CN110441859A - 一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构 - Google Patents

一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于量子光学材料技术领域，公开了一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上方以异质结界面为界，左侧设置有在空气中周期性排列的多个hBN柱，形成第一光子晶体结构PhC1；右侧设置有hBN基底层，所述hBN基底层上刻蚀有呈周期性排列的多个空气孔，形成第二光子晶体结构PhC2；所述hBN柱的高度和空气孔的深度等于所述hBN基底层的厚度；所述异质结界面与光波入射方向的夹角为30°。本发明可以实现TM线偏振光波单向传输，可广泛应用于基于hBN材料的其他光集成通信及信息处理器件。

Description

一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构
技术领域
本发明属于量子光学材料技术领域，具体涉及一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构。
背景技术
二维六方氮化硼（hBN）是一种可用于光量子技术的潜在材料，其折射率在空间分布上有各向异性的特点，并且不导电。基于hBN的独特材料特性，设计出非偏振选择性且易于集成的hBN光二极管，将进一步拓宽hBN材料的光子学器件领域，为微纳尺度的集成光子学芯片走向实用做出贡献。
2018年，Sejeong Kim等（Photonic crystal cavities from hexagonal boronnitride, Nature Communications,2018,9,2623）设计了基于hBN的悬浮光子晶体腔，其品质因子超过2000，该研究证明了hBN材料可以应用于集成光学系统，对纳米光子学和量子光子学的应用有着重大意义。同年，Sejeong Kim等（Design of photonic microcavities inhexagonal boron nitride,Journal of Nanotechnology, 2018, 9, 102–108）提出了基于hBN的光子晶体腔，可用于在室温下超亮且可光稳定的量子发射器。并研究了底层衬底对材料吸收的影响，以及对自发发射率的增强，其结果有望用于未来的hBN量子光子学实验。2018年，赵长颖等（Compact mid-infrared broadband absorber based on hBN/metalmetasurface,International Journal of Thermal Sciences, 2018, 130, 192-199）提出了一种利用超曲面获得宽带中红外吸收的方法，对一种薄至十三分之一波长的紧凑型hBN /金属表面，研究了耦合等离子体和声子极化子对辐射特性的影响。费宏明等（Abroadband polarization-insensitive on-chipreciprocal asymmetrictransmissiondevice based on generalized total reflectionprinciple, Journal ofOptics, 2018, 20, 095004）设计基于全反射界面的二氧化硅与硅材料二维光子晶体异质结构，得到宽带宽光波单向传输。
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：提供一种二维六方氮化硼光子晶体异质结构，以实现光波的单向传输。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上方以异质结界面为界，左侧设置有在空气中周期性排列的多个hBN柱，形成第一光子晶体结构PhC1；右侧设置有hBN基底层，所述hBN基底层上刻蚀有呈周期性排列的多个空气孔，形成第二光子晶体结构PhC2；所述hBN柱的高度和空气孔的深度等于所述hBN基底层的厚度；所述异质结界面与光波入射方向的夹角为30°。
所述hBN柱沿光束入射方向分行排列，相邻行之间的hBN柱错位设置形成三角晶格排列；所述空气孔沿光束入射方向分行排列，相邻行之间的空气孔错位设置形成三角晶格排列。
所述hBN柱的半径为150nm，空气孔的半径为60nm。
所述第一光子晶体结构PhC1和第二光子晶体结构PhC2的晶格常数均为a=500nm。
所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其工作波段为可见光波段。
空气孔的折射率为1，hBN柱和hBN基底层在可见光波段内x方向与y方向的折射率均为1.72，z方向的折射率为1.84。
所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其制备方法为：首先在二氧化硅基底上生长hBN基底层，然后使用光刻胶在hBN基底层上制作出结构图形，并采用离子束刻蚀法，在异质结界面两侧分别刻蚀形成hBN柱和空气孔，其中，异质结界面与光波入射方向的夹角为30°；最后去除光刻胶，从而制备出能实现光波单向传输的光子晶体异质结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种二维六方氮化硼光子晶体异质结构，可以实现可见光波段的光波单向传输，其基于全反射原理，抑制了TM偏振光的反向传输，拓宽了工作带宽，降低了结构设计对能带的要求，其在可见光波段内实现了正向透射率高于0.5，反向透射率接近于0的TM线偏振光单向传输。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种可实现光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构示意图；
图2是图1中沿最下方一排hBN柱的圆心方向的剖视图；
图3是TM偏振光在本发明的异质结构中传输的能带图；
图4是TM偏振光在本发明的异质结构中传输的透射率图；
图5是560 nm处的TM偏振光波在本发明的异质结构中传播的电场强度分布图。
图中：1为二氧化硅基底，2为异质结界面，3为hBN柱，4为空气孔，5为hBN基底层。
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。
本发明实施例提供了一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，选取折射率相差较大的空气与hBN材料作为衬底，呈现全反射界面，异质结界面倾斜角度为30°。
具体地，如图1~2所示，本发明实施例提供的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底1，所述二氧化硅基底1上方以异质结界面2为界，左侧设置有在空气中周期性排列的多个hBN柱3，形成第一光子晶体结构PhC1；右侧设置有hBN基底层5，所述hBN基底层上刻蚀有呈周期性排列的多个空气孔4，形成第二光子晶体结构PhC2；所述hBN柱3的高度和空气孔4的深度等于所述hBN基底层的厚度；所述异质结界面2与光波入射方向的夹角为30°。其中，hBN柱3和hBN基底层5均为二维六方氮化硼材料制成。
具体地，本实施例中，所述光子晶体异质结构中，第一光子晶体结构PhC1是在空气中排列h-BN柱，柱子半径为150nm。第二光子晶体结构PhC2是在h-BN材料上刻蚀空气孔，空气孔半径为60nm，第一光子晶体结构PhC1和第二光子晶体结构PhC2的晶格常数均为a=500nm。二维hBN，包括hBN柱3和hBN基底层5，在可见光波段内，x方向与y方向的折射率均为1.72，z方向的折射率为1.84，其中，xy平面为基底层所在平面，z为垂直于基底层的方向；空气的折射率为1。
具体地，本实施例中，hBN柱3和空气孔4沿光束入射方向分行排列，不同行之间的hBN柱3和空气孔4错位排列，形成等边三角形的三角晶格排列状，其中，晶格常数为等边三角形的边长。
具体地，本实施例中，所述光子晶体异质结构的工作波段为可见光波段。
本发明实施例提出的一种异质结构，其制备方法为：首先在二氧化硅基底上生长hBN基底层，然后使用光刻胶在hBN基底层上制作出结构图形，也就是说，在整片hBN基底层上涂上光刻胶，使用电子束光刻技术制作出整个器件结构的图形，包括器件轮廓，以及柱状和孔洞的图形，并以制作过图形的光刻胶为掩模，采用离子束刻蚀法进行刻蚀，进而分别刻蚀形成hBN柱和空气孔和整个器件结构的轮廓。其中，异质结界面与光波入射方向的夹角为30°；最后去除光刻胶，从而制备出能实现光波单向传输的光子晶体异质结构。
利用平面波展开法（R-Soft软件）计算能带图，如图3所示，从能带图中可以看出，入射光为560 nm（对应归一化频率0.893a/λ）从第一光子晶体PhC1侧入射，在第一光子晶体PhC1中为导带，可以沿着Γ-K方向（即水平方向）传播，由于第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2的折射率不同，光在异质结界面发生折射，在第二光子晶体PhC2中仍可以传播。在反向从第二光子晶体PhC2入射时，TM线偏振光沿Γ-K方向为导带，光到达界面发生全反射，无法在第二光子晶体PhC2中传输。
TM线偏振模式的正向透射光功率和反向透射光功率分别用T F 和T B 表示，透射对比度定义为C=（T F -T B ）/（T F +T B ），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T F ；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T B 。
如图4所示，本实施例提供的一种光子晶体异质结构在波长为530nm和560 nm时，达到透射峰值均>0.55。在波段515 nm~534 nm和556nm~577 nm内，TM线偏振光波的正向透射率>0.5，透射对比度>0.96，实现了可见光单向传输。
如图5所示，从TM偏振光波入射结构的电场强度分布图看到，波长560 nm的光在第一光子晶体PhC1中可以沿着水平方向传播，到达第二光子晶体PhC2中后继续传输，被异质结构接收波导收集。而反向入射光在异质结界面出发生全反射，无法达到第一光子晶体PhC1。
本发明中一种可实现光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构实现了TM线偏振光波单向传输。该研究所取得原理突破可广泛应用于基于hBN材料的其他光集成通信及信息处理器件。
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)

1.一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，包括二氧化硅基底（1），所述二氧化硅基底（1）上方以异质结界面（2）为界，左侧设置有在空气中周期性排列的多个hBN柱（3），形成第一光子晶体结构PhC1；右侧设置有hBN基底层（5），所述hBN基底层上刻蚀有呈周期性排列的多个空气孔（4），形成第二光子晶体结构PhC2；所述hBN柱（3）的高度和空气孔（4）的深度等于所述hBN基底层的厚度；所述异质结界面（2）与光波入射方向的夹角为30°。
2.根据权利要求1所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，所述hBN柱（3）沿光束入射方向分行排列，相邻行之间的hBN柱（3）错位设置形成三角晶格排列；所述空气孔（4）沿光束入射方向分行排列，相邻行之间的空气孔（4）错位设置形成三角晶格排列。
3.根据权利要求1所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，所述hBN柱（3）的半径为150nm，空气孔（4）的半径为60nm。
4.根据权利要求1所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，所述第一光子晶体结构PhC1和第二光子晶体结构PhC2的晶格常数均为a=500nm。
5.根据权利要求1所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，其工作波段为可见光波段。
6.根据权利要求1所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，空气孔（4）的折射率为1，hBN柱（3）和hBN基底层（5）在可见光波段内x方向与y方向的折射率均为1.72，z方向的折射率为1.84。
7.根据权利要求1所述的一种光波单向传输的二维六方氮化硼光子晶体异质结构，其特征在于，其制备方法为：首先在二氧化硅基底上生长hBN基底层，然后使用光刻胶在hBN基底层上制作出结构图形，并采用离子束刻蚀法，在异质结界面两侧分别刻蚀形成hBN柱和空气孔，其中，异质结界面与光波入射方向的夹角为30°；最后去除光刻胶，从而制备出能实现光波单向传输的光子晶体异质结构。
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