CN103513332B - 一种光子晶体平板波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体平板波导，特点是包括薄膜层和衬底材料层，薄膜层和衬底材料层之间设置有隔离块使薄膜层和衬底材料层之间形成空气层，薄膜层设置有线缺陷和分布在线缺陷两侧的多排空气孔，空气孔的延伸周期为常数a，薄膜层厚度h=0.3a～0.7a，空气孔包括设置在线缺陷一侧并与线缺陷相邻的第一空气孔和设置在线缺陷另一侧并与线缺陷相邻的第二空气孔及与线缺陷不相邻的第三空气孔，第一空气孔的半径r_u为0.2a～0.4a，第二空气孔半径r_d为0.2a～0.4a，且r_u≠r_d，第三空气孔的半径r=0.25a～0.35a，优点是通过改变线缺陷两侧相邻的两排空气孔的尺寸大小（r_u和r_d），在较大范围内改变群折射率和色散平坦的带宽，其中群折射率可达100或更高。

Description

一种光子晶体平板波导

技术领域

本发明涉及一种光子晶体波导，尤其是涉及一种光子晶体平板波导。

背景技术

光子晶体平板波导（PhotonicCrystalSlabWaveguides，PCSWs）是由光子晶体平板和线缺陷组成的新型光学波导结构。它较传统的平板波导有许多优点，其中较显著的优点是PCSWs的慢光效应（即具有较小的群速度或较大的群折射率）。慢光效应能够增强光与物质的相互作用，提高介质的非线性效应，可应用于光学延迟线、光存储和全光缓存以及高非线性光学器件等领域。作为获取慢光效应最实用的一种方法，PCSWs具有许多优点，如可在室温下工作，群速度和带宽可调，可应用于任意工作波长等等。

本领域常用的光子晶体平板波导其结构包括薄膜层和衬底材料层，薄膜层和衬底材料层之间设置有隔离块使薄膜层和衬底材料层之间形成空气层；薄膜层设置有线缺陷和分布在线缺陷两侧的多排空气孔，多排空气孔是指在薄膜上周期分布的多排空气圆孔，线缺陷是指一排被薄膜材料填充的空气孔或者说一排没有空气孔的部分。

为了获得显著的非线性效果，一般需要数值较大的群折射率。但是在现有的PCSWs中，群折射率的增大往往同时伴随着带宽的减小以及群速度色散的增大，而这些因素的改变都会影响慢光的实际应用。为了获得低色散、大带宽的慢光，目前的方法主要是对称地改变线缺陷两侧数排孔洞的半径大小、位置和折射率以及孔洞的形状等。这些方法中，对称改变数排孔洞的半径大小，不能提供较大范围的群折射率和零色散带宽；而要改变孔洞的位置，则要求相当严格的制备误差，其位移一般要控制在几纳米到几十纳米；而要改变几排孔洞的折射率，通常无法进行实际的操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种产生较大的群折射率并具有低色散和大带宽的慢光，且制备简单方便的光子晶体平板波导。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光子晶体平板波导，包括薄膜层和衬底材料层，所述的薄膜层和所述的衬底材料层之间设置有隔离块使所述的薄膜层和所述的衬底材料层之间形成空气层，所述的薄膜层设置有线缺陷和分布在所述的线缺陷两侧的多排空气孔，所述的空气孔的延伸周期为常数a，所述的薄膜层厚度h=0.3a～0.7a，所述的空气孔包括设置在所述的线缺陷一侧并与所述的线缺陷相邻的第一空气孔和设置在所述的线缺陷另一侧并与所述的线缺陷相邻的第二空气孔及与所述的线缺陷不相邻的第三空气孔，所述的第一空气孔的半径r_u为0.2a～0.4a，所述的第二空气孔半径r_d为0.2a～0.4a，且r_u≠r_d，所述的第三空气孔的半径r=0.25a～0.35a。

所述的第一相邻空气孔的半径r_u大于所述的第三空气孔的半径r而所述的第二相邻空气孔半径r_d小于所述的第三空气孔的半径r或所述的第一相邻空气孔的半径r_u小于所述的第三空气孔的半径r且所述的第二相邻空气孔半径r_d大于所述的第三空气孔的半径r。

所述的第一相邻空气孔的半径r_u大于所述的第二相邻空气孔半径r_d并均大于所述的第三空气孔的半径r。

所述的第一相邻空气孔的半径r_u小于所述的第二相邻空气孔半径r_d并均小于所述的第三空气孔的半径r。

所述的薄膜层厚度h=0.5a。

所述的薄膜层由Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃材料制成。

所述的衬底材料层由Si材料制成。

所述的隔离块由SiO₂材料制成。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过改变线缺陷两侧相邻的两排空气孔的尺寸大小（r_u和r_d），就可在较大范围内改变群折射率和色散平坦的带宽，其中群折射率可达100或更高。当减小两排孔的半径（都小于r）时，可减小群折射率至18，同时可增大带宽至36nm（当工作波长λ=3μm时）；当增大两排孔的半径（都大于r）时，可一定程度上增大群折射率同时减小带宽；而减小一排孔的半径（小于r），并且同时增大另一排孔的半径（大于r）时，可进一步增大群折射率至130，同时伴随着带宽的减小至3.1nm（当工作波长λ=3μm时）。

硫系玻璃是氧元素除外的第Ⅵ主族元素（S，Se，Te）同电负性较弱的As、Sb、Ge等形成的非晶体化合物，例如As₂S₃、Ge-As-Se和Ge-Sb-Te等。硫系玻璃具有较宽的中红外透过光谱（0.8～20μm）、较高的材料折射率（n=2～3）、超高的非线性折射率（n₂=2～20×10^-18m²/W，高出石英材料2～3个数量级）和超快的非线性响应时间（t_r<200fs）以及可忽略的光生载流子效应等特性。以硫系玻璃为基质的PCSWs作为一种新型的高非线波导结构，已经引起了国外许多著名的光电子研究机构的极大的研究兴趣。但其材料基质主要集中在As₂S₃、Ge-As-Se等含有毒As元素的玻璃材料，而薄膜层由Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃材料制成，不仅具有1～16μm的较宽的工作波长范围,且透过率高并具有无毒环保的特性。

附图说明

图1为本发明的非对称光子晶体慢光波导结构的立体结构示意图；

图2为光子晶体波导偶模（也称为类TE模）中导模的的色散关系示意图；

图3为临近线缺陷两排空气孔半径变化时，群折射率随频率变化的示意图；

图4为取工作波长λ=3μm，临近线缺陷两排空气孔半径取不同值时的群折射率和色散随波长变化的关系曲线示意图。图中：（a）r_u=0.2a,r_d=0.25a；（b）r_u=0.4a,r_d=0.35a；（c）r_u=0.4a,r_d=0.25a。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图所示，一种光子晶体平板波导，包括薄膜层1和衬底材料层2，薄膜层1和衬底材料层2之间设置有隔离块3使薄膜层1和衬底材料层1之间形成空气层4，薄膜层1由Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃材料制成，折射率n为2.6～2.8，衬底材料层2由Si材料制成，隔离块3由SiO₂材料制成，薄膜层1设置有线缺陷11和分布在线缺陷11两侧的多排空气孔12，空气孔12的延伸周期为常数a，a=1110nm，薄膜层1的厚度h=0.5a，空气孔12包括设置在线缺陷11一侧并与线缺陷11相邻的第一空气孔12a和设置在线缺陷11另一侧并与线缺陷11相邻的第二空气孔12b及与线缺陷11不相邻的第三空气孔12c，第一空气孔12a的半径r_u为0.4a，第二空气孔12b的半径r_d为0.2a，第三空气孔12c的半径r=0.30a。当工作波长λ=3μm时，带宽为3.1nm，群折射率为130。

实施例二：如图所示，一种光子晶体平板波导，包括薄膜层1和衬底材料层2，薄膜层1和衬底材料层2之间设置有隔离块3使薄膜层1和衬底材料层1之间形成空气层4，薄膜层1由Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀玻璃材料制成，衬底材料层2由Si材料制成，隔离块3由SiO₂材料制成，薄膜层1设置有线缺陷11和分布在线缺陷11两侧的多排空气孔12，空气孔12的延伸周期为常数a，a=3600nm薄膜层1的厚度h=0.3a，空气孔12包括设置在线缺陷11一侧并与线缺陷11相邻的第一空气孔12a和设置在线缺陷11另一侧并与线缺陷11相邻的第二空气孔12b及与线缺陷11不相邻的第三空气孔12c，第一空气孔12a的半径r_u为0.2a，第二空气孔12b的半径r_d为0.3a，第三空气孔12c的半径r=0.35a。当工作波长λ=10μm时，带宽为110nm，群折射率为20。

实施例三：如图所示，一种光子晶体平板波导，包括薄膜层1和衬底材料层2，薄膜层1和衬底材料层2之间设置有隔离块3使薄膜层1和衬底材料层1之间形成空气层4，薄膜层1由Si材料制成，衬底材料层2由Si材料制成，隔离块3由SiO₂材料制成，薄膜层1设置有线缺陷11和分布在线缺陷11两侧的多排空气孔12，空气孔12的延伸周期为常数a，a=592nm薄膜层1的厚度h=0.7a，空气孔12包括设置在线缺陷11一侧并与线缺陷11相邻的第一空气孔12a和设置在线缺陷11另一侧并与线缺陷11相邻的第二空气孔12b及与线缺陷11不相邻的第三空气孔12c，第一空气孔12a的半径r_u为0.4a，第二空气孔12b的半径r_d为0.35a，第三空气孔12c的半径r=0.25a。当工作波长λ=1.55μm时，带宽为3.3nm，群折射率为95。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光子晶体平板波导，包括薄膜层和衬底材料层，所述的薄膜层由Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃材料制成，所述的薄膜层和所述的衬底材料层之间设置有隔离块使所述的薄膜层和所述的衬底材料层之间形成空气层，所述的薄膜层设置有线缺陷和分布在所述的线缺陷两侧的多排空气孔，所述的空气孔的延伸周期为常数a，所述的薄膜层厚度h＝0.3a～0.7a，所述的空气孔包括设置在所述的线缺陷一侧并与所述的线缺陷相邻的第一空气孔和设置在所述的线缺陷另一侧并与所述的线缺陷相邻的第二空气孔及与所述的线缺陷不相邻的第三空气孔，所述的第一空气孔的半径r_u为0.2a～0.4a，所述的第二空气孔半径r_d为0.2a～0.4a，且r_u≠r_d，所述的第三空气孔的半径r＝0.25a～0.35a，其特征在于所述的第一空气孔的半径r_u大于所述的第三空气孔的半径r而所述的第二空气孔半径r_d小于所述的第三空气孔的半径r或所述的第一空气孔的半径r_u小于所述的第三空气孔的半径r且所述的第二空气孔半径r_d大于所述的第三空气孔的半径r或所述的第一空气孔的半径r_u大于所述的第二空气孔半径r_d并均大于所述的第三空气孔的半径r。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体平板波导，其特征在于所述的薄膜层厚度h＝0.5a。

3.根据权利要求1所述的一种光子晶体平板波导，其特征在于所述的衬底材料层由Si材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种光子晶体平板波导，其特征在于所述的隔离块由SiO₂材料制成。