CN103048845A - 一种二维硅基的光子晶体慢光波导装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，涉及一种二维硅基的光子晶体慢光波导装置，在二维硅片的表面上沿硅片长边的方向顺序排列挖制以二维硅片中心线为对称轴的圆弓形散射元，在二维硅片的对称轴上留有一排不挖圆弓形散射元而构成线缺陷；每排圆弓形散射元上等间隔挖制5-30个圆弓形散射元；圆弓形散射元为两个半圆缺对合构成，二维硅片上分别顺序排列挖空式制有的通透状的圆弓形散射元为对称结构；线缺陷的方向与圆弓形散射元的长轴方向平行；圆弓形散射元的排列结构固定；无需复杂庞大的系统，具有体积小、成本低、稳定性高、效率高和简单易行的特点，群折射率高，慢光带宽大，信号保真好，是一种新型的光子晶体慢光结构。

Description

一种二维硅基的光子晶体慢光波导装置

技术领域：

本发明属于光学技术领域，涉及一种二维硅基的光子晶体慢光波导装置，尤其是一种渐变线缺陷光子晶体慢光波导结构，是由圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导结构。

背景技术：

慢光效应是电磁波具有比光速低很多的群速度，以便于传输信息的缓存和处理，可以广泛应用于光学延时线和缓冲器等领域。光子晶体慢光结构或装置，由于其结构微小紧凑、传输损耗少和室温运行等特点，在全光通信系统和全光信息处理的应用中具有无可比拟的优势；目前，光子晶体慢光波导主要有线缺陷波导和点缺陷耦合波导两种形式，但是要获得较低的群速度，二者都遇到有较大色散存在的问题。研究发现，线缺陷波导中的光波群速度一般较大，但色散相对较小；点缺陷耦合波导，可以实现较小的群速度，但其色散较大，信号容易失真，要实现信号的保真传输，必须有效地减少色散，所以很多研究者倾向于使用线缺陷波导，并提出很多获得带宽较宽、色散较低的慢光效果的方法，如可以通过增加或减少线缺陷的宽度或在线缺陷中间加平行缝隙,调整空气孔的半径,引入啁啾波导或异质结构,将靠近线缺陷的两排空气孔沿波导方向平移、并改变其间距的大小，将波导缺陷注入微流体等等。但是，上述研究主要集中在结构的周期性排列方面，所采用的散射元主要是圆柱形，只有少量研究改变了散射元的形状，但没有用到渐变结构，其结果也不尽理想。

渐变光子晶体结构是光子晶体结构的一种新发展，它打破了原来结构周期性变化的模式，将结构改为一种渐变模式：一维光子晶体渐变结构已被应用于扩大光波导或光纤的带隙，改善相对介电常数和磁导率，或作为镜面控制带隙等方面；二维光子晶体的渐变结构主要用于使光转弯，改变具有负折射率结构的点阵间距，及制作具有负折射率的透镜，光子晶体耦合器等。目前还尚未见有将二维渐变线缺陷波导结构应用于光子晶体慢光的研究；很多研究者认为渐变过程破坏了结构的对称性，慢光效应会减弱，甚至不能形成慢光效应。

现有的技术已证明慢光效应可以用于光延迟、全光缓存、光存储和光与材料相互作用等方面，光子晶体结构具有体积很小、易于集成，可以通过设计结构来控制慢光效果，工作环境没有特殊要求，可以在常温下工作，便于与光纤系统耦合匹配等；而且，光子晶体慢光结构的实现，会带动全光缓存、全光信息处理、全光通信网络应用的突破，将会对全光信息发展产生深远的影响；寻求设计一种圆弓形散射元构建的二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导结构，可以很好地实现低色散、低群速的宽带慢光，广泛应用于全光信息的缓存和处理，具有重要的现实应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种高群折射率、低色散的宽带慢光效应，制备一种带宽较大，易于加工实现的慢光波导结构，特别是制备一种圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷波导结构或装置；圆弓形散射元由两个圆缺复合而成，具有多个自由度可调两个侧面的曲率不变（引起的色散小）的特点，通过参数调整可产生很好的禁带和慢光效应；将圆弓形散射元应用到光子晶体线缺陷波导，在晶格常数不变的情况下，逐渐改变圆弓形散射元的大小，其构建的线缺陷渐变波导结构在低色散（群折射率变化范围n_g在±10%内）、超低色散（群折射率变化范围n_g在±1%内）和接近零色散三种情况下，获得比一般结构高的群折射率和较宽的平坦带宽，实现慢光波导结构的优化和信号的保真传输；由于微加工精度在±20nm，所以选择工作波长是太赫兹频域，光子晶体的晶格常数及其误差可根据工作波长等比例放大或缩小，随着加工误差的减小，可用于红外和可见光。

为了实现上述目的，本发明涉及的圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导装置，其主体结构包括二维硅片、圆弓形散射元、线缺陷、硅片长边和硅片短边；在方形结构的二维硅片的表面上沿硅片长边的方向顺序排列挖制以二维硅片中心线为对称轴的6-10排圆弓形散射元，在二维硅片的对称轴上留有一排不挖圆弓形散射元而构成线缺陷；每排圆弓形散射元上等间隔挖制5-30个圆弓形散射元；圆弓形散射元的排列结构固定，除线缺陷外，圆弓形散射元的中心在二维硅片的硅面呈六边形排列，六边形边长等于晶格常数a；圆弓形散射元为两个半圆缺对合构成，圆弓形散射元的长轴半径b和短轴半径c满足△b=0.002a的渐变规律；二维硅片上分别顺序排列挖空式制有的通透状的圆弓形散射元为对称结构；线缺陷的方向与圆弓形散射元的长轴方向平行；晶格常数a=65μm，圆弓形与圆形的偏差度e=1-c/b，其取值为0.25≤e≤0.60；渐变结构根据参数e的不同取值，长轴b从0.4a开始，渐变步长△b=0.002a，短轴半径c则根据长轴和b偏差度e变化。

本发明涉及的慢光波导装置在高群折射率、低色散的条件下，具有平坦带宽的慢光效应；其群折射率n_g和色散的关系由公式（1）表示：

$n_g=\frac{c}{v_g}=c\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{d\ω}}=n_{\mathrm{eff}}+\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{d\ω}}---\left(1\right)$

其中n_eff是群有效折射率，c为光速，v_g群速度，k是波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，k=2πn_eff/λ，λ为工作频率的波长；对慢光的n_g＞＞n_eff条件下，由公式（1）得公式（2），其中归一化频率f表示为f=ωa/2πc；获得低色散的结构要求n_g保持稳定，即在一定的频率范围内，f和k保持线性变化；

$n_g=\frac{a}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{df}}---\left(2\right).$

本发明为更好分析低色散特性和慢光带宽之间的关系，用公式（3）中定义的色散参量D来表征色散与波长的关系：

$D=\frac{1}{c}\frac{{\∂n}_g}{\∂\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

根据公式（3），如果n_g(λ)的斜率接近于零，参量也趋近于零，波导结构的色散就接近零，即零色散；定义D值小于±1ps/（mm·nm）为接近零色散，其中，n_g的变化范围小于±0.5%。

本发明实现慢光效应时由计算机控制，先由太赫兹波源发出太赫兹脉冲信号，脉冲信号通过起偏器后变成线偏振光进入偏振分束器，再将脉冲信号的其中一路直接用光纤进入功率放大器，另一路通过光纤透镜准直聚焦引入到光子晶体慢光波导装置，脉冲信号经过光子晶体慢光波导装置后，使用光纤透镜将出射光耦合进入光纤中，然后再进入功率放大器；功率放大器对接收的两路信号进行放大后通过光电二极管将脉冲信号转换为电信号，再将转化后的电信号输入网络分析仪；然后对两路信号的相位在计算机上进行比较，得出其包络的相位差，排除其他干扰因素，得到光在光子晶体慢光波导装置中通过时产生的相位变化并计算出慢光效应。

本发明利用二维渐变光子晶体结构的优势，实现高群折射率和低色散的慢光效应，圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导结构，在低色散、超低色散和接近零色散的三种条件下，均能获得具有高折射率的慢光效应。

本发明与现有技术相比，构建装置使用的高纯度和高阻抗二维硅片已商品化生产，采用的圆弓形散射元很容易设计，将结构在硅片上实现可采用微加工方法，由于工作频域在太赫兹范围，加工单元的尺度在微米和几十微米很容易实现，无需复杂庞大的系统，具有体积小、成本低、稳定性高、效率高和简单易行的特点，群折射率高，慢光带宽大，信号保真好，是一种新型的光子晶体慢光结构。

附图说明：

图1为本发明装置的结构原理示意图。

图2为本发明涉及的圆弓形散射元的结构原理示意图。

图3为本发明装置实现慢光效应的光路结构原理示意图。

图4为本发明的实施例结构中f和k的关系曲线图，曲线①表示e=0.35,b=0.390a；曲线②表示e=0.40,b=0.388a；曲线③表示e=0.45,b=0.385a；曲线④表示e=0.50,b=0.383a。

图5为本发明的实施例结构中n_g和f的关系曲线图，曲线⑤表示e=0.35,b=0.390a；曲线⑥表示e=0.40,b=0.388a；曲线⑦表示e=0.45,b=0.385a；曲线⑧表示e=0.50,b=0.383a。

图6为本发明的实施例不同ng的群速度色散变化示意图，曲线⑨中n_g=31.4；曲线⑩中n_g=41.5；曲线

中n_g=59.9；曲线

中n_g=95.0。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例涉及的圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导结构装置，其主体结构包括二维硅片1、圆弓形散射元2、线缺陷3、硅片长边4和硅片短边5；在方形结构的二维硅片1的表面上沿硅片长边4的方向顺序排列挖制以二维硅片1中心线为对称轴的7-10排圆弓形散射元2，在二维硅片1的对称轴上留有一排不挖圆弓形散射元2而构成线缺陷3；每排圆弓形散射元2上等间隔挖制5-30个圆弓形散射元2；圆弓形散射元2为两个半圆缺对合构成，圆弓形散射元2的长轴半径为b和短轴半径为c，b根据△b=0.002a的规律渐变，c则根据长轴和b偏差度e变化；在高纯度、高阻抗的二维硅片1上分别顺序排列制有的空气孔形圆弓形散射元2为对称结构；线缺陷3的方向与圆弓形散射元2的长轴方向相同；圆弓形散射元2的排列结构固定，除线缺陷外，圆弓形散射元的中心在硅面呈六边形排列，六边形边长等于晶格常数a，a=65μm；圆弓形与圆形的偏差度e=1-c/b，理论值0≤e≤1，实际取值0.25≤e≤0.60；渐变结构根据参数e的不同取值，长轴b从0.4a开始，渐变步长△b=0.002a；渐变波导结构在高群折射率、低色散的条件下，有平坦带宽的慢光效应；其群折射率n_g和色散的关系可以由公式（1）表示：

$n_g=\frac{c}{v_g}=c\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{d\ω}}=n_{\mathrm{eff}}+\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{d\ω}}---\left(1\right)$

其中n_eff是群有效折射率，c为光速，v_g群速度，k是波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，k=2πn_eff/λ，λ为工作频率的波长；对慢光的n_g＞＞n_eff条件下，由公式（1）得公式（2），其中归一化频率f表示为f=ωa/2πc；获得低色散的结构要求n_g保持稳定，即在一定的频率范围内，f和k保持线性变化；

$n_g=\frac{a}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{df}}---\left(2\right)$

本实施例为更好分析低色散特性和慢光带宽之间的关系，用公式（3）中定义的色散参量D来表征色散与波长的关系：

$D=\frac{1}{c}\frac{{\∂n}_g}{\∂\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

根据公式（3），如果n_g(λ)的斜率接近于零，参量也趋近于零，波导结构的色散就接近零，即零色散；定义D值小于±1ps/（mm·nm）为接近零色散（n_g的变化范围小于±0.5%）。

本实施例实现慢光效应的具体步骤如图2所示，由计算机6实现控制，太赫兹波源7发出太赫兹脉冲信号，脉冲信号通过起偏器8后变成线偏振光进入偏振分束器9，再将脉冲信号的其中一路直接用光纤进入功率放大器11，另一路通过光纤透镜准直聚焦引入到光子晶体慢光波导装置10，脉冲信号经过光子晶体慢光波导装置10后，使用光纤透镜将出射光耦合进入光纤中，然后再进入功率放大器11；功率放大器11对接收的两路信号进行放大后通过光电二极管12将脉冲信号转换为电信号，再将转化后的电信号输入网络分析仪13，对两路信号的相位在计算机6上进行比较，得出其包络的相位差，排除其他干扰因素，得到光在光子晶体慢光波导装置中通过时产生的相位变化，从而计算出慢光效应。

实施例1：构建一种获得较大带宽为目的的低散射的光子晶体慢光波导装置，采用1THz为工作频率，a=65μm，长轴b从0.4a开始，渐变步长△b=0.002a，取e=0.5，获得特定的圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导装置，采用上述的实施方案，获得装置的群折射率n_g=31.4，在低色散（群折射率变化范围n_g在±10%内）、超低色散（群折射率变化范围n_g在±1%内）和接近零色散三种情况下，慢光带宽分别为2.334μm，0.945μm，0.91μm，该慢光波导装置获得很大的平坦带宽，慢光效应稳定。

实施例2：构建一种获得较高群折射率为目的低散射光子晶体慢光波导装置，其他条件与实例1相同，取e=0.35，获得另一特定的圆弓形散射元构建的太赫兹频域二维硅基孔状纵向渐变线缺陷光子晶体慢光波导结构，采用上述的实施方案，得装置的群折射率n_g=95.0，在低色散、超低色散和接近零色散三种情况下，慢光带宽分别为0.736μm，0.438μm，0.20μm，说明该种慢光波导装置既可以获得较低的群速，又可以获得较大的平坦带宽，慢光效应很稳定，在保证低色散的情况下，可根据实际情况，通过选择参数e，灵活地调节群速大小和慢光带宽。

Claims (3)

1.一种二维硅基的光子晶体慢光波导装置，其特征在于其主体结构包括二维硅片、圆弓形散射元、线缺陷、硅片长边和硅片短边；在方形结构的二维硅片的表面上沿硅片长边的方向顺序排列挖制以二维硅片中心线为对称轴的6-10排圆弓形散射元，在二维硅片的对称轴上留有一排不挖圆弓形散射元而构成线缺陷；每排圆弓形散射元上等间隔挖制5-30个圆弓形散射元；圆弓形散射元的排列结构固定，除线缺陷外，圆弓形散射元的中心在二维硅片的硅面呈六边形排列，六边形边长等于晶格常数a；圆弓形散射元为两个半圆缺对合构成，圆弓形散射元的长轴半径b和短轴半径c满足△b=0.002a的渐变规律；二维硅片上分别顺序排列挖空式制有的通透状的圆弓形散射元为对称结构；线缺陷的方向与圆弓形散射元的长轴方向平行；晶格常数a=65μm，圆弓形与圆形的偏差度e=1-c/b，其取值为0.25≤e≤0.60；渐变结构根据参数e的不同取值，长轴b从0.4a开始，渐变步长△b=0.002a，短轴半径c则根据长轴和b偏差度e变化。

2.根据权利要求1所述的二维硅基的光子晶体慢光波导装置，其特征在于涉及的慢光波导装置在高群折射率、低色散的条件下，具有平坦带宽的慢光效应；其群折射率n_g和色散的关系由公式（1）表示：

$n_g=\frac{c}{v_g}=c\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{d\ω}}=n_{\mathrm{eff}}+\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{d\ω}}---\left(1\right)$

其中n_eff是群有效折射率，c为光速，v_g群速度，k是波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，k=2πn_eff/λ，λ为工作频率的波长；对慢光的n_g＞＞n_eff条件下，由公式（1）得公式（2），其中归一化频率f表示为f=ωa/2πc；获得低色散的结构要求n_g保持稳定，即在一定的频率范围内，f和k保持线性变化；

$n_g=\frac{a}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{df}}---\left(2\right).$

3.根据权利要求1所述的二维硅基的光子晶体慢光波导装置，其特征在于实现慢光效应时由计算机控制，先由太赫兹波源发出太赫兹脉冲信号，脉冲信号通过起偏器后变成线偏振光进入偏振分束器，再将脉冲信号的其中一路直接用光纤进入功率放大器，另一路通过光纤透镜准直聚焦引入到光子晶体慢光波导装置，脉冲信号经过光子晶体慢光波导装置后，使用光纤透镜将出射光耦合进入光纤中，然后再进入功率放大器；功率放大器对接收的两路信号进行放大后通过光电二极管将脉冲信号转换为电信号，再将转化后的电信号输入网络分析仪；然后对两路信号的相位在计算机上进行比较，得出其包络的相位差，排除其他干扰因素，得到光在光子晶体慢光波导装置中通过时产生的相位变化并计算出慢光效应。

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