CN110231679B - 一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构 - Google Patents

一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学器件领域，公开了一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构，包括方形二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面为界，所述二氧化硅基底上以位于对角异质结界面为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱，形成第一光子晶体结构PC1，右侧均匀刻蚀有周期性排列的多个椭圆空气孔，形成第二光子晶体结构PC2；所述异质结界面2与光波入射方向的夹角为45°。本发明易于制备、便于集成、单向高透射率，实现了高正向透射的单向传输特性，可以广泛应用于量子光学领域。

Description

一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构
技术领域
本发明属于光学器件领域，具体属于光量子通信及量子计算领域，具体涉及一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构。
背景技术
单向传输器件是一种只允许正向传输光通过，而反向传输光截止的非互易性传输的无源器件。光量子计算与通信的发展对光波单向传输器件提出了更高的要求，能微纳尺度以便于光子芯片集成、高正向透射率是单向传输器件必须具备的特点。
由于光子晶体易于集成，光损耗低等特点，成为了制备可集成的单向光传输器件的优先选择，利用光子晶体的带隙和局域特性，设计可以实现光波单向传输光子晶体结构，为单向传输光子二极管应用于量子计算及信息处理打下基础。目前利用光子晶体异质结构实现光波单向传输存在透射率较低，单向传输带宽较窄等问题。
李志远等（Wang.C , C. Zhou , and Z. Li . "On-chip optical diode basedon silicon photonic crystal heterojunctions." Optics Express19.27(2011):26948-26955.）利用硅材料研究了空气圆孔型光子晶体异质结构，在1550 nm 附近实现光波的单向传输，但正向透射率仅为 21.3%、带宽为 50 nm，透射率较低、带宽较窄。
Dan（L. Dan, S. Hu, and X. Ming, Study on unidirectional transmissionin silicon photonic crystal heterojunctions, Acta Physica Sinica (2017))，研究了正交或非正交的光子晶体异质结，实现光的单向传输，但优化结构正向透射率最大也仅为0.54，单向传输效率相对较低。
李琳等(李琳, 费宏明, 刘欣, 杨毅彪, 曹斌照, "基于全反射的二维光子晶体异质结的光波单向传输研究," 山西大学学报(自然科学版) 38 (2015))利用广义全反射界面设计的光子晶体异质结构实现了光波单向传输，但正向透射率较低仅为0.5，透射峰较窄，而且由于采用两种电介质材料，实验制备异质结构时有很大的困难。
费宏明等（费宏明, 徐婷, 刘欣, 林瀚, 陈智辉, 杨毅彪, 张明达, 曹斌照, 梁九卿, "可用于拓宽光波单向传输带宽的光子晶体异质结构界面," 物理学报 66, 60-68(2017))研究了空气孔型二维光子晶体异质结构实现光波单向传输，但结构采用两种不同电介质的衬底材料，正向透射率最大值仅为0.64，单向传输带宽也比较低。
发明内容
本发明针对现有的实现光波单向传输的光子晶体异质结构透射率较低、实验制备困难等问题，提出一种易于制备、便于集成、单向高透射率光子晶体结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱，形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个椭圆空气孔，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱的高度和椭圆空气孔的深度等于所述薄硅层的厚度；所述异质结界面与光波入射方向的夹角为45°。
所述薄硅层的折射率为3.48，所述椭圆空气孔（4）的折射率为1。
所述薄硅层的厚度大于220nm。
所述二氧化硅基底的厚度为1000nm。
所述第一光子晶体结构PC1的晶格常数为346.4 nm，硅圆柱半径为60 nm；第二光子晶体PC2的晶格常数为490nm，椭圆空气孔的半长轴和半短轴分别为220.5 nm和98 nm。
所述第一光子晶体结构PC1中，介质硅圆柱为与光波入射方向呈45°夹角的正方形周期排列，所述第二光子晶体结构PC2中，椭圆空气孔为沿光波入射方向的正方形周期排列，且椭圆空气孔的长轴平行于光波入射方向。
所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其中心工作波长为1550nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明设计了一种非正方对称的椭圆光子晶体异质结构，该结构仅采用硅材料（折射率为3.48），不仅能实现高正向透射率，而且结构简单，方便实验制备。
附图说明
图1本发明提出的一种椭圆光子晶体异质结构的结构示意图；
图2本发明中光子晶体PC1在TE模式下的能带图；
图3本发明中光子晶体PC2在TE模式下的能带图；
图4本发明结构在TE模式下透射率与透射率对比图；
图5本发明结构在TE模式下，光子晶体PC1在1550 nm（0.224a/ λ）处等频图；
图6本发明结构在TE模式下，光子晶体PC2在1550 nm（0.316a/ λ）处自准直输出等频图；
图7本发明结构在TE模式下，1550 nm处正入射场强分布图；
图8本发明结构在TE模式下，1550 nm处反入射场强分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，包括方形的二氧化硅基底1，所述二氧化硅基底1上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面2为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱3，形成第一光子晶体结构PC1，右侧均匀刻蚀有周期性排列的多个椭圆空气孔4，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱3的高度和椭圆空气孔4的深度等于所述薄硅层的厚度；所述异质结界面2与光波入射方向的夹角为45°。
其中，本实施例中，所述薄硅层的折射率为3.48，所述椭圆空气孔4的折射率为1。
此外，本实施例中，所述薄硅层的厚度大于220nm。所述二氧化硅基底的厚度为1000nm。
进一步地，本实施例中，所述第一光子晶体结构PC1的晶格常数为346.4 nm，硅圆柱3半径为60 nm；第二光子晶体PC2的晶格常数为490nm，椭圆空气孔4的半长轴和半短轴分别为220.5 nm和98 nm。其中，晶格常数指的是相邻两个硅圆柱3的中心之间的距离，或者相邻两个椭圆空气孔的中心之间的距离。如图2所示，为本实施例中的光子晶体PC1在TE模式下的能带图。如图3所示，为本实施例中光子晶体PC2在TE模式下的能带图。本发明设计二维光子晶体异质结构，光子晶体PC1在TE模式下，第一条禁带在0.302-0.446（a/λ），第二条禁带在0.743-0.762（a/λ）；光子晶体PC2在TE模式下没有禁带。（其中a是晶格常数，λ是波长）。因此1550 nm的光通信波段处于导带区，正向能够实现传输；
进一步地，如图1所示，本实施例中，所述第一光子晶体结构PC1中，介质硅圆柱3为沿异质结界面2方向的正方形周期排列，即介质硅圆柱3的中心连接与入射光波方向呈45°夹角；所述第二光子晶体结构PC2中，椭圆空气孔4为沿光波入射方向的正方形周期排列，且椭圆空气孔的长轴平行于光波入射方向。
本发明设计利用光子晶体的自准直原理，构建二维光子晶体异质结构，实现高正向透射率的光波单向传输。
本发明实施例提出的一种异质结构，可以采用离子束刻蚀法在二氧化硅基底上的硅层分别刻蚀出介质硅圆柱和椭圆空气孔，异质结界面与光波入射方向的夹角为45°，从而制备出能实现单向传输的椭圆异质结构。
利用平面波展开法（Rsoft）计算等频图，利用时域有限差分法（FDTD）计算透过谱及场分布图，定义从左侧向右侧为入射的正方向，从右侧向左侧为入射的反方向；从正方向入射高斯光束,在接收端使用监视器，得到正向透射率TF；从反方向入射高斯光束，在接收端使用监视器，得到反方向透射率TB。利用透射对比公式：
Figure 991726DEST_PATH_IMAGE001
； （1）
可以计算得到透射对比度。如图4所示，在TE模式下，本实施例的光子晶体异质结构可以实现在1550nm处0.703的正向透射率和0.984的透射对比度。
在1550 nm处得到在TE模式下的PC1和PC2的等频图，分别如图5和图6所示。从图中可以看出，从图中可以看出，正向传输时，入射光波在PC1中沿Γ—Μ（如图5黑色箭头所示）经过界面进入PC2，由于PC2的自准直效应，光波被准直到Γ—Χ方向（如图6黑色箭头所示）能够传输到异质结构的右侧。在反向传输时，由于界面的作用，光波不能进入PC1中，从而无法传输到异质结构的左侧。因此该结构能实现高透射的单向传输 。从正方向入射高斯光束，利用监视器得到，在1550 nm处得到在TE模式下的入射场场强分布图，如图7所示。从图中可以看出，由于椭圆空气孔的自准直效应，本发明实施例实现了高效的正向传输。从反方向入射高斯光束，利用监视器得到在1550 nm处得到在TE模式下的反射场场强分布图，如图8所示。由于全反射界面和光子晶体的散射作用，使得反向透射率很低。
本发明设计二维光子晶体结构，由于采用椭圆空气孔减少了光子晶体的对称性，在较宽的频率范围内都有自准直效应，提高了透射率，在1367 nm处正向透射率达到了0.858，实现单向高透射传输。
在上述技术方案中，进一步地附加技术特征在于：所述结构的中心工作波长是1550nm。在所述中心工作波长1550nm下，实现了在TE模式下1550nm处0.703的正向透射率和0.984的透射对比度。通过能带图和场强分布图可以观察到，实现高正向透射率的光波单向传输。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，包括二氧化硅基底（1），所述二氧化硅基底（1）上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面（2）为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱（3），形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个椭圆空气孔（4），形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱（3）的高度和椭圆空气孔（4）的深度等于所述薄硅层的厚度；所述异质结界面（2）与光波入射方向的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，所述薄硅层的折射率为3.48，所述椭圆空气孔（4）的折射率为1。
3.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，所述薄硅层的厚度大于220nm。
4.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，所述二氧化硅基底的厚度为1000nm。
5.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，所述第一光子晶体结构PC1的晶格常数为346.4 nm，介质硅圆柱（3）半径为60 nm；第二光子晶体PC2的晶格常数为490nm，椭圆空气孔（4）的半长轴和半短轴分别为220.5 nm和98 nm。
6.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，所述第一光子晶体结构PC1中，介质硅圆柱（3）为与光波入射方向呈45°夹角的正方形周期排列，所述第二光子晶体结构PC2中，椭圆空气孔（4）为沿光波入射方向的正方形周期排列，且椭圆空气孔的长轴平行于光波入射方向。
7.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，其中心工作波长为1550nm。
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