CN110231680B - 可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构 - Google Patents

可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构 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，包括二氧化硅基底，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方形空气孔，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱的高度和方形空气孔的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，并与所述异质结界面与的夹角为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

可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构
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宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构。
背景技术
单向传输光子二极管因可实现逻辑运算已成为量子计算机的关键部件。由于光子晶体尺寸小易于光集成，传输损耗低等特点，成为了制备单向传输器件的优先选择。利用光子晶体的能带特性，设计可以实现光波单向传输光子晶体结构，已经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。
目前基于空间反演不对称性设计的微纳尺度光子二极管受材料损耗、带隙宽度和能带匹配等限制，存在正向透射率低，对比度低，带宽窄及工作于特定偏振态等问题，制约了光子集成的发展。Wang（Wang, C , C. Zhou , and Z. Li . "On-chip optical diodebased on silicon photonic crystal heterojunctions." Optics Express19.27(2011):26948-26955.）利用硅材料研究了空气圆孔形光子晶体异质结构，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。Ren等（Ren Cheng, Feng Kang, and Dezhong Cao."High efficiency asymmetric lighttransmission based on photonic crystal heterointerface optimization." OpticsCommunications (2019): 75-80.）利用非正交空气圆孔形光子晶体实现非对称的传输，实现了带宽约为0.26a/λ单向传输，但正向透射率较低最大仅为0.46。Liu（L. Dan , S. Hu ,and Y. Gao . "One-way optical transmission in silicon photonic crystalheterojunction with circular and square scatterers." Physics LettersA(2017))，研究了正交方形空气孔光子晶体异质结，虽然单向传输带宽约为0.04a/λ，但正向透射峰波动比较大，不能在宽频带范围内保持正向高透射。
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，透射率大于0.5的单向传输带宽也比较低仅为70nm。
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低，单向传输带宽范围较窄以及实验制备困难，设计一种易于制备、便于集成、高透射率、可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，在光量子通信及量子计算领域具有潜在的应用价值。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，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方形空气孔，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱的高度和方形空气孔的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，入射方向与所述异质结界面与的夹角为45°。
所述薄硅层的折射率为3.48，所述方形空气孔的折射率为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。
所述第二光子晶体结构PC2的晶格常数为第一光子晶体PC1的晶格常数的
Figure 874992DEST_PATH_IMAGE001
倍。
硅圆柱的半径为60 nm，第二光子晶体PC2的晶格常数为490nm，方形空气孔的边长为220nm。
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，方形空气孔为沿光波入射方向的正方形周期排列，且方形空气孔的一边平行于光波入射方向。
所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其工作波长范围为1408 nm~1940nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明设计了一种正方晶格的二维光子晶体异质结构，该结构仅采用硅材料（折射率为3.48）构筑正方晶格不仅结构简单，实验制备方便，而且能实现宽频带单向传输。
附图说明
图1本发明实施例提出的一种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，1550 nm处正入射场强分布图；
图6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可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，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方形空气孔4，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱3的高度和方形空气孔4的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，并与所述异质结界面2与的夹角为45°。
其中，本实施例中，所述介质硅圆柱3的折射率为3.48，所述方形空气孔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a，硅圆柱3半径为60 nm；右侧PC2为硅衬底上方形空气孔周期排列，晶格常数为
Figure 697454DEST_PATH_IMAGE001
a，方形空气孔4的边长为220nm。具体地，晶格常数a的取值为346.4nm。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，或者相邻两个方形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0.743-0.764（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，因此通信频段在导带区，为实现宽频带单向传输提供了条件。
具体地，本实施例中，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，即介质硅圆柱3的中心连线与入射光波方向呈45°夹角或135度夹角；所述第二光子晶体结构PC2中，方形空气孔4为沿光波入射方向的正方形周期排列，即方形空气孔4的中心连线与入射光波方向平行或垂直，且方形空气孔的一边平行于光波入射方向。
本发明设计二维光子晶体异质结构利用广义全反射原理，该结构摆脱能带的限制不依赖于方向带隙，能实现宽带宽的光波单向传输。
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薄硅层上分别刻蚀出介质硅圆柱和方形空气孔，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。
本发明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 DEST_PATH_IMAGE002
得到透射对比度。如图4所示，在TE模式下，单向传输带宽532 nm (0.067a/λ)，实现了在1550nm处0.69的正向透射率和94.6%的透射对比度。
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5所示。从图中可以看出，由于方形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6所示。从图中可以看出，由于PC2的散射作用，反向入射光波不能进入PC1，本发明实施例实现了反向截止。
本发明设计二维光子晶体异质结构波长范围从1408 nm到1940nm正向透射率均大于0.5，单向传输带宽达到532 nm(0.067a/λ) ，真正实现宽频带的单向传输，在所述中心工作波长1550nm下，实现了在TE模式下1550nm处0.69的正向透射率和94.6%的透射对比度。通过能带图和场强分布图可以观察到，实现了单向高透射传输。
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 (8)

1.一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，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方形空气孔（4），形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱（3）的高度和方形空气孔（4）的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，入射方向与所述异质结界面（2）与的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，所述薄硅层的折射率为3.48，所述方形空气孔（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所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，所述第二光子晶体结构PC2的晶格常数为第一光子晶体PC1的晶格常数的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
倍。
6.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，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，方形空气孔（4）的边长为220nm。
7.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，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，方形空气孔（4）为沿光波入射方向的正方形周期排列，且方形空气孔的一边平行于光波入射方向。
8.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，其工作波长范围为1408 nm~1940nm。
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