CN107592915A - 慢光生成光学装置以及产生低损耗慢光的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种慢光生成光学装置(1)。所述光学装置包括平面型波导(2)，并且所述平面型波导包括：具有第一侧(6)和第二侧(8)的纵向延伸的引导区(4)；第一纳米结构(7)，该第一纳米结构(7)布置在所述引导区(4)的所述第一侧(6)上；以及第二纳米结构(9)，该第二纳米结构(9)布置在所述引导区(4)的所述第二侧(7)上。所述平面型波导(2)包括第一纵向区，其中，所述第一纳米结构(7)和所述第二结构(9)关于所述平面型波导的所述引导区(4)大体上滑移面对称地布置，并且所述第一和第二纳米结构(7、9)被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且适于引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，所述能带单独非退化而相互退化，并且所述能带彼此相交并在Brillouin区边缘处形成Dirac点。所述第一和第二纳米结构另选地被限定为设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且被配置成引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，其中，所述正向传播模式的所述能带根据第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地增加，并且所述反向传播模式根据所述第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地减小，反之亦然。

Description

慢光生成光学装置以及产生低损耗慢光的方法
技术领域
本发明涉及慢光生成光学装置以及产生慢光的方法。
背景技术
光每秒行进299792458米。这个巨大的速度使其成为跨越不同大陆的电信的理想选择。对于这种应用来说，同样幸运的是，光仅与其行进的介质非常弱地相互作用，因此光脉冲在被吸收或退化之前可以在光纤中行进非常长的距离。然而，与物质的这种弱相互作用却有其不利方面；这使得在这种介质中操纵光脉冲的特性变得非常困难。理想情况下，希望能够在弱相互作用的介质中传播非常长距离的光，然后，当需要操纵和控制光时，在强相互作用的介质中传播。实现这种强相互作用的介质的一个策略是设计光传播减慢的光子材料。这被称为慢光(slow light)。
近来使用光互连将信息从一个电子处理单元发送至另一电子处理单元已经迅速成长。这是由于电互连的有限带宽以及传输光方面的能耗降低。一般来说，光学组件被进一步集成到CMOS集成电路中。一个难以捉摸的光学组件是片上光学缓冲器-可以在短时间内延迟光脉冲然后释放其的组件。这是因为迄今为止所使用的纳米光子电路具有相当大的散射损耗，并且仅展现出适度的延迟(500皮秒，7dB的损耗)。
光子晶体波导近年来因其控制和减慢光传播速度的能力而得到广泛的研究。理论上，光子晶体波导可以将光脉冲传播的速度(被认为是其群速度)降低至零。遗憾的是，这无法用试验方法实现，因为在制造过程期间不可避免地引入的纳米级缺陷会干扰光传播，从而导致光沿相反方向或从波导外面散射回波导。有些讽刺的是，由于慢速导致光与波导中的紊乱更强烈地相互作用，这种由紊乱引起的散射因慢光而加剧。事实上，当减速系数达到40左右的值时，反向散射非常强烈，以致光因所谓的Anderson定位而按不到10微米定位。迄今为止，这阻止了将光子晶体波导用于慢光装置的任何商业应用。
Adam Mock等人发表于Physical Review B,155115(2010)的“Space grouptheory and Fourier space analysis of two-dimensional photonic crystalwaveguides”公开了一种所谓的B型光子晶体波导，其中，引导区每一侧的光子晶格沿纵向方向偏移半个周期，从而拥有滑移面对称性。B型波导被用于减少来自通过光子晶体波导传播的线性偏振光的平面外辐射损耗。然而，该文章与慢光的形成无关，并且所描述的波导因如前述段落中解释的制造缺陷而容易产生大的反向散射损耗。
发明内容
本发明的一个目的是，获得一种克服或改善现有技术的缺点中的至少一个或者提供有用的另选方案的慢光生成光学装置以及产生慢光的方法。
根据第一方面，本发明提供了一种慢光生成光学装置，其中，所述光学装置包括平面型波导，其中，所述平面型波导包括：
ο具有第一侧和第二侧的纵向延伸引导区，
ο布置在所述引导区的所述第一侧上的第一纳米结构，以及
ο布置在所述引导区的所述第二侧上的第二纳米结构，其中，
-所述平面型波导包括第一纵向区，其中，所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述平面型波导的所述引导区大体上滑移面对称布置，并且其中，
-所述第一纳米结构和所述第二纳米结构被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且适于引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，这两种传播模式单独非退化而相互退化，并且它们彼此相交并在Brillouin区边缘处形成Dirac点。
通过设计所述纳米结构，使得所述正向传播模式和所述反向传播模式单独非退化而相互退化，确保了在制造期间引入的不可避免的各向同性干扰不耦合所述正向和反向传播模式，这又确保了低反向散射或没有反向散射，并因此确保了低损耗。因此，能够制造非常长的延迟线并产生大的延迟而没有显著损耗，特别是没有Anderson定位。应当认识到，与常规波导相比，平面型波导的纳米结构需要被改进，以便展现针对所生成的慢光的必要的特性。因此，纳米结构也可以被理解为以改进的滑移面对称设计来布置。
所述装置具有减小延迟线中的损耗并因此使其能够延长以提供显著较大延迟的潜力。目前的设计具有低至c/100的群速度，并且针对300微米的平面型波导获得了可忽略的损耗。
一般来说，第一纳米结构和第二纳米结构需要以某种周期性来布置，并且第一纳米结构和第二纳米结构的周期性沿平面型波导的纵向方向相互移位或平移，因此镜对称被打破。“大体上滑移面对称”是指这两个纳米结构相互移位约半个周期。
所述纳米结构有利地以晶格结构布置，即，第一纳米结构以第一晶格结构布置，以及第二纳米结构以第二晶格结构布置。因为纳米结构大体上以滑移面对称布置，所以这意味着第一晶格结构和第二晶格结构沿波导的纵向方向以大体上半个周期或晶格常数相互移位。
应当注意，术语“纵向”并不意味着引导区必须沿着直线布置。其意味着光通常沿着波导的给定方向传播。
还应当注意，术语“纳米结构”也不应以过于限制的方式来理解。其仅仅指示纳米结构具有相对小的尺寸，例如，从几十纳米到几千纳米的大小。孔通常依据所述周期来限定，这与操作的波长有关。晶格的周期大致等于波长除以材料的折射率(砷化镓为3.46)。所述孔的半径可以改变，但通常在0.25a-0.35a之间，其中，a是周期。纳米结构包括布置在背景材料中的多个孔，其中，孔的材料和背景材料的材料具有不同的折射率。所述孔可以是气孔或者由与背景材料不同的材料制成孔。因此，第一纳米结构可以包括处于引导区的第一侧上的第一孔，而第二纳米结构可以包括处于引导区的第二侧上的第二孔。
而且，术语“光学”也不应以过于限制的方式理解，并且应认识到，光学范围包括红外光、可见光以及紫外光。而且，还设想本发明可应用于微波、x射线等，尤其用于检测器设置。因此，该术语也可以包含这样的频率和波长，虽然优选的波长范围包括从红外光到紫外光的范围。纳米结构当然应根据给定频率和波长范围来进行设计。
如下限定Brillouin区边缘。周期性结构由原始晶胞(primitive unit cell)组成，其在空间中被复制。空间上的这种周期性也意味着倒易空间(reciprocal space)或动量空间中存在周期性。倒易空间中的晶胞称作Brillouin区。Brillouin区边缘是动量空间中该晶胞的边缘。在一维周期性结构中，Brillouin区边缘只是一个点。只有第一Brillouin区是相关的。第一Brillouin区从-a/(2*pi)处的下Brillouin区边缘延伸至a/(2*pi)处的上Brillouin区边缘。
如下限定Dirac点。Dirac点是两个带之间的交叉点，其中，两个带的斜率是线性的。在出现Dirac点的能带处不应有其它带。
正向和反向传播模式的能带可以有利地关于Dirac点大体上镜对称。
按第一方面的另选措辞，本发明提供了一种慢光生成光学装置，其中，所述光学装置包括平面型波导，其中，所述平面型波导包括：
ο具有第一侧和第二侧的纵向延伸引导区，
ο布置在所述引导区的所述第一侧上的第一纳米结构，以及
ο布置在所述引导区的所述第二侧上的第二纳米结构，其中，
-所述平面型波导包括第一纵向区，其中，所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述平面型波导的所述引导区大体上滑移面对称布置，并且其中，
-所述第一纳米结构和所述第二纳米结构被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且被配置成引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，其中，
ο所述正向传播模式的所述能带根据所述第一Brillouin区边缘两侧上的有
限范围内的波矢量单调地增加，而所述反向传播模式根据所述第一Brillouin
区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地减小，反之亦然。
这确保所述正向传播模式和所述反向传播模式单独非退化。因此，在一个实施方式中，所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带单独非退化而是可以相互退化。
所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带可以在一交叉点彼此交叉。所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带关于所述交叉点大体上对称。所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带可以形成Dirac点。所述Dirac点有利地形成在Brillouin区边缘处。所述Brillouin区边缘形成在k*a/(2*pi)＝0.5处，其中，k是波数，而a是所述第一和第二纳米结构的晶格常数。
下文中，描述了多个不同的实施方式，它们将这两者应用于按原始或另选措辞在第一方面中描述的本发明。
根据一个实施方式，所述正向传播模式和所述反向传播模式是逆向传播圆偏振模式。对称性要求两种模式在Brillouin区边缘退化。这可以在这两种模式具有不同的圆偏振时实现。这意味着如果正向传播模式是局部右旋(或顺时针)圆偏振，则反向传播模式是左旋(或逆时针)圆偏振。
应当注意，“圆偏振模式”不是常规意义上的圆偏振。就本发明和平面型波导而言，这意味着在其中模式的电场强度大体上最大的空间位置处，电场矢量在该结构的平面内被圆偏振。其中电场矢量完全圆偏振的实际位置可以稍微远离最大值，但总是接近最大值。
在一有利实施方式中，所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带单调取决于沿着波导方向传播的光的波矢量。这确保所述正向传播模式和所述反向传播模式单独非退化。
所述平面型波导优选为光子晶体波导。
在一有利实施方式中，所述平面型波导被设计成，使得被引导的正向传播模式的群速度vg显著低于c/n，其中，c是光速，而n是波导材料的折射率。所述被引导的正向传播模式的群速度例如可以比光在真空中的速度低至少五倍，例如，比光在真空中的速度低至少10倍，或者15倍，或者20倍，或者25倍。
总的来说，可以看出，平面型波导适于引导沿平面型波导的纵向方向的慢速模式。群速度例如可以比c/n低至少10倍。群速度可以比光在真空中的速度低差不多250倍，或者甚至500倍或1000倍。
针对慢光的另一措施是群指数ng。有利地，群指数ng＝c/vg至少为5，更有利为至少7，甚至更有利地至少10。更进一步地，ng可以为至少15，或至少20，或至少25。群指数ng例如可以处于20-200或25-150或30-120的范围内。因此，平面型波导也可以被表示为高群指数(high-ng)区段。
应认识到，慢导光平面型波导可以以许多方式来进行设计，以便提供慢群速度引导模式。这可以取决于膜或晶片的厚度、引导区的宽度以及构成纳米结构的材料的折射率(由于使用气孔，而通常在材料的折射率与1之间变化)，和纳米结构的晶格或周期常数。因此，可以看出，关键是提供具有低群速度的引导模式，这可以通过利用靠近Brillouin区边缘的模式来实现。
在一个实施方式中，所述平面型波导由介电材料制成，诸如III-V族半导体材料或硅基材料，例如，二氧化硅和/或氮化硅。III-V族半导体材料例如可以由砷化镓(GaAs)、铟镓砷化物(InGaAs)或砷化铝(AlAs)制成。其它合适的材料可以是硅基材料(例如，氮化硅)或金刚石。
可以有利地将所述光学装置设置在单个基板上。基板可以以一个或几个步骤制造，并因此可以在本身已知的制造设施中批量生产。
有利地，第一纳米结构和/或第二纳米结构包括气孔。然而，原则上，纳米结构也可以由与平面型波导材料的其余部分不同的材料制成，并且具有不同于剩余部分的折射率。
在一个实施方式中，平面型波导由折射率在2-5或2.5-4.5的范围内(例如，大约3.5)的材料制成，即，该材料由例如高折射率电介质制成。在另一实施方式中，平面型波导材料与第一和第二纳米结构的折射率差在1-4或1.5-3.5的范围内，例如，大约2.5。
在又一实施方式中，平面型波导适于引导处于620nm-1200nm区域中的波长间隔内的光，并且其中，量子发射器发射具有处于所述间隔内的波长的光子。
所述第一纳米结构和所述第二纳米结构至少沿所述平面型波导的纵向方向，分别按第一晶格结构和第二晶格结构布置，有利地按三角形晶格布置并且具有晶格常数a。然而，可以修改相邻排之间的线间间距，以便使所述平面型波导具有所期望的带结构。因此，a通常是指一排中相邻孔之间的纵向距离。
一般来说，纳米结构的设计(例如，光子晶体波导的晶格结构)应当匹配所期望的引导模式。波导内波长例如可以是晶格常数的两倍长度。
平面型波导可以有利地具有至少50微米的纵向范围或长度，更有利地为至少100微米。慢光和相对较长波导区段的组合允许显著的延迟。实验已经表明，根据本发明的波导可以具有至少300微米的消光范围，该消光范围是透射光的强度降低1/e倍的长度。只要损耗保持较低，平面型波导的纵向范围就可以是任意的。预期纵向范围可以高达1000微米或者甚至更高，诸如高达300mm。该纵向范围可以是至少5个晶格常数a，或者可以是至少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100个晶格常数a。
晶格常数a例如可以位于100nm-500nm或150nm-400nm或200nm-300nm的区间，例如，大约250nm。
引导区的宽度例如可以处于100nm-1000nm的区间，或者处于晶格常数a的0.5到2倍的区域中。引导区通常通过去除一排孔而形成。因此，所述第一侧和所述第二侧上的近端纳米结构(例如，孔)的中心之间的横向距离为晶格常数a的√3倍。然而，为了将波导修改为具有期望的根据本发明的带结构，与常规波导相比，也可能需要改变引导区的宽度。
在一有利实施方式中，所述平面型波导具有在0.2a与1.4a之间，或者在0.25a与1.0a之间，或者在0.3a与0.8a之间的厚度，例如，大约0.5a或0.6a。另选地，所述平面型波导可以具有处于50nm-500nm、或75nm-350nm，或100nm-250nm的范围内的厚度，例如，大约150nm。因此，可以看出所述平面型波导是平板波导。所述波导例如可以被设计为膜，例如设计为浮式结构，但是也可以设计为脊状平台，其中，波导被布置在具有低折射率的材料上。这可能与绝缘体上硅设计尤其相关。
所述平面型波导被有利地设计为沿该平面型波导的至少大部分的浮式结构。这样的设计通过最小化耦合到平面外的光来最小化损耗。另选地，所述波导可以布置在材料的顶部上，所述材料优选具有相对低的折射率。
在一个实施方式中，所述第一纳米结构和/或所述第二纳米结构包括多个第一排和多个第二排，所述多个第一排包括最接近所述引导区的第一孔，而所述多个第二排包括与所述第一排并列的第二孔，其中，所述第一孔具有第一直径，而所述第二孔具有不同于所述第一直径的第二直径。所述第二直径例如可以小于所述第一直径，例如是所述第一直径的50％-90％。所述第一纳米结构和/或所述第二纳米结构另外可以包括多个第三排，所述多个第三排包括与所述第二排并列的第三孔，其中，所述第三孔具有第三直径，并且其中，所述第三直径不同于所述第二直径。所述第二直径小于所述第三直径，例如是所述第三直径的50％-90％。所述纳米结构例如可以包括两个第一排、一个第二排，以及一个第三排。与常规设计相比，相邻排之间的距离可以轻微修改。每排孔的相对尺寸也可以应用于具有例如三角形或矩形孔的设计，因而所述孔的特征在于它们的侧面长度或最大内部尺寸。
在另一实施方式中，所述第一纳米结构和/或所述第二纳米结构包括形成在所述波导的横侧的压痕、波纹，起伏等。所述波导可以被设计成使得所述纳米结构仅由压痕、波纹、起伏等形成。
有利地，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构被设计成，使得所述波导被配置成仅引导所述正向传播模式和所述反向传播模式。
本发明还提供一种光学延迟装置，该光学延迟装置包括根据前述实施方式中的任一个所述的慢光生成光学装置。本发明还提供一种用于通信装置的光学缓冲器，所述光学缓冲器包括根据前述实施方式中的任一个所述的慢光生成光学装置。本发明另外还提供延迟线，该延迟线包括根据前述实施方式中的任一个所述的慢光生成光学装置。除此以外，本发明还提供包括这种延迟线的量子模拟器。
很明显，所描述的波导或慢光生成装置可以被用于大量装置。所述装置例如可以选自由以下各项组成的组：芯片上激光器、脉冲激光器、发光二极管、光谱滤波器、分束器、单光子源、单光子检测器、光学放大器、阵列波导光栅、离散补偿器、光学缓冲器、光参量放大器、光参量振荡器、光谱分析仪、衍射光栅、棱镜、光学开关、光学循环器、光学隔离器、法拉第旋转器、超连续谱源、锁模激光器，以及孤子锁模激光器。
根据第二方面，本发明提供一种产生慢光的方法，其中，所述方法包括将光引导到平面型波导中的步骤，该平面型波导包括：具有第一侧和第二侧的纵向延伸引导区、布置在所述引导区的所述第一侧上的第一纳米结构，以及布置在所述引导区的所述第二侧上的第二纳米结构，其中，所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述平面型波导的所述引导区大体上滑移面对称布置，其中，所述第一纳米结构被设计成，使得所述平面型波导适于引导拥有带结构的正向传播模式和反向传播模式，这两种传播模式单独非退化而相互退化，并且其彼此相交并在Brillouin区边缘处形成Dirac点。
第二方面还提供一种产生慢光的方法，其中，所述方法包括将光引导到平面型波导中的步骤，该平面型波导包括：具有第一侧和第二侧的纵向延伸引导区、布置在所述引导区的所述第一侧上的第一纳米结构，以及布置在所述引导区的所述第二侧上的第二纳米结构，其中，所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述平面型波导的所述引导区大体上滑移面对称布置，其中，所述第一和第二纳米结构被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且被配置成引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，其中，所述正向传播模式的所述能带根据第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地增加，而所述反向传播模式根据所述第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地减小，反之亦然。
附图说明
下面参照附图中示出的实施方式对本发明进行详细说明，其中，
图1示出了根据本发明的慢光生成光学装置的平面型波导的示意图，
图2示出了根据本发明的平面型波导的离散曲线，
图3示出了根据本发明的慢光生成光学装置的示意图，
图4例示了根据本发明的慢光生成光学装置的紧凑型波导的引导区，
图5例示了具有包括双螺旋设计的波导区的波导，
图6示出了展现出根据本发明的离散特性的平面型波导的第一示例，
图7示出了展现出根据本发明的离散特性的平面型波导的第二示例，
图8示出了展现出根据本发明的离散特性的平面型波导的第三示例，
图9示出了具有滑移面对称性的平面型波导的另选实施方式。
具体实施方式
平面型光子晶体波导是本领域所公知的，其用于控制光传播，例如，用于减慢光。光子晶体波导通常被设计有关于引导区以上下或镜对称设计布置的两个纳米结构。然而，也提出了所谓的B型W1光子晶体波导，例如，在Adam Mock等人的文章中，其用于减少来自通过波导传播的线性偏振光的平面外辐射损耗。然而，所示波导不适合于减慢光，并因此不适于用作光学缓冲器或延迟电路，因为所描述的波导和带结构因制造缺陷而容易产生大的反向散射损耗。
本发明人已经发现，可以修改B型光子晶体波导，使得波导展现离散关系，其中，因制造缺陷而造成的反向散射损耗几乎被消除，由此该波导可以提供有相当长的长度，并因此有利于具有低损耗或没有损耗的大延迟。
因此，本发明提供一种包括平面型波导2的慢光生成光学装置1。该平面型波导2包括具有第一侧6和第二侧8的纵向延伸引导区4。包括以具有纵向晶格常数a的修改三角形晶格结构布置的孔的第一纳米结构7位于引导区4的第一侧6上，而包括以具有纵向晶格常数a的类似修改三角形晶格结构布置的孔的第二纳米结构9位于引导区4的第二侧8上。在波导的至少第一纵向区段中，第一纳米结构7和第二纳米结构9关于平面型波导2的引导区4大体上滑移面对称地布置。
具有关于引导区4滑移面对称的纳米结构7、9的平面型波导2提供这样的波导，即，其模式具有伴随强平面内圆偏振的电场。然而，与现有技术的B型波导相比，该晶格结构已被修改，以便提供确保低的由于制造缺陷而引起的反向散射损耗的带结构。
平面型波导2的设计通常可以通过使用多个不同的特性来限定，诸如纵向晶格常数a、引导区4的宽度w、晶格结构中的排间距离以及孔7、9的半径(或其它尺寸)，和孔的形状。
在图1中，平面型波导被描绘为具有：最接近引导区的第一排孔，所述孔具有半径r1；与第一排相邻的第二排，第二排的孔具有半径r2；与第二排相邻的第三排，第三排的孔具有半径r3；与第三排相邻的第四排，第四排的孔具有半径r4。第一排与第二排之间的距离指示为d1，第二排与第三排之间的距离指示为d2，第三排与第四排之间的距离指示为d3。
引导区4的每一侧上的纳米结构通常相同。然而，其中一侧上的孔的位置沿纵向方向移位纵向晶格常数的一半(a/2)。
在常规B型光子晶体波导中，排间距离与晶格常数a的√3/2倍相同，而引导区的宽度为晶格常数a的√3/2倍。而且，孔的半径通常相同。
在本发明中，纳米结构被修改成展现如图2所示的离散曲线。平面型波导2适于引导展现平面内逆时针偏振的正向传播模式，并且其中能带根据波矢量单调增加，并且适于引导展现平面内顺时针偏振的反向传播模式，并且其中能带根据波矢量单调减小。这两个能带在Brillouin区边缘(用虚线描绘)处以相等但相反的群速度相交，从而形成Dirac点。这两种模式是局部非退化的。正交性要求这两种模式是局部正交的，但对称性要求它们在Brillouin区边缘处退化。这可能发生的唯一方式是假设这两种模式具有不同的圆偏振，其意味着如果正向传播模式在给定位置处右旋圆偏振，则反向传播模式左旋圆偏振。这又意味着，如果局部偏振是圆形的，则在制造期间引入的不可避免的各向同性电介质干扰无法耦合正向和反向传播模式。因此，反向散射损耗可以显著降低或者完全避免。
这使得慢光生成光学装置1尤其适合于例如光学延迟电路、用于通信装置的光学缓冲器，或者包括延迟线的量子模拟器。
如图3所示，慢光生成光学装置1或平面型波导管2可以简单地布置在输入波导16与输出波导18之间的较大光学装置中，所述输入波导和输出波导例如是脊型波导。
还可以设计慢光生成光学装置使得可以实现针对标准波导技术的有效读出。图4中示出了这样的实施方式。平面型波导包括慢模式区段110，其包括具有根据本发明的离散特性的修改滑移面对称纳米结构。该平面型波导还包括输入纵向区114'和输出纵向区114，其中，第一纳米结构和第二纳米结构关于引导区大体上镜对称(或上下对称)地布置。输入波导116直接耦合至输入纵向区114'，而输出波导直接耦合至平面型波导的输出纵向区114。
第一过渡区112'布置在输入纵向区114'与慢模式区段10之间，而第二过渡区112布置在慢模式区段10与输出纵向区114之间。在过渡区112、112'中，第一纳米结构和第二纳米结构9从滑移面对称逐渐变为镜对称。由此，引导模式从圆偏振逐渐变为具有低损耗或没有损耗的线偏振。光由此可以更有效地被转换并耦合至诸如脊型波导的常规波导技术。
应当注意，术语“纵向”并不意味着引导区必须沿着直线布置。引导区例如可以具有轻微的曲率。引导区例如可以沿着如图5所示的双螺旋线布置，其中螺旋环具有足够大的曲率半径以避免绝热损耗。为了简化起见，图中没有描绘光子晶体波导的纳米结构。
应当认识到，滑移面对称光子晶体波导可以以多种方式设计，以展现根据本发明的离散特性，例如，如图2所示。下文中，给出了展现这种特性的多个示例。
示例I
在图6所示的第一示例中，平面型波导设计有圆形孔。第一至第四排中的孔的半径分别为r1＝0.35a、r2＝0.35a、r3＝0.24a，以及r4＝0.30a。引导区的宽度为w＝(0.75√3)a。相邻排之间的距离分别为d1＝(1.25√3/2)a、d2＝(0.95√3/2)a，以及d3＝(0.90√3/2)a。平面型波导被设计为厚度为2a/3的膜。该波导展现出如图2所示的离散曲线。
所示平面型波导适于引导在Dirac点处具有群指数ng为39的光。实验表明，在至少300微米的传播距离上没有发生Anderson定位。
示例II
在图7所示第二示例中，平面型波导设计有方形孔。第一至第四排中的孔的边分别具有边长度l1＝0.62a、l2＝0.62a、l3＝0.43a，以及l1＝0.53a。引导区的宽度为w＝(0.75√3)a。相邻排之间的距离分别为d1＝(1.25√3/2)a、d2＝(0.95√3/2)a，以及d3＝(0.90√3/2)a。平面型波导被设计为厚度为2a/3的膜。该平面型波导展现出如图7中右侧所示的离散曲线。其中，正向传播模式的能带和反向传播模式的能带关于Dirac点大体上镜对称。
所示平面型波导适于引导在Dirac点处具有群指数ng为42的光。
示例III
在图8所示第三示例中，平面型波导设计有形成为等边三角形的孔，其中一边面向引导区，而顶端指向远离引导区。第一至第四排中的孔的边分别具有边长度l1＝0.9a、l2＝0.74a、l3＝0.81a，以及l1＝0.75a。引导区的宽度为w＝(0.91√3)a。相邻排之间的距离分别为d1＝(1.2√3/2)a、d2＝(1.1√3/2)a，以及d3＝(0.78√3/2)a。平面型波导被设计为厚度为2a/3的膜。该平面型波导展现出如图8中右侧所示的离散曲线。其中，正向传播模式的能带和反向传播模式的能带关于Dirac点大体上镜对称。
所示平面型波导适于引导在Dirac点处具有群指数ng为50的光。
虽然本发明已经在先前实施方式中针对具有按三角形晶格结构和特定孔形状布置的孔的设计进行了描述，但还可以设想可以利用其它晶格结构和孔形状。而且，本发明还设想第一和第二纳米结构可以包括形成在波导侧面的压痕、波纹，起伏等。可以设想，第一和第二纳米结构可以仅由这种压痕、波纹、波纹等来形成(如图9所示)，或者它们可以与类似于先前所述实施方式的孔设计组合。
具体地，图9例示了针对平面型波导202的、提供与先前实施方式中的那些相似的能带的另选设计。与先前实施方式相反，第一和第二纳米结构不作为孔结构提供。而是相反，纳米结构被形成为波导的引导区中的压痕、波纹或起伏(例如，挤入波导侧面)，使得波导202具有一种波浪形设计。平面型波导202包括具有第一侧206和第二侧208的纵向延伸引导区204。在引导区204的第一侧206上形成包括挤入波导202的第一侧206的压痕的第一纳米结构207。类似地，在引导区204的第二侧208上形成包括挤入波导202的第二侧208的压痕的第二纳米结构209。在波导的至少第一纵向区段中，第一纳米结构207和第二纳米结构209通过使压痕沿波导202的纵向方向相互移位，而关于平面型波导202的引导区204大体上滑移面对称地布置。
类似于前述实施方式，纳米结构波导202展现出对应于图2、图7以及图8所示那些的带结构，并确保低的由于制造缺陷而引起的反向散射损耗。
在所示示例中，波导202由宽度为a且膜厚度为t＝0.6a的纳米束组成。这里，a是晶格矢量，其限定蚀刻到纳米束波导202的侧面206、208中的孔或压痕的周期，使其具有滑移面对称性。这些孔在纳米束外侧居中，相对于纳米束的中心距离为0.75a*sqrt(3)/2。孔的直径为0.7a。
虽然图9中的压痕被示出为局部圆形设计，但也可以设想压痕可以采取其它形式。
因此，应当明白，本发明的重要特征在于波导提供有滑移面对称性，易于慢光并且提供非退化性，以便确保低损耗。很明显，常规B型波导不具有这些特性，并且与常规波导相比，滑移面对称性被修改。如前所述，该波导可以具有各种孔设计和形状，和/或形成在波导的横侧的压痕、波纹，起伏等。孔本身也可以提供有波浪形设计等，例如，形成具有相互滑移面对称性的正弦和余弦。
本发明已经参照有利实施方式进行了描述。然而，本发明的范围不限于所示实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行改变和修改，其由下面的权利要求书来限定。例如，针对实施方式给出了三个示例，其中波导被设计为膜。然而，根据本发明，也可以利用脊型平台设计，如绝缘体上硅晶片，其中波导被布置在具有相对较低折射率的材料上。
参考标号列表
1、201 光学装置
2、202 平面型波导
4、204 引导区
6、206 第一侧
7、207 第一纳米结构
8、208 第二侧
9、209 第二纳米结构
110 慢模式区段
112、112' 过渡区
114、114' 输出/输入纵向区
16、116 脊型输入波导
18、118 脊型输出波导
a 纵向晶格常数
d1、d2、d3 排之间的距离
l1、l2、l3、l4、 孔的侧长度
r1、r2、r3、r4、 孔的半径
w 引导区的宽度

Claims (24)

1.一种慢光生成光学装置(1)，其中，所述光学装置包括平面型波导(2)，其中，所述平面型波导包括：
o具有第一侧(6)和第二侧(8)的纵向延伸的引导区(4)，
o第一纳米结构(7)，所述第一纳米结构(7)布置在所述引导区(4)的所述第一侧(6)上，以及
o第二纳米结构(9)，所述第二纳米结构(9)布置在所述引导区(4)的所述第二侧(7)上，其中，
-所述平面型波导(2)包括第一纵向区，其中，所述第一纳米结构(7)和所述第二结构(9)关于所述平面型波导的所述引导区(4)大体上滑移面对称地布置，并且其中，
-所述第一纳米结构(7)和所述第二纳米结构(9)被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且被配置成，引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，其中，
o所述正向传播模式的所述能带根据第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地增加，并且所述反向传播模式根据所述第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地减小，反之亦然。
2.根据权利要求1所述的慢光生成光学装置，其中，所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带单独非退化而相互退化。
3.根据权利要求1或2所述的慢光生成光学装置，其中，所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带在交叉点处彼此交叉。
4.根据权利要求3所述的慢光生成光学装置，其中，所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带关于所述交叉点大体上对称。
5.根据权利要求3或4所述的慢光生成光学装置，其中，所述正向传播模式的所述能带和所述反向传播模式的所述能带形成Dirac点。
6.根据权利要求5所述的慢光生成光学装置，其中，所述Dirac点形成在Brillouin区边缘处。
7.根据权利要求6所述的慢光生成光学装置，其中，所述Brillouin区边缘形成在k*a/(2*pi)＝0.5处，其中，k是波数，并且a是所述第一纳米结构和所述第二纳米结构的晶格常数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述正向传播模式和所述反向传播模式是逆向传播圆偏振模式。
9.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述平面型波导是光子晶体波导。
10.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述平面型波导被设计成，使得被引导的正向传播模式的群速度显著低于c/n，其中，c是光速，并且n是波导材料的折射率。
11.根据权利要求10所述的慢光生成光学装置，其中，所述被引导的正向传播模式的群速度比光在真空中的速度低至少5倍，例如，比光在真空中的速度低至少10倍，或者15倍，或者20倍，或者25倍。
12.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述平面型波导由介电材料或硅基材料制成，该介电材料诸如为III-V族半导体材料，该硅基材料例如为二氧化硅和/或氮化硅。
13.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述第一纳米结构(7)和所述第二纳米结构(9)分别按具有纵向晶格常数a的第一晶格结构和第二晶格结构布置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述平面型波导具有至少50微米、有利地至少100微米的纵向范围。
15.根据权利要求13和14中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述晶格常数a位于100nm-500nm、或者150nm-400nm、或者200nm-300nm的区间中，例如为大约250nm。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述平面型波导具有在0.2a与1.4a之间、或者在0.25a与1.0a之间、或者在0.3a与0.8a之间的厚度，例如为大约0.5a或0.6a。
17.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述第一纳米结构和/或所述第二纳米结构包括多个第一排和多个第二排，所述多个第一排包括最接近所述引导区的第一孔，并且所述多个第二排包括与所述第一排并列的第二孔，其中，所述第一孔具有第一直径或第一最大内部尺寸，并且所述第二孔具有不同于所述第一直径的第二直径或第二最大内部尺寸。
18.根据权利要求17所述的慢光生成光学装置，其中，所述第二直径或第二最大内部尺寸小于所述第一直径或第一最大内部尺寸，例如为所述第一直径或第一最大内部尺寸的50％-90％。
19.根据权利要求17或18所述的慢光生成光学装置，其中，所述第一纳米结构和/或所述第二纳米结构另外包括多个第三排，所述多个第三排包括与所述第二排并列的第三孔，其中，所述第三孔具有第三直径或第三最大内部尺寸，并且其中，所述第三直径或第三最大内部尺寸不同于所述第二直径或第二最大内部尺寸，例如，其中，所述第二直径或第二最大内部尺寸小于所述第三直径或第三最大内部尺寸，诸如为所述第三直径或第三最大内部尺寸的50％-90％。在给定波长的光处的模式和反向传播模式。
20.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述第一纳米结构和/或所述第二纳米结构包括形成在所述波导的横向侧的压痕、波纹，起伏等。
21.根据前述权利要求中任一项所述的慢光生成光学装置，其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构被设计成，使得所述波导被配置成仅引导所述正向传播模式和所述反向传播模式。
22.一种产生慢光的方法，其中，所述方法包括将光引导到平面型波导中的步骤，所述平面型波导包括：具有第一侧和第二侧的纵向延伸的引导区；布置在所述引导区的所述第一侧上的第一纳米结构；以及布置在所述引导区的所述第二侧上的第二纳米结构，其中，所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述平面型波导的所述引导区大体上滑移面对称地布置，其特征在于，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且被配置成，引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，其中，所述正向传播模式的所述能带根据第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地增加，并且所述反向传播模式根据所述第一Brillouin区边缘两侧上的有限范围内的波矢量单调地减小，反之亦然。
23.一种慢光生成光学装置(1)，其中，所述光学装置包括平面型波导(2)，其中，所述平面型波导包括：
o具有第一侧(6)和第二侧(8)的纵向延伸的引导区(4)，
o第一纳米结构(7)，所述第一纳米结构(7)布置在所述引导区(4)的所述第一侧(6)上，以及
o第二纳米结构(9)，所述第二纳米结构(9)布置在所述引导区(4)的所述第二侧(7)上，其中，
-所述平面型波导(2)包括第一纵向区，其中，所述第一纳米结构(7)和所述第二结构(9)关于所述平面型波导的所述引导区(4)大体上滑移面对称地布置，并且其中，
-所述第一纳米结构(7)和所述第二纳米结构(9)被设计成，使得所述平面型波导具有带结构，并且适于引导拥有能带的正向传播模式和反向传播模式，所述能带单独非退化而相互退化，并且所述能带彼此相交并在Brillouin区边缘处形成Dirac点。
24.一种产生慢光的方法，其中，所述方法包括将光引导到平面型波导中的步骤，所述平面型波导包括：具有第一侧和第二侧的纵向延伸的引导区；布置在所述引导区的所述第一侧上的第一纳米结构；以及布置在所述引导区的所述第二侧上的第二纳米结构，其中，所述第一纳米结构和所述第二结构关于所述平面型波导的所述引导区大体上滑移面对称地布置，其特征在于，所述第一纳米结构被设计成，使得所述平面型波导适于引导拥有带结构的正向传播模式和反向传播模式，所述带结构单独非退化而相互退化，并且所述带结构彼此相交并在Brillouin区边缘处形成Dirac点。
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