

(E)如图6d所示，对光刻胶膜104进行紫外曝光，得到与刻蚀划片槽所需光刻版相同的图形；

(F)如图6e所示，经过显影、坚膜，得到制作划片槽所需的光刻胶掩膜结构；

(G)如图6f所示，对制作好的光刻胶掩膜结构进行ICP(感应耦合等离子体刻蚀)刻蚀，刻蚀深度为4μm；如图6g所示，去掉光刻胶膜104得到划片槽结构；

第二步，使用纳米压印工艺，制备刻蚀钛酸锶柱所需的掩膜，并进行ICP刻蚀，制作二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统主体结构：

(H)如图7a所示，在硅片201上涂覆一层光刻胶202；

(I)如图7b、7c所示，对光刻胶202进行电子束曝光，显影，坚膜，得到制作纳米压印模具所需的光刻胶掩膜结构；

(J)对制作好的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀；

(K)如图7d所示，去胶、清洗，得到纳米压印模具203；

(L)如图7e所示，在步骤(G)制作完成的划片结构上涂覆一层聚合物204，将聚合物204加热到玻璃化温度以上时，用纳米压印模具203带有刻蚀沟槽的表面对其施加压力，开始压印；

(M)冷却聚合物204到玻璃化温度以下，进行脱模；

(N)如图7f所示，通过O₂RIE(反应离子刻蚀)刻蚀去除残余聚合物，以开出窗口；

(O)如图7g所示，对步骤(N)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，刻蚀深度为220nm，得到钛酸锶柱9；

(P)如图7h所示，将钛酸锶柱9上的光刻胶去除，并清洗；

第三步，对要求尺寸精度高于(10nm)的介质柱进行单独加工：

(Q)如图8a、8b所示，在步骤(P)得到的光子晶体波导结构上涂覆一层光刻胶301作为保护层；

(R)如图8c、8d所示，对制备好的光刻胶301进行光学曝光、显影，得到光刻胶掩膜结构，将需要加工的介质柱(包括耦合区介质柱12、反射介质柱11和构成点缺陷的介质柱5，图中以介质柱5为例)所在区域暴露出来；

(S)如图8e、8f所示，利用聚焦离子束(FIB)工艺对需要调整的介质柱进行高精度加工使其达到所需尺寸，去除光刻胶；

第四步，去除边缘区：

(T)如图9a、9b所示，在步骤(S)得到的器件结构表面涂覆PMMA层401；

(U)如图9c、9d所示，对PMMA层401进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结构的光子晶体波导区域上制作一个保护层；

(V)按照划片槽划片，即得到16个由钛酸锶柱9构成的光子晶体波导结构；

(W)如图9e所示，将步骤(V)得到的器件结构放入磨片机中，分别用不同的抛光液进行侧面研磨及抛光，去除器件结构边缘区并使器件侧面平整；

(X)如图9f所示，对剩余的PMMA层401进行同步辐射X射线曝光，然后通过显影去除PMMA保护层、并对其进行清洗，得到本发明的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统。

本发明不限于上述实施方式，光子晶体波导也可以是其他型，如W3型、W5型；中间缺陷区可以是光子晶体中去掉一行或多行介质柱形成，或者由大于或小于波导一区、波导二区介质柱的一行或多行介质柱构成；波导二区中点缺陷可以由一个尺寸不同的介质柱构成，也可以由多个尺寸不同介质柱构成，也可以通过去掉一个或多个介质柱构成；耦合区介质柱和反射介质柱尺寸可以大于或小于其他介质柱。因此，凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作出的任何简单变形，都在本发明意图保护范围之内。

Claims

1.二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，包括波导层（13）、低折射率埋层（7）和衬底层（8），所述波导层位于低折射率埋层（7）的上部，低折射率埋层（7）的下部与衬底层（8）相连；所述波导层包括波导一区（1）、缺陷区（10）和波导二区（2）；其特征是，波导一区（1）与波导二区（2）的衔接处分布缺陷区（10），所述波导一区（1）由多个介质柱（9）周期性排列组成，所述波导二区（2）最外面一行分布耦合介质柱（12），该行耦合介质柱（12）构成耦合区（3），所述波导二区（2）中包含多个沿平行于缺陷区（10）方向排列的点缺陷（6），每个点缺陷（6）与其周围的介质柱（9）和最外面的耦合介质柱（12）构成光子晶体谐振腔（4）；多个光子晶体谐振腔（4）并联；在最右端的光子晶体谐振腔（4）中点缺陷（6）的上部对应位置有一个反射介质柱（11），反射介质柱（11）与缺陷区（10）相邻。

2.根据权利要求1所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，其特征在于，所述波导一区（1）中的介质柱（9）的半径为r，波导二区（2）中点缺陷（6）周围的介质柱（9）的半径为r。

3.根据权利要求1所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，其特征在于，所述耦合区由一行耦合介质柱（12）构成，所述耦合介质柱（12）的半径r2大于或小于点缺陷（6）周围的介质柱（9）的半径r。

4.根据权利要求1所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，其特征在于，所述点缺陷（6）由半径为r1的介质柱（5）构成，所述介质柱（5）的半径r1大于或小于点缺陷（6）周围的介质柱（9）的半径r。

5.根据权利要求1所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，其特征在于，所述点缺陷（6）为光子晶体中改变一个或多个介质柱（9）的半径形成的缺陷或者光子晶体中去掉一个或多个介质柱形成的空隙。

6.根据权利要求1所述的二维侧面耦合光子晶体波导单通道系统，其特征在于，所述起反射镜作用的反射介质柱（11）半径为r3，所述介质柱（11）的半径r3大于或小于点缺陷（6）周围的介质柱（9）的半径r。