CN103267997A

CN103267997A - 聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法

Info

Publication number: CN103267997A
Application number: CN2013101930319A
Authority: CN
Inventors: 赵勇; 张亚男; 王�琦
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN103267997B

Abstract

本发明提出了一种聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法。通过调整空气槽两侧空气孔位置的方法优化光子晶体槽波导的慢光特性，当群折射率为55，100，172.5和222时，平坦慢光区域所对应的波长范围（即带宽）可以分别达到9.0nm，3.5nm，1.1nm和0.8nm。以群折射率为100，带宽为3.5nm的慢光为例，当外加驱动电压为0V，2V，4V，6V，8V，10V时，慢光的中心工作波长分别为1562nm，1560.5nm，1559nm，1557.5nm，1556nm，1554.5nm。同时，群折射率在90到110范围内变化，等效为将慢光的带宽增加到11nm，实现了宽带可调谐的慢光。

Description

聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，属于微型光电子器件设计技术领域。

背景技术

光子晶体又被称为光半导体，是由不同介电常数的物质在光波长量级上周期性排列而形成的新型人工材料，它所具有的独特的光子带隙和光子局域特性使人们操控光子的运动成为可能[文献1. A. Scherer, O. Painter, J. Vuckovic, M. Loncar, and T. Yoshie. Photonic crystals for confining, guiding, and emitting light. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2002, 1(1): 4-11.]。在光子晶体中沿光传播方向引入一条线缺陷形成光子晶体波导，这时光导模会受到光子晶体的强结构色散影响，使群速度大幅度降低，形成光子晶体波导慢光效应[文献2. T. F. Krauss. Slow light in photonic crystal waveguides. Journal of Physics D-Applied Physics, 2007, 40(9): 2666-2670.]。与传统的慢光产生方法相比，光子晶体波导慢光具有潜在的大带宽、更小的器件体积、结构设计灵活、能在室温下产生任意波长的慢光、产生的慢光易于控制等显著优势，从而极大地推动了慢光技术的发展。而光子晶体槽波导结合了光子晶体波导慢光与普通槽波导的优点，慢光会被束缚在很窄的空气槽中传输，不仅在空间上增加了信号的强度，还可以进一步加强慢光与槽内低折射率物质的相互作用，为微型化、高灵敏度的各种全光器件的实现提供了可能[文献3. C. Caer, X. Le Roux, and E. Cassan. Enhanced localization of light in slow wave slot photonic crystal waveguides [J]. Optics Letters, 2012, 37(17): 3660-3662; 文献4. Y. N. Zhang, Y. Zhao, D. Wu, and Q. Wang. Theoretical research on high sensitivity gas sensor due to slow light in slotted photonic crystal waveguide[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2012, 173: 505-509.]。所以，自从2008年光子晶体槽波导的概念被提出以来[文献5. A. Di Falco, L. O’Faolain, and T. F. Krauss. Photonic crystal slotted slab waveguides [J]. Photonics and Nnostructures–Fundamentals and Applications, 2008, 6(1): 38-41.]，光子晶体槽波导中慢光特性的研究吸引了许多研究者的极大兴趣。目前光子晶体槽波导慢光的研究大多集中于如何获得高群折射率、宽带宽、低群速度色散等特性的研究[文献6. Y. Zhao, Y. N. Zhang, D. Wu, and Q. Wang. Wideband slow light with large group index and low dispersion in slotted photonic crystal waveguide [J]. Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(17): 2812-2817; 文献7. K. T. Zhu, T. S. Deng, Y. Sun, Q. F. Zhang, and J. L. Wu. Slow light property in ring-shape-hole slotted photonic crystal waveguide [J]. Optics Communications, 2013, 290: 87-91.]。但是在实际使用时，人们不得不在高群折射率和宽带宽之间做出取舍[文献8. 侯金. 硅基光子晶体带隙特性与波导研究[D], 武汉: 华中科技大学, 2009, 44-50.]。此外，当外界环境变化或者制备工艺存在误差时，很容易引起慢光特性的改变或者其工作波长的漂移[文献9. H. Aghababaeian, M. H. Vadjed-Samiei, N. Granpayeh. “Temperature stabilization of group index in silicon photonic crystal waveguides.” Journal of the Optical Society of Korea, 2011, 15(4): 398-402; 文献10. W. W. Song, R. A. Integlia, and W. Jiang. Slow light loss due to roughness in photonic crystal waveguides: An analytic approach [J]. Physical Review B, 2010, 82(3): 235306.]，这些都将严重限制光子晶体槽波导慢光的应用范围。所以，在保证慢光高群折射率和低群速度色散特性的同时，实现慢光工作波长的动态调制并增大其可用的工作带宽显得更加重要。

在光学器件常用的材料中（InP、GaAs、SOI和聚合物等），聚合物材料具有成本低、电光系数高(从10pm/V到330pm/V) [文献11. Wang, C. Y. Lin, S. Chakravarty, J. Luo, A. K. Y. Jen, and R. T. Chen. Effective in-device r(33) of 735 pm/V on electro-optic polymer infiltrated silicon photonic crystal slot waveguides [J]. Optics Letters, 2011, 36(6): pp. 882-884]以及电光响应时间快(纳秒量级)等特性[文献12. M. Lee, H. E. Katz, C. Erben, D. M. Gill, P. Gopalan, J. D. Heber, and D. J. McGee. Broadband modulation of light using an electro-optic polymer [J]. Science, 2002: 298(5597): 1401-1403. ]，同时，聚合物材料还可沉积在任何半导体材料上。如果将聚合物材料填充在光子晶体槽波导的空气孔和空气槽内，由于电光效应，聚合物的折射率将随外加驱动电压的变化而变化[文献13. J. M. Brosi, C. Koos, L. C. Andreani, M. Waldow, J. Leuthold, and W. Freude. High-speed low-voltage electro-optic modulator with a polymer-infiltrated silicon photonic crystal waveguide [J]. Optics Express, 2008, 16(6): 4177-4191.]，进而实现慢光特性的动态调制。此外，空气槽中慢光传输引起的电磁场局域会显著增加介质的非线性效应[文献14. Y. Dumeige, P. Vidakovic, S. Sauvage, I. Sagnes, J. A. Levenson, C. Sibilia, M. Centini, G. D’Aguanno, and M. Scarola. Enhancement of second-harmonic generation in one-dimensional semiconductor photonic band gap [J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(20): pp. 3021–3023.]，也有利于在低驱动电压下实现高速电光调制。因此，本发明提出一种聚合物填充光子晶体槽波导结构，首先通过对光子晶体槽波导的结构进行优化，实现宽带宽、高群折射率、低群速度色散的慢光，再通过调节外加驱动电压来改变填充聚合物的折射率，最终实现了宽带可调谐的慢光。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于克服已有光子晶体槽波导慢光特性优化方法的不足，提出一种结构简单，易于制备，能产生宽带、高群折射率、低群速度色散的慢光，且工作波长可调的光子晶体槽波导结构。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明提出一种聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，研究了这种新型光子晶体槽波导结构的慢光特性。该慢光波导结构是在普通硅介质背景光子晶体槽波导的空气孔和空气槽中填充聚苯乙烯这种聚合物材料，形成聚合物填充光子晶体槽波导。在光子晶体槽波导的两侧加上金属电极，当改变驱动电压大小时，可以根据电光效应来实时调制聚苯乙烯的折射率。通过调整靠近空气槽的两排空气孔位置这种结构优化方法，有效的改善了聚合物填充光子晶体槽波导的色散曲线，实现了宽带、高群折射率、低群速度色散的慢光效果。最后，通过调节驱动电压的大小，对结构优化后的聚合物填充光子晶体槽波导的工作波长进行动态调制，最终实现了宽带可调谐慢光，并且增加了慢光的有效带宽。

上述方案中，所述的光子晶体槽波导为空气桥结构，由掩膜、电子束曝光、离子刻蚀、干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺制备而成。通过在半导体材料基底绝缘体上硅(Silicon On Insulator, SOI)上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成二维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿x方向的空气孔替换为一个空气槽形成光子晶体槽波导结构。最后，在所有空气孔和空气槽中填充聚苯乙烯材料，实现聚合物填充光子晶体槽波导结构。

上述方案中，所述的空气孔的半径r=0.30a（其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距），空气槽宽度d=0.32a；背景介质采用纯硅，折射率n=3.48，硅厚度h=273nm；在未加电场时，聚苯乙烯材料的折射率为1.59。为保证光子晶体器件工作在传输损耗比较小的1550nm波段，本发明设定晶格常数a为341nm。

上述方案中，所述的金属电极为铝材料，将其加在光子晶体槽波导两侧，所加电极的方向沿着y方向。驱动电压的大小可以从0V变化到100V。

上述方案中，所述的调整靠近空气槽的两排空气孔位置是将靠近空气槽的第一排空气孔沿靠近空气槽的方向移动，同时将靠近空气槽的第二排空气孔沿远离空气槽的方向移动。

（三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1) 利用光子晶体波导实现慢光要比其他慢光产生方法具有更大的带宽、更小的体积、更好的可实现性，且结构参数多样，产生的慢光可控，更适用于实际应用。此外，光子晶体槽波导产生的慢光会被束缚在很窄的低折射率介质槽内，空间上增加了信号的强度，进一步加强慢光与槽内低折射率物质的相互作用，可以用来实现微型化、高灵敏度的各种全光器件。

2) 本发明提出的这种聚合物填充光子晶体槽波导的慢光优化方法，通过调整空气槽两侧空气孔位置的方法来优化光子晶体槽波导的慢光特性，当群折射率为55，100，172.5和222时，平坦慢光所对应的工作波长范围（即带宽）可以分别达到9.0nm，3.5nm，1.1nm和0.8nm。与目前文献中报道的结果相比，实现了光子晶体槽波导中最好的慢光效果。此外，由于整个设计过程中只需要移动空气孔的位置，与传统的优化方法相比，结构更为精简，降低了工艺探索难度。

3) 本发明提出的这种聚合物填充光子晶体槽波导，在空气孔和空气槽中填充的聚合物折射率大小可以通过调节外加驱动电压来改变，不需要多次填充操作即可实现可调谐慢光。而且，当填充操作失误而导致填充在空气孔和空气槽中的聚合物折射率发生变化时，可以通过调节驱动电压的大小来补偿，不仅降低了填充操作的复杂性，还提高了填充的精度。

4）本发明提出的这种聚合物填充光子晶体槽波导中可调谐慢光的产生方法，通过调节外加驱动电压的大小，实现了慢光工作波长的动态调制。以群折射率为100，带宽为3.5nm的慢光为例，当外加驱动电压U=0V，2V，4V，6V，8V，10V时，平坦慢光区域对应的中心工作波长分别为1562nm，1560.5nm，1559nm，1557.5nm，1556nm，1554.5nm，也就是说，实现了可调谐慢光。同时，群折射率在90到110范围内（即，群折射率波动不超过中心值的10%）变化，等效为将慢光的有效带宽增加到11nm（从1552.5nm到1563.5nm）。

附图说明

以下各图中所取的光子晶体槽波导的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1为基于电光调制的聚合物填充光子晶体槽波导结构示意图，其中y1、y2代表了最靠近空气槽的两排空气孔的移动大小和方向，两端所加的电极为金属铝；

图2为聚合物填充光子晶体槽波导的能带曲线图；

图3为聚合物填充光子晶体槽波导的群折射率和群速度色散随波长的变化关系；

图4为未加驱动电压前，聚合物填充光子晶体槽波导在不同的y1与y2情况下的色散曲线（分别记为优化结构A，B，C，D）；

图5为未加驱动电压前，聚合物填充光子晶体槽波导优化结构A，B，C，D的群折射率曲线；

图6为未加驱动电压前，聚合物填充光子晶体槽波导优化结构A，B，C，D的群速度色散曲线；

图7为不同外加驱动电压下，聚合物填充光子晶体槽波导优化结构B的慢光曲线移动特性。

具体实施方式

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，对本发明的具体结构、原理以及慢光特性优化过程作进一步的详细说明。

本发明提出一种聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，如图1所示为基于电光调制的聚合物填充光子晶体槽波导的结构示意图，通过在普通三角晶格光子晶体中去掉中间一排沿x方向的空气孔形成W1结构的光子晶体波导，再在缺陷中心处放置一排宽度为d=0.32a的空气槽，形成光子晶体槽波导结构。其中，a=341nm为光子晶体晶格常数（即相邻空气孔之间的间距），空气孔的半径为r=0.30a，所有空气孔和空气槽中均填充聚苯乙烯材料，在未加电场时，其折射率均为1.59。介质背景采用纯硅，折射率为n=3.48，硅厚度为h=273nm。图中y1和y2分别表示靠近空气槽的第一排和第二排空气孔中心位置的位移，并且以图中箭头方向为正方向，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，y1和y2的大小代表了移动量的大小。金属电极加在光子晶体槽波导的两侧，所加电极的方向与聚苯乙烯材料的二阶极化率张量的方向一致，即沿着y方向，这样有利于在较低电压下实现对材料折射率较大范围的电光调制。

根据群速度的定义公式，对于一个中心频率为的光波，群速度为：

(1)

式中，

为光波角频率；k为波矢。对于慢光器件，通常用群折射率的大小来反映慢光减慢的程度，其表达式为：

(2)

为了保证慢光光信号在光子晶体槽波导中正确传输，还需要研究其群速度色散特性，群速度色散值

可以用下式表示：

(3)

图2为利用麻省理工学院的MPB软件仿真得到聚合物填充光子晶体槽波导的能带曲线图。由图中可以看到，在光子禁带中会出现偶模和奇模两条导模，分别对应电场分布相对于波导中心有偶对称性和奇对称性的模式，考虑到在实际制作中需要在光子晶体槽波导两侧面引入脊波导以导入和导出光波，而偶模和脊波导中的模式有更多重叠的地方，也就是说，偶模更容易在光子晶体槽波导中传输，所以本发明只考虑偶模的色散曲线。根据公式（2）和（3），对光子晶体槽波导的偶模色散曲线（横坐标为归一化频率

；纵坐标为传播常数

）进行求导，可以得到群折射率和群速度色散随波长的变化关系，如图3所示。从图3中可以看出，在慢光区域，群折射率随归一化频率快速上升，导致非常大的群速度色散。在群速度色散的允许范围内（＜10⁷ps²/km），该结构的聚合物填充光子晶体槽波导拥有非常低的群折射率和极窄的带宽，显然不适于实际应用。

为了提高聚合物填充光子晶体槽波导的群折射率，同时减小群速度色散，应尽量使色散曲线平坦，而为了增加慢光带宽，应该在尽可能大的频率范围内实现平坦的色散关系。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不断发生布拉格反射现象而形成的。光子晶体波导慢光的核心思想就是通过优化光子晶体波导的结构，得到比较平坦的色散曲线。图4为聚合物填充光子晶体槽波导在不同的y1与y2情况下的色散曲线，其中阴影标记区域所对应的色散曲线相对较平坦，其所对应的群折射率和群速度色散曲线分别如图5和图6所示。可以看出，通过选择适当的y1和y2，可以得到宽带、低群速度色散的慢光。根据慢光带宽的定义，设定群折射率上下波动量在带宽范围内不超过中心值10%为慢光的带宽。为了更好的展示光子晶体槽波导慢光性能的提高，表1总结了基本聚合物填充光子晶体槽波导与四个优化的聚合物填充光子晶体槽波导（分别记为A，B，C，D）的结构参数和慢光特性。当群折射率为55，100，172.5和222时，平坦区域所对应的慢光工作波长（即带宽）可以分别达到9.0nm，3.5nm，1.1nm和0.8nm。很明显，增加y1并选择合适的y2可以逐渐提高n _g，但同时也导致了慢光带宽的减小和群速度色散值的增加。下面以优化结构B（r=0.30a, d=0.32a, y1=0.020a, y2=0.080a, and a=341nm）为研究对象，分析其在外加驱动电压的作用下，慢光特性的调制情况。

表1. 优化前后聚合物填充光子晶体槽波导的慢光特性对比

由于电光效应的作用，聚苯乙烯材料折射率随外加电压的改变量为：

(4)

其中，

为聚苯乙烯在未加驱动电压作用时的折射率，

为聚苯乙烯的电光系数，U为外加的驱动电压，L为两电极之间的距离。本发明中，取

=150pm/V；

=1.59；f为局域场因子，当慢光群折射率为100时，

，

；。

图7所示为不同外加驱动电压下，聚合物填充光子晶体槽波导优化结构B的慢光曲线调制特性。从图中可以看出，随着外加驱动电压的增加，慢光曲线明显向短波长方向移动。当外加驱动电压U=0V，2V，4V，6V，8V，10V时，宽带慢光区域对应的中心波长分别为1562nm，1560.5nm，1559nm，1557.5nm，1556nm，1554.5nm，同时，群折射率在90到110范围内（即，群折射率波动不超过中心值的10%）变化，等效为将慢光的有效带宽增加到11nm（从1552.5nm到 1563.5nm）。由此可见，在实际应用中可以根据应用需要，通过改变外加驱动电压来动态地调节慢光的工作波长，在聚合物填充光子晶体槽波导中实现宽带可调谐的慢光，从而可以极大的提高光子晶体槽波导慢光在实际应用中的范围。

Claims

1.聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，其特征在于：通过对聚合物填充光子晶体槽波导的结构进行优化，实现了宽带宽、高群折射率、低群速度色散的慢光，再通过调节外加驱动电压来改变填充在光子晶体槽波导空气孔和空气槽中的聚合物折射率，使慢光的中心工作波长发生移动，而群折射率只是在小范围内发生变化，最终实现了宽带可调谐的慢光，同时增加了慢光的有效带宽。

2.如权利要求1所述的聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，其特征在于：光子晶体槽波导为空气桥结构，由掩膜、电子束曝光、离子刻蚀、干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺制备而成，通过在半导体材料基底绝缘体上硅(Silicon On Insulator, SOI)上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成二维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿x方向的空气孔替换为一个空气槽形成光子晶体槽波导结构，并在所有空气孔和空气槽中均填充聚苯乙烯材料。

3.如权利要求1所述的聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，其特征在于：所述的空气孔半径r=0.30a（其中a=341nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距），空气槽宽度d=0.32a，背景介质采用纯硅，折射率n=3.48，硅厚度h=273nm，在未加驱动电压时，填充在空气孔和空气槽中的聚苯乙烯材料的折射率为n _poly=1.59。

4.如权利要求1所述的聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，其特征在于：将靠近空气槽的第一排空气孔沿靠近空气槽的方向移动，同时将靠近空气槽的第二排空气孔沿远离空气槽的方向移动，来优化光子晶体槽波导的慢光特性，当群折射率为55，100，172.5和222时，平坦慢光区域所对应的波长范围（即带宽）可以分别达到9.0nm，3.5nm，1.1nm和0.8nm。

5.如权利要求1所述的聚合物填充光子晶体槽波导中宽带可调谐慢光的产生方法，其特征在于：以群折射率为100，带宽为3.5nm的慢光为例，当外加驱动电压U=0V，2V，4V，6V，8V，10V时，平坦慢光区域对应的中心工作波长分别为1562nm，1560.5nm，1559nm，1557.5nm，1556nm，1554.5nm，而且，群折射率均在90到110范围内（即，群折射率波动不超过中心值的10%）变化，等效为将慢光的有效带宽增加到11nm（从1552.5nm到1563.5nm），实现了对慢光工作波长的动态调制。