CN103630970A

CN103630970A - 基于自准直及渐变效应的光子晶体y型分束器

Info

Publication number: CN103630970A
Application number: CN201310692694.5A
Authority: CN
Inventors: 杨修伦; 黄哲; 王林辉; 范冉冉
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103630970B

Abstract

一种基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，包括一个作为光波导的正方晶格的光子晶体，在正方晶格的光子晶体的内部制作两个沿自准直光束传播方向对称的弯曲的缺陷腔，并在每个缺陷腔内设置一个弯曲排列的非均匀介质结构，两个缺陷腔内非均匀介质结构曲率相同，通过缺陷腔与非均匀介质结构组合作为分束结构。该分束器将正方晶格的光子晶体波导用于光束的自准直，并为后面光分束结构提供高效耦合；在正方晶格光子晶体内引入两个缺陷腔，并与渐变型分束结构组合，用于实现光的分束并保证较高的传输效率,提高了传输效率，大幅减少了光在分束前的能量损失，提高了光传输效率，并且在提高传输效率的方式上，在制备上容差更大。

Description

基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器

技术领域

本发明涉及一种基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

随着通信技术的发展，集成电路芯片已达到经典物理的极限，在如今的基础上，尽管波导量子芯片不断取得新的突破，但芯片的尺寸还是集中在毫米量级，芯片越小，集成电路性能急剧降低，能量损耗大，信息传输慢。这已经成为光量子器件集成发展的瓶颈。而光子作为信息载体，传输速度快，传输带宽远大于金属线带宽，且光子间相互作用弱，能量损耗低。光子比电子具有更大的容量、速度，更好的保密性及更强的抗干扰能力。光子晶体就是以光子为信息载体的新型材料。

光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间成周期排布的结构，当光在其中传播时受到调制形成光子能带结构，在合适的晶格常数与介电常数比的条件下，出现光子带隙。光子晶体通过带隙来限制光的传输方向从而达到人为控制光的传播方向进行导光。由于波导宽度在波长量级，大大减小了波导器件的尺寸，近年来不断出现微纳米量级的光子晶体功能器件，为将来更小型化，高密度的芯片的设计提供了技术支持，甚至为全光器件的开发指出了新的道路。

目前在光子晶体的设计制作上，以二维光子晶体器件为主，使光的频率落在光子晶体的光子禁带中，并引入缺陷，使光的传输被局限在缺陷结构之中，这是光子晶体作为光波导的理论基础，传统的光子晶体在缺陷的周围需要一定数量的晶体结构来起到满足光子禁带结构的条件，尤其是在使用光子晶体禁带作用进行光束分束器的设计时，耦合效率不高，即在对光场进行分束时，由于禁带的作用，使光场沿着不同方向缺陷分成多束光的同时，有相当一部分能量反射回入射光波导，导致光的传输效率不高。

光子晶体分束器一般在光束分叉处引入缺陷结构或是加入一些增透或抗反射层结构来提高分束效率，减小光分束时的损耗，提高光的传输效率。但是，要在分叉处另外引入微小的缺陷结构和加入增透抗反射结构对曝光工艺的要求非常苛刻，给实际光子晶体的制作带来很大的困难。

因此，在对光子晶体器件的研究当中，需要对整体的结构特别是在光的分束处的几何结构进行调整，达到在不引入另外的缺陷结构或加入增透、抗反射层结构的前提下，提高光子晶体光分束器的传输效率。

发明内容

本发明针对传统波导尺寸较大、传输效率较低和反射较大以及现有的光子晶体分束器在寻求提高光束传输效率时对曝光工艺的要求苛刻等问题，提供一种光束传输效率高的光子晶体光分束器，该分束器将渐变型结构的光子晶体渐变效应与光子晶体的自准直效应相结合，作为光分束器结构，不需要再另外加入一些缺陷或增透抗反射结构，仅是从改变光子晶体的结构来实现提高光束的传输效率的目的。

为达到上述目的，本发明基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，提供的技术方案如下：

该分束器，包括一个作为光波导的正方晶格的光子晶体，该正方晶格的光子晶体具有自准直效应，在正方晶格的光子晶体的内部制作两个沿自准直光束传播方向对称的弯曲的缺陷腔，并在每个缺陷腔内设置一个非均匀介质结构，非均匀介质结构在缺陷腔内弯曲排列，两个缺陷腔内的非均匀介质结构的曲率相同，输入光通过两个缺陷腔与非均匀介质结构的组合结构进行分束。

上述分束器中，所述的正方晶格的光子晶体中的介质柱采用的材料为氧化铝(折射率n为3.13)，介质柱的半径为14a/15，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

上述分束器中，正方晶格的晶格常数为7a/3。

上述分束器中，正方晶格的光归一化频率为0.133。

上述分束器中，两个缺陷腔是从正方晶格中心开始，分别向上弯曲和向下弯曲，每个缺陷腔的宽度为22a，上下两个缺陷腔重叠部分的宽度为4a。

上述分束器中，所述的非均匀介质结构中的介质柱材料采用的是氧化铝(折射率n为3.13)，介质柱的半径为0.2a。

上述分束器中，所述的缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构在径向上的等效折射率在垂直于光传输的光轴方向上从n=1.43到n=2.20对称分布，宽度h=20a，等效折射率分布采用的是双曲正切分布，即在垂直于光传播方向上的折射率n(y)=n₀sech(αy)，其中，n₀为2.20，α为0.112a^-1，y为缺陷腔内弯曲排列的非均匀结构中沿垂直于光传播方向上，离非均匀介质结构中心轴线的距离。

上述分束器中，缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构，在垂直于光的传输方向上，每列光子晶体柱间的夹角为θ=1.14°。

上述分束器中，缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿径向方向上最外的介质柱与缺陷腔边界之间有一空气间隔，间隔距离为2a，用于在光传播到弯曲结构分束时，束缚住光，避免光分束时光泄露而导致传输效率的减少。

上述分束器中，缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构中最靠近弯曲中心的介质柱与弯曲中心的距离为40a。

本发明的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器将正方晶格的光子晶体波导用于光束的自准直，并为后面渐变型分束结构提供高效耦合；在正方晶格光子晶体内引入两个缺陷腔，并与渐变型分束结构组合，用于实现光的分束并保证较高的传输效率。与传统的分束器相比，提高了传输效率，并且在分束前，正方晶格光子晶体起到自准直的作用，并且与弯曲的分束结构耦合效率高，大幅减少了光在分束前的能量损失，提高了光传输效率，并且在提高传输效率的方式上，仅是在光子晶体的结构上进行设计，并没有另外再加入增透及抗反射层结构，在制备上容差更大。由于介质柱采用的是氧化铝材料，制作成本比常用的半导体材料更为低廉，更有利于基于此技术的产品推广及批量生产。

附图说明

图1是本发明基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器的结构示意图。其中自准直正方晶格采用的60*60的结构，图中黑色为介质柱，白色为空气材料。

图2是光在本发明基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器中传播的光学特性示意图，使用FDTD法进行的仿真结果。

图3是输入光在本发明基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器中向上弯曲分束传播的传输效率示意图。

图4是输入光在本发明基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器中向下弯曲分束传播的传输效率示意图。

图5是输入光在本发明基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器分束后在分束的两个输出端口测得的总的传输效率示意图。

具体实施方式

由于光子晶体内部具有自准直效应，在光子晶体内传输的光束在不引入缺陷的情况下，由于光子晶体的色散关系可以克服衍射发散沿光束传播方向准直传输，所以在分束器采用了正方晶格的光子晶体用于自准直入射光，在后面耦合的弯曲的分束结构不引起较大的能量损失。

本发明提供的光束分束器，如图1所示，是在一个正方晶格的光子晶体中引入两个缺陷腔，并在缺陷中引入非均匀介质结构。正方晶格光子晶体具有自准直效应，正方晶格的光归一化频率为0.133。缺陷腔及非均匀介质结构用于调节光场分布，使输入光束实现光的1:1分束。正方晶格光子晶体介质柱采用的材料为氧化铝（折射率n为3.13），晶格常数为7a/3,介质柱半径为14a/15。在光子晶体中的两个缺陷是从正方晶格中心开始，分别向上弯曲和向下弯曲，宽度为22a，上下两个缺陷重叠部分的宽度为4a，按照1/4圆的方向对正方晶格中的介质柱进行去除而形成。所述缺陷腔内非均匀介质结构介质柱材料为氧化铝（折射率n为3.13），介质柱的半径为0.2a，结构是根据垂直光传播方向上折射率分布成双曲正切分布而设计的，在垂直于光传播方向上的折射率n(y)=n₀sech(αy)，其中，n₀为2.20，α为0.112a^-1,y为缺陷腔内非均匀结构中沿垂直于光传播方向上，离非均匀介质结构中心轴线的距离。每个缺陷腔内整个非均匀介质结构的宽度为20a。其中a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿径向上的最外介质柱与缺陷腔的边界之间留出一个宽度为2a的空气缺陷，使得输入光在分束处不会泄露，保证传输的高效率。缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构，在垂直于光的传输方向上，每列光子晶体柱间的夹角为θ=1.14°。缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构中最靠近弯曲中心的介质柱离弯曲中心的距离为40a。

图2给出在基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器中传播的光学特性，左端为光束的输入端，右端为输入光束经过90°的弯曲分束后的两个输出端，两束输出光束方向垂直于输入光的方向。当然，如果分束后需要特定方向，可以根据实际情况对弯曲结构的弧长作适当的修改。

图3与图4分别给出基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器的两个输出端口传输效率，可以看到，本发明所设计的光分束器实现了1:1的分束效果，并且两端口的输出光传输效率均大于40%。所得出的结果可以为将来此类光子晶体器件在光集成、光通信上的应用做出理论上的验证。

图5给出的为两个端口总输出的传输效率，整个器件的传输效率接近85%，这种高效率的传输并不是针对某一特定频率，而是具有一定的带宽，在应用上可以根据具体要求进行设计利用。

以上所述的具体实施例，是对本发明的目的、技术方案和技术效果进行进一步详细说明，虽然本发明将实施例公布如上，但所应理解的是，以上所述仅为本发明具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围的情况下都可利用上述所揭示的技术内容作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做任何修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：包括一个作为光波导的正方晶格的光子晶体，该正方晶格的光子晶体具有自准直效应，在正方晶格的光子晶体的内部制作两个沿自准直光束传播方向对称的弯曲的缺陷腔，并在每个缺陷腔内设置一个非均匀介质结构，非均匀介质结构在缺陷腔内弯曲排列，两个缺陷腔内的非均匀介质结构的曲率相同，输入光通过两个缺陷腔与非均匀介质结构的组合结构进行分束。

2.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述正方晶格的光子晶体中的介质柱采用的材料为氧化铝，介质柱的半径为14a/15，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

3.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述正方晶格的晶格常数为7a/3，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

4.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述正方晶格的光归一化频率为0.133。

5.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述两个缺陷腔是从正方晶格中心开始，分别向上弯曲和向下弯曲，每个缺陷腔的宽度为22a，上下两个缺陷腔重叠部分的宽度为4a，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

6.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述非均匀介质结构中的介质柱材料采用的是氧化铝，介质柱的半径为0.2a，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

7.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构在径向上的等效折射率在垂直于光传输的光轴方向上从n=1.43到n=2.20对称分布，宽度h=20a，等效折射率分布采用的是双曲正切分布，即在垂直于光传播方向上的折射率n(y)=n₀sech(αy)，其中，n₀为2.20，α为0.112a^-1，y为缺陷腔内弯曲排列的非均匀结构中沿垂直于光传播方向上，离非均匀介质结构中心轴线的距离，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

8.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构，在垂直于光的传输方向上，每列光子晶体柱间的夹角为θ=1.14°。

9.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿径向方向上最外的介质柱与缺陷腔边界之间有一空气间隔，间隔距离为2a，用于在光传播到弯曲分束时，束缚住光，避免光分束时光泄露而导致传输效率的减少，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。

10.根据权利要求1所述的基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器，其特征是：所述缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构中最靠近弯曲中心的介质柱与弯曲中心的距离为40a，a为缺陷腔内弯曲排列的非均匀介质结构沿光传播方向上的晶格常数。