CN107918170B - 一种光子晶体慢光波导装置及慢光效应获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体慢光波导装置及慢光效应获取方法，该波导装置包括圆形空气孔、线缺陷、圆形空气孔的三角晶格结构、在线缺陷两侧第一排孔内填充的光流体、在线缺陷两侧第二排孔内填充的光流体；慢光效应获取方法为：在相同频段，设计基本的光子晶体慢光波导结构，通过选择第二排孔填充物折射率为1.35～2.2的n₂，同时保持宽带、低色散特性，获得连续变化的群折射率慢光分布；选择圆形空气孔三角晶格结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输。本发明得到群折射率从16.13到55.64的连续变化的理想宽带、低色散慢光传输。

Description

一种光子晶体慢光波导装置及慢光效应获取方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种光子晶体慢光波导装置及慢光效应获取方法。

背景技术

慢光效应是电磁波具有比光速低很多的群速度，可以广泛应用于光学延时线、全光缓存器以及加强光与物质相互作用等领域。基于光子晶体的慢光结构，由于其结构微小紧凑、便于集成，传输损耗小，以及室温运行等特点，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腔波导两种形式，其中，耦合腔波导的光波群速度会更小，但是慢光带宽也非常小，这会限制所能承载的信息容量；另外，两种波导形式所承载的慢光都有一个共同的问题：较大的群速度色散，这会引起信号波形失真，影响信息传输的质量，并且点缺陷耦合腔光波导群速度色散更大。要实现信号的保真传输，必须有效地减小色散，而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、低色散慢光的方法，如可以通过增加或减少线缺陷的宽度或在线缺陷附近添加平行缝隙，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，上述主要集中在结构的调整和设计，一旦结构设计完成传输特性便固定不可变；另外，复杂的局部结构设计容易造成制备中的困难和误差。最近，材料调制方法被引入到光子晶体线缺陷慢光波导，这种方法是在线缺陷波导制作完成之后，在光子晶体的空气孔中渗透微光流体、液晶或者填充柔性材料，如有机聚合物等。在光子晶体制备完成后填充后期材料可以改变波导的有效折射率分布，这种方法的作用，第一，可以达到与局部结构变化相似的功能，改变波导慢光的传输特性；第二，可以修正波导在制备中产生的误差；第三，填充物可以方便的去除和根据需要进行重新填充，可以实现多次重构。

目前，将两种方法结合在一起的慢光特性研究尚未发现，单独进行结构设计和调整对于确定结构，仅能在特定的群折射率点获得宽带低色散慢光传输；而固定结构下材料的填充，是在特定材料填充时获得最优的宽带低色散慢光传输，当填充材料改变时，支持的宽带慢光群速度随之变化，但是带宽和色散特性(由综合参数延迟带宽积描述)却随之劣化。

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，所支持慢光可以室温运行，便于与光纤系统耦合匹配，可以通过结构和材料设计控制慢光效果等。这样，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。

综上所述，现有基于光子晶体的慢光结构中慢光带宽太窄，群速度色散太大，在慢光波导制备完成之后所支持的最优宽带慢光群折射率位置固定不变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光子晶体慢光波导装置及慢光效应获取方法，旨在解决现有基于光子晶体的慢光结构中慢光带宽太窄，群速度色散太大，在慢光波导制备完成之后所支持的最优宽带慢光群折射率位置固定不变的问题。

本发明是这样实现的，一种光子晶体慢光波导装置，包括：

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刻蚀以二维硅片中心线为对称轴的8排圆形空气孔；

在二维硅片的对称轴上不予刻蚀一排圆形空气孔的线缺陷；

孔间距为三角晶格常数a，圆孔半径R＝0.328a的圆形空气孔三角晶格结构；

在缺陷两侧第一排孔内填充折射率n₁＝1.748的光流体；

在第二排孔内填充折射率为1.35～2.2的n₂的光流体。

本发明另一目的在于提供一种慢光效应获取方法，包括：三角晶格结构的光子晶体线缺陷波导设计，圆形空气孔半径取晶格常数的0.328倍，a＝0.328a，第一排孔填充光流体折射率固定在n₁＝1.748；在相同频段，基于基本的光子晶体慢光波导结构，通过选择第二排孔填充物折射率为1.35～2.2的n₂，同时保持宽带、低色散特性，获得连续变化的群折射率慢光分布；

选择圆形空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输，根据实际所需的慢光波长，晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长。

进一步，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，并且，具有高群折射率、低色散特性的慢光群速度根据第二行孔内光流体的不同折射率，在该折射率范围内变化；得到平坦带宽的慢光效应；

群折射率n_g和色散的关系由公式(1)表示：

其中，c为光速，v_g是群速度，k是沿波导方向的波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，对应的归一化频率表示为F＝ωa/2πc，归一化波数表示为K＝ka/2π，a为晶格常数。

进一步，获得宽带低色散的慢光效应需n_g在|Δn_g|≤10％的频率范围内保持稳定，F和K保持线性变化，在比较大的频率范围内群折射率n_g接近为常数，得到宽带慢光效应。

评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，是波数对频率的二阶导数，由公式(2)表示：

进一步，慢光的低色散特性以及带宽和群折射率之间的关系，用公式(3)定义一个综合参数归一化的延迟带宽积NDBP，其中，

是平坦区|Δn_g|≤10％的平均群折射率，Δω/ω₀是平坦区的归一化带宽，这一综合参数用于综合评价慢光系统的延迟存储能力，公式(3)为：

本发明提供的光子晶体慢光波导装置通过在波导最近两行孔内填充不同折射率的光流体，在大群折射率范围很好地实现了低色散、大带宽、低群速的宽带慢光，可广泛应用于全光信息的缓存和处理，并具有重要的现实应用价值。

本发明采用结构设计与材料填充相结合，设计出简单光子晶体慢光线缺陷波导结构，作为散射元的所有空气孔尺寸都是一致的，位置严格按照三角晶格结构排列，与单纯通过局部结构设计实现低色散宽带慢光的方案相比，大大降低了制备的复杂程度。另外，固定波导两侧第一排孔内光流体折射率，仅改变第二排孔内光流体的折射率，就可以得到群折射率从16.13到55.64的连续变化的理想宽带、低色散慢光传输。

根据光子晶体导光特性的相似性，光子晶体的色散曲线是对晶格常数a归一化的，光子晶体慢光波导所支持的慢光频率(波长)位置与晶格常数成正比，本发明提出的方法，可以根据实际需要的频段(波长)，设计所需的晶格常数a，对应着相应的作为散射元的圆形空气孔的半径，缺陷波导的宽度等，并且无需改变填充材料。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光子晶体慢光波导装置装置示意图。

图2为本发明实施例提供的圆形空气孔三角晶格结构示意图。

图中：1、二维硅片；2、圆形散射元空气孔；3、线缺陷；4、硅片长边；5、硅片短边；6、第一排孔；7、第二排孔；8、圆形空气孔三角晶格结构。

图3为本发明的实施例结构中慢光导模的F(K)色散曲线图，其中，晶格常数a＝330nm，空气孔半径取r＝0.328a，第一行孔内填充物直射率n₁＝1.74，曲线1表示n₂＝1.35；曲线2表示n₂＝1.5；曲线3表示n₂＝1.65；曲线4表示n₂＝1.8；曲线5表示表示n₂＝1.95。曲线中粗黑色标注区为线性平坦慢光区。

图4为本发明的实施例结构中群折射率n_g和归一化频率F的关系曲线图，曲线1表示n₂＝1.35；曲线2表示n₂＝1.5；曲线3表示n₂＝1.65；曲线4表示n₂＝1.8；曲线5表示表示n₂＝1.95。曲线中粗黑色区域为|Δn_g|≤10％的平坦慢光区。

图5为本发明的实施例结构中群速度色散系数β₂和归一化频率F的关系曲线图，曲线1表示n₂＝1.35；曲线2表示n₂＝1.5；曲线3表示n₂＝1.65；曲线4表示n₂＝1.8；曲线5表示表示n₂＝1.95。曲线粗黑色区域为平坦慢光区。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的光子晶体慢光波导装置，包括：包括二维硅片1、圆形散射元空气孔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的方向顺序排列刻蚀以二维硅片1中心线为对称轴的8排圆形空气孔2，在二维硅片1的对称轴上本该存在的一排圆形空气孔不予刻蚀，而构成线缺陷3；每排圆形空气孔在沿硅基片长边方向等间隔刻蚀21个孔，孔间距为三角晶格常数a，圆孔半径R＝0.328a，构成圆形空气孔三角晶格结构8；

根据实际所需的慢光波长(频段)，设计实际的晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长。

在缺陷两侧第一排孔6内填充折射率n₁＝1.748的光流体，在第二排孔7内填充折射率为n₂的光流体，根据所需的慢光传输群折射率，可以选择n₂在1.35～2.2变化。

本发明实施提供一种慢光效应获取方法，包括：在相同频段，基于基本的光子晶体慢光波导结构，通过选择第二排孔填充物折射率为1.35～2.2的n₂，同时保持宽带、低色散特性，获得连续变化的群折射率慢光分布；

选择圆形空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输，根据实际所需的慢光波长，晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长。

进一步，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，并且，具有该特性的慢光群速度根据第二行孔内光流体的不同在大范围内变化；得到平坦带宽的慢光效应；群折射率n_g和色散的关系由公式(1)表示：

其中，c为光速，v_g是群速度，k是沿波导方向的波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，对应的归一化频率表示为F＝ωa/2πc，归一化波数表示为K＝ka/27π，a为晶格常数。

进一步，获得宽带低色散的慢光效应需n_g在|Δn_g|≤10％的频率范围内保持稳定，F和K保持线性变化，在比较大的频率范围内群折射率n_g接近为常数，得到宽带慢光效应。

评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，是波数对频率的二阶导数，由公式(2)表示：

进一步，慢光的低色散特性以及带宽和群折射率之间的关系，用公式(3)定义一个综合参数归一化的延迟带宽积NDBP，其中，

是平坦区|Δn_g|≤10％的平均群折射率，Δω/ω₀是平坦区的归一化带宽，这一参数用于综合评价慢光系统的延迟存储能力，公式(3)为：

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例1：

构建一种获得较高群折射率为目的的低散射的光子晶体慢光波导装置，取空气孔排列的三角晶格的晶格常数a＝330nm，空气孔半径R取0.328a＝108.24nm，波导两侧第一行空气孔内填充光流体n₁＝1.74，第二行孔填充光流体折射率取n₂＝1.35，获得装置的群折射率n_g＝51.04，慢平坦慢光区出现在1532～1542.1nm的光纤第三通信窗口附近，带宽为10.1nm(群折射率变化范围n_g在±10％内)，带内最大群速度色散系数β₂＜33.31ps²/mm，低于100ps²/mm，几乎可以忽略的比较小的色散；归一化的延迟带宽积可以达到0.3224，具有比较大的延迟存储能力。

实施例2；

构建一种获得较宽带宽为目的低散射光子晶体慢光波导装置，取第二排孔填充光流体折射率n₂＝2.0，其他条件与实例1相同，得装置的群折射率n_g＝19.47，平坦慢光出现在1537.8nm到1566nm的28.2nm范围(群折射率变化范围n_g在±10％内)，带内最大群速度色散系数β₂＜4.65ps²/mm，归一化的延迟带宽积达到0.3542，色散更低，带宽更宽，延迟存储能力更强。

实施例3：

构建一种低频(长波)区的宽带低色散光子晶体慢光波导装置，取空气孔排列的三角晶格的晶格常数a＝65μm，圆形空气孔半径取0.328a＝21.32μm，波导两侧第一行空气孔内填充光流体n₁＝1.74，第二行孔填充光流体折射率取n₂＝1.50，获得装置群折射率n_g＝39.74，平坦慢光出现在302.46μm到304.59μm(频率约为1THz)的2.13μm范围(群折射率变化范围ng在±10％内)，带内最大群速度色散系数β₂＜3.5610³ps²/mm，归一化延迟带宽积为0.3333。

在低群折射率、宽带两种情况下，通过固定晶格常数a＝330nm，仅需改变第二行孔内填充透明物的折射率n₂，在固定频段，就可以得到群折射率分别为51.03和19.49的低色散带慢光传输，对应带宽分别为10.1nm和28.2nm，并且色散基本可以忽略；另外，根据实际需要的频带位置，例如太赫兹，可以设计晶格常数a＝65μm，空气孔半径与晶格常数关系R＝0.328a不变，可以获得在302.46μm到304.59μm(1THz附近)范围内2.13μm带宽的低色散慢光。

本发明所设计的慢光波导装置既可以获得较低的群速度，又可以获得较大的平坦带宽，获得稳定的慢光效应；在相同频段，基于基本的慢光波导结构，通过选择合适的第二排孔填充物折射率n₂，可以获得连续变化的群折射率慢光分布，同时保持宽带、低色散特性；另外，设计不同的晶格常数a，可以获得不同频段的宽带低色散慢光传输。

实施例4：

本发明实施提供一种慢光效应检测方法，由计算机进行控制，具体为：

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，从而计算出慢光效应。

图3为本发明的实施例结构中慢光导模的F(K)色散曲线图，其中，晶格常数a＝330nm，空气孔半径取r＝0.328a，第一行孔内填充物直射率n₁＝1.74，曲线1表示n₂＝1.35；曲线2表示n₂＝1.5；曲线3表示n₂＝1.65；曲线4表示n₂＝1.8；曲线5表示表示n₂＝1.95。曲线中粗黑色标注区为线性平坦慢光区。

图4为本发明的实施例结构中群折射率n_g和归一化频率F的关系曲线图，曲线1表示n₂＝1.35；曲线2表示n₂＝1.5；曲线3表示n₂＝1.65；曲线4表示n₂＝1.8；曲线5表示表示n₂＝1.95。曲线中粗黑色区域为|Δn_g|≤10％的平坦慢光区。

图5为本发明的实施例结构中群速度色散系数β₂和归一化频率F的关系曲线图，曲线1表示n₂＝1.35；曲线2表示n₂＝1.5；曲线3表示n₂＝1.65；曲线4表示n₂＝1.8；曲线5表示表示n₂＝1.95。曲线粗黑色区域为平坦慢光区。

以上所述仅为本发明的一般实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光子晶体慢光波导装置，其特征在于，该光子晶体慢光波导装置包括：

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刻蚀的以二维硅片中心线为对称轴的8排圆形散射元空气孔；

在二维硅片的对称轴上不予刻蚀一排圆形散射元空气孔的线缺陷；

孔间距为三角晶格常数a，三角晶格结构的光子晶体线缺陷波导设计，圆孔半径R＝0.328a的圆形散射元空气孔三角晶格结构；选择圆形散射元空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输；

在线缺陷两侧第一排孔内填充折射率n1＝1.748的光流体；

在线缺陷两侧第二排孔内填充折射率为1.35～2.2的n₂的光流体；

固定光子晶体慢光波导两侧第一排孔内光流体折射率，仅改变第二排孔内光流体的折射率，就能够得到群折射率连续变化的理想宽带、低色散慢光传输。

2.一种如权利要求1所述的光子晶体慢光波导装置的慢光效应获取方法，其特征在于，该慢光效应获取方法包括：

在硅基片上，三角晶格结构的圆形散射元空气孔构成的线缺陷光子晶体波导结构，圆形散射元空气孔半径R设计为晶格常数a的0.328倍；

在相同频段，基于基本的光子晶体慢光波导结构，保持第一排孔填充光流体折射率固定在n₁＝1.748，通过选择第二排孔光流体折射率为1.35～2.2的n₂，同时保持宽带、低色散特性，获得连续变化的群折射率慢光分布；

选择圆形散射元空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输，根据实际所需的慢光波长，晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长。

3.如权利要求2所述的慢光效应获取方法，其特征在于，光子晶体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，并且，具有高群折射率、低色散特性的慢光群速度根据第二排孔内光流体的不同折射率，在折射率为1.35～2.2的范围内变化，得到平坦带宽的慢光效应；

群折射率n_g和色散的关系由公式(1)表示：

其中，c为光速，v_g是群速度，k是沿波导方向的波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，对应的归一化频率表示为F＝ωa/2πc，归一化波数表示为K＝ka/2π，a为晶格常数。

4.如权利要求3所述的慢光效应获取方法，其特征在于，获得宽带低色散的慢光效应需n_g在|Δn_g|≤10％的频率范围内保持稳定，F和K保持线性变化，在第二排孔光流体折射率为1.35～2.2范围内，群折射率n_g为与第二排孔光流体折射率对应的常数，得到宽带慢光效应；

评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，是波数对频率的二阶导数，由公式(2)表示：

5.如权利要求3所述的慢光效应获取方法，其特征在于，慢光的低色散特性以及带宽和群折射率之间的关系，用公式(3)定义一个综合参数归一化的延迟带宽积NDBP，其中，

是平坦区|Δn_g|≤10％的平均群折射率，Δω/ω₀是平坦区的归一化带宽，这一综合参数用于综合评价慢光系统的延迟存储能力，公式(3)为：

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