CN110426777A - 一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构 - Google Patents

一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于微纳光电器件研究技术领域，公开了一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，包括以异质结界面为界的第一光子晶体和第二光子晶体；第一光子晶体包括二氧化硅基底层，二氧化硅基底层中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的锗圆柱，且靠近中间波导结构的两行中，为锗圆柱和小锗圆柱间隔设置形成耦合腔结构；第二光子晶体包括锗基底层，锗基底层中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的氧化硅圆柱。本发明实现了TE模式、TM模式和圆偏振模式的光波的单向高效传输效率，可以广泛应用于量子通信领域。

Description

一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构
技术领域
本发明属于微纳光电器件研究技术领域，具体是一种能够在宽频带内实现圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构。
背景技术
光通信的发展趋势为光量子技术微型化和集成化，而可集成的高性能光子二极管作为光量子技术的关键部件不可或缺。光子晶体是以光子为信息载体的新型材料。研究不同偏振态光波的单向传输就很重要了。其中圆偏振光要求两个线偏振光同时满足单向传输。目前，很少有结构能同时实现偏振无关的光波单向传输。
2014年，程立峰等（基于异质结界面优化的光子晶体二极管单向传输特性研究，Acta Phy. Sin. 2014，Vol:63，15)设计了界面耦合的光子晶体异质结构，实现单一线偏振光的单向传输，未实现圆偏振光的单向传输。透射峰带宽仅为 0.02c/a，带宽较窄。
2018年，刘辉阳等（基于全反射的波导异质结构单向传输性能研究，Acta Optica.Sinica. 2018，Vol:38，3）设计了三角晶格光子晶体波导异质结构，实现了在异质结构一中，TE模式光波在1458-1517nm波长范围内正向透射率高于0.8，透射对比度高于0.9的单向传输，带宽较窄。
2018年，武敏等（A broadband polarization-insensitive onchip reciprocalasymmetric transmission device based on generalized total reflectionprinciple，Joμrnal of Optics. 2018，Vol:20）设计了PC1为Si棒嵌入SiO2衬底中。PC2采用反向设计为SiO2棒是嵌入在Si衬底中，实现了TE和TM任意偏振模式下的单向传输，但是TE偏振模式正向透射率为0.58，正向透射率较低。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，包括以异质结界面为界的第一光子晶体PC1和第二光子晶体PC2；所述第一光子晶体PC1包括二氧化硅基底层，二氧化硅基底层中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的锗圆柱，相邻行之间的锗圆柱错位设置形成三角晶格周期排列，且靠近中间波导结构的两行中，为锗圆柱和小锗圆柱间隔设置形成耦合腔结构；所述锗圆柱和小锗圆柱与二氧化硅基底层等厚；所述第二光子晶体PC2包括锗基底层，所述锗基底层中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的二氧化硅圆柱，相邻行之间的氧化硅圆柱错位设置形成三角晶格周期排列，所述二氧化硅圆柱与所述锗基底层等厚，所述异质结界面与光波入射方向夹角为60°。
所述第一光子晶体PC1的晶格常数为a1=800nm，所述第二光子晶体PC2的晶格常数为a2=835nm。
所述锗圆柱的半径为r1b=0.256μm，小锗圆柱的半径r1s=0.05μm；所述二氧化硅圆柱的半径为r2=0.334μm。
所述第一光子晶体PC1中，波导结构的宽度为5μm，所述第二光子晶体PC2中，波导结构的宽度为10μm。
所述的一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，其制备方法为：
S1、首先选取有SiO2晶片作为衬底，在上面涂覆低折射率聚合物，然后使用化学气相沉积的方法在衬底上生长SiO2基底层；
S2、然后使用旋转涂胶的方法在基底层面涂上光刻胶，使用光刻的方法在光刻胶上制作SiO2材料对应的图形，并以光刻胶为掩模，使用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻出SiO2材料的结构；
S3、最后在刻蚀后的材料表面使用CVD方法生长锗材料，生长完成之后，洗去光刻胶。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供的光子晶体异质结构，在光通信中心波长1550nm处，圆偏振态下正向透射率为0.88，透射对比度为0.97。在1000nm~2000nm范围内，圆偏振态下正向透射率达0.76以上和透射对比度达0.87以上。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构的结构示意图；
图2为图1的AA剖视图；
图3为本发明实施例中光子晶体PC1在TE和TM两种线偏振模式的能带图；
图4为本发明实施例中光子晶体PC2在TE和TM两种线偏振模式的能带图；
图5为TE模式，TM模式和圆偏振光在本发明实施例的二维异质结构中的透射率图和对比度曲线；
图6为波长为1550 nm的入射光在TE模式，TM模式和圆偏振模式下正反向入射到本发明实施例的二维异质结构中的电场强度图。
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1~2所示，本发明实施例提供了一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，包括以异质结界面1为界的第一光子晶体PC1和第二光子晶体PC2；所述第一光子晶体PC1包括二氧化硅基底层2，二氧化硅基底层2中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的锗圆柱4，相邻行之间的锗圆柱4错位设置形成三角晶格周期排列，且靠近中间波导结构的两行中，为锗圆柱4和小锗圆柱5间隔设置形成耦合腔结构；所述锗圆柱4和小锗圆柱5与二氧化硅基底层2等厚；所述第二光子晶体PC2包括锗基底层3，所述锗基底层3两侧内嵌设置有三角晶格周期排列的二氧化硅圆柱6形成波导型结构，所述二氧化硅圆柱6与所述锗基底层3等厚，所述异质结界面与光波入射方向夹角为60°。
本发明实施例利用广义全反射原理，设计了一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构，利用耦合腔实现了圆偏振的单向传输。
本实施例中，所述第一光子晶体PC1的晶格常数为a1=800nm，所述第二光子晶体PC2的晶格常数为a2=835nm。所述锗圆柱4的半径为r1b=0.256μm，小锗圆柱5的半径r1s=0.05μm；所述二氧化硅圆柱6的半径为r2=0.334μm。
具体地，本实施例中，所述第一光子晶体PC1中，波导结构的宽度为5μm，所述第二光子晶体PC2中，波导结构的宽度为10μm。
本发明实施例提供的一种耦合腔光子晶体异质结构可以基于剥离技术的加工过程进行制备，分为以下几个步骤：
1、首先选取有SiO2晶片作为衬底，在上面涂覆低折射率聚合物，然后使用化学气相沉积的方法在衬底上生长SiO2基底层。
2然后使用旋转涂胶的方法在基底层面涂上光刻胶，使用光刻的方法在光刻胶上制作SiO2材料对应的图形，即使基底层上SiO2材料所对应的位置填满光刻胶，并以光刻胶为掩模，使用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀的方法刻出SiO2材料的结构。
3、最后在刻蚀后的材料表面使用CVD方法生长锗材料，生长完成之后，洗去光刻胶；洗去光刻胶之后，在SiO2材料顶端的多余的材锗材料被移除。这样异质结界面和二氧化硅圆柱以及锗圆柱直接由图形控制，从而制备出能实现单向传输的光子晶体异质结构。
异质结构的厚度由SiO2材料的厚度决定，考虑到衍射极限的要求，SiO2材料的厚度必须大于1550nm波长的衍射极限为。在刻蚀的过程中，要求将SiO2完全刻蚀穿透。沉积要求圆柱高度与SiO2材料厚度相同。因此，在孔洞中完全为异质材料。
如图3和4所示，运用平面波展开法（R-Soft软件）计算PC1和PC2的TE和TM能带图，从能带结构中可以看出，PC1对应于特定频率0.533 a/λ（对应波长1550 nm）处，PC1在TE模式Γ-X方向是禁带，在TM模式Γ-X方向为导带，如图3所示；PC2对应于特定频率0.557 a/λ（对应波长1550 nm）处，PC2在TE模式Γ-X方向是禁带，在TM模式Γ-X方向为导带，如图4所示。
利用透射对比公式：CT=（TF—TB）/（TF+TB）可以计算得到透射对比度，其中TF代表正向透射率，TB代表反向透射率，CT代表透射对比度。在1000nm~2000nm范围内，TE模式下正向透射率达0.72以上和透射对比度达0.86以上，如图5a所示，TM模式下正向透射率达0.77以上和透射对比度达0.79以上，如图5b所示；圆偏振态下正向透射率达0.76以上和透射对比度达0.87以上，如图5c所示。
图6为波长为1550 nm的入射光在TE模式，TM模式和圆偏振模式下正反向入射到本发明实施例的二维异质结构中的入射电场强度图；TE模式下波长为1550 nm的入射光的正反向入射到电场强度图如图6（a）和（b）；TM模式下在1550 nm处的正反向入射电场强度图如图6（c）和（d）；圆偏振光在1550 nm处的正反向入射电场强度图如图6（e）和（f）。从图中可以看出正向入射光源可以通过，反向入射光源被截止，因此，本发明的光子晶体异质结构实现了TE模式、TM模式和圆偏振模式的光波的单向传输效率，其传输效率高。
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 (5)

1.一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，其特征在于，包括以异质结界面（1）为界的第一光子晶体PC1和第二光子晶体PC2；所述第一光子晶体PC1包括二氧化硅基底层（2），二氧化硅基底层（2）中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的锗圆柱（4），相邻行之间的锗圆柱（4）错位设置形成三角晶格周期排列，且靠近中间波导结构的两行中，为锗圆柱（4）和小锗圆柱（5）间隔设置形成耦合腔结构；所述锗圆柱（4）和小锗圆柱（5）与二氧化硅基底层（2）等厚；所述第二光子晶体PC2包括锗基底层（3），所述锗基底层（3）中间沿光束入射方向设置为波导结构，波导结构两侧内嵌设置有多行沿光束入射方向排列的二氧化硅圆柱（6），相邻行之间的氧化硅圆柱（6）错位设置形成三角晶格周期排列，所述二氧化硅圆柱（6）与所述锗基底层（3）等厚，所述异质结界面与光波入射方向夹角为60°。
2.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，其特征在于，所述第一光子晶体PC1的晶格常数为a1=800nm，所述第二光子晶体PC2的晶格常数为a2=835nm。
3.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，其特征在于，所述锗圆柱（4）的半径为r1b=0.256μm，小锗圆柱（5）的半径r1s=0.05μm；所述二氧化硅圆柱（6）的半径为r2=0.334μm。
4.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，其特征在于，所述第一光子晶体PC1中，波导结构的宽度为5μm，所述第二光子晶体PC2中，波导结构的宽度为10μm。
5.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构，其特征在于，其制备方法为：
S1、首先选取有SiO2晶片作为衬底，在上面涂覆低折射率聚合物，然后使用化学气相沉积的方法在衬底上生长SiO2基底层；
S2、然后使用旋转涂胶的方法在基底层面涂上光刻胶，使用光刻的方法在光刻胶上制作SiO2材料对应的图形，并以光刻胶为掩模，使用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻出SiO2材料的结构；
S3、最后在刻蚀后的材料表面使用CVD方法生长锗材料，生长完成之后，洗去光刻胶。
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