CN110471141A - 光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光量子通讯及量子计算领域,公开了一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,包括以异质结界面为界的第一光子晶体结构PC和第二光子晶体结构PC,第一光子晶体PC包括二氧化硅基底,二氧化硅基底上设置有多个第一硅柱,第一硅柱沿光束入射方向呈正方形晶格状周期性排列,第一硅柱外侧设置有刻蚀形成的第一环形孔;第二光子晶体PC包括硅基底,硅基底上设置有多个第二硅柱,第二硅柱沿光束入射方向呈正方形晶格状排列,第二硅柱外侧设置有刻蚀形成的第二环形孔,第一环形孔和第二环形孔内填充物质为空气,异质结界面与光束入射方向的夹角为45°。本发明可用于实现单向高透射率光波的传输。
Description
技术领域
本发明涉及光量子通讯及量子计算领域,具体是一种可以实现光波单向高透射传输的环形光子晶体异质结构,该结构的优势是能够实现超高正向透射率。
背景技术
单向光传输器件是允许正向传输光通过,截止反向传输光的实现非对称光传输的无源器件。光量子计算与通信的发展对单向光传输器件提出了更高的要求,高透射成为单向传输器件所需要具备的重要条件。
2013年Yucel (Yucel M B, Cicek A, Ulug B. Polarization-independentunidirectional light transmission by an annular photonic crystal prism[J].Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 2013, 11(3):270-278.)设计了一种硅衬底四方晶格阵列的环形空隙,在1550nm波段实现了光波的单向传输,正向透射率0.42。
2015 年费宏明等 (李琳, 费宏明, 刘欣, et al. 基于全反射的二维光子晶体异质结的光波单向传输研究[J]. 山西大学学报(自然科学版), 2015, 38(1).)构造了全反射异质界面的二维光子晶体,在1560nm处正向透射率可达0.5。
2018年刘丹小组 (Liu D, Hu S, Gao Y. Polarization-independent one-waytransmission by silicon annular photonic crystal antireflection structures[J]. Optics Communications, 2018, 420:127-132.) 构造了环形硅光子晶体异质结构,在频率为0.43 a/λ处达到0.45的正向透射率,实现了单向传输。
发明内容
本发明针对于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,提出了一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,可实现超高正向透射率,为设计高透射率光子晶体单向传输器件开拓了一条全新思路。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,包括以异质结界面为界的第一光子晶体结构PC1和第二光子晶体结构PC2,所述第一光子晶体PC1包括二氧化硅基底,所述二氧化硅基底上设置有多个第一硅柱,所述第一硅柱沿光束入射方向呈正方形晶格状周期性排列,所述第一硅柱外侧设置有刻蚀形成的第一环形孔,所述第一环形孔内填充物质为空气;所述第二光子晶体PC2包括硅基底,所述硅基底上设置有多个第二硅柱,所述第二硅柱沿光束入射方向呈正方形晶格状排列,所述第二硅柱外侧设置有刻蚀形成的第二环形孔,所述第二环形孔内填充物质为空气,所述异质结界面与光束入射方向的夹角为45°。
所述第一光子晶体的晶格常数与第二光子晶体的晶格常数均为660nm。
所述第一硅柱和第二硅柱与所述异质结界面沿光束入射方向的最小距离等于晶格常数。
所述第一环形孔的内径和外径的取值范围分别为56~76nm和181~201nm,所述第二环形孔的内径和外径的取值范围分别为102~122nm和254~274nm。
所述第一环形孔的内径和外径分别为66nm和191.4nm,所述第二环形孔的内径和外径分别为112.2nm和264nm。
所述第一环形孔和第二环形孔内的填充物质为折射率为1的空气,所述第一硅柱和第二硅柱的材料为折射率为3.45的硅。
所述二氧化硅基底和硅基底设置在二氧化硅晶片上。
所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其制备方法为:
S1、选取二氧化硅晶片作为衬底,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二氧化硅材料形成二氧化硅基底层;
S2、然后使用旋转涂胶的方法在材料表面涂上光刻胶,并使用光刻的方法在光刻胶上制作SiO2材料对应的图形,之后以光刻胶为掩模,使用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻出第一光子晶体PC1中硅材料的结构图形以及第二光子晶体PC2对应的位置;
S3、在其上使用CVD方法生长硅材料;
S4、洗去光刻胶,在二氧化硅材料顶端的硅材料被移除;
S5、使用电子束光刻技术制作空气环形结构图形,并使用ICP刻蚀技术制作出空气环形空洞结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:本发明提供了一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,该结构基于广义全反射原理,包括以异质结界面为界的两种光子晶体,两种光子晶体中均设置了环形格点的正方晶格,光子晶体PC1在TE模式下:0.53-0.6(a/λ)Γ-X方向是禁带,在Γ-M方向均为导带;PC2在TE模式下:0.17-0.21(a/λ)Γ-X方向是禁带,在Γ-M方向均为导带;0.37-0.39(a/λ)Γ-X方向是禁带,在Γ-M方向均为导带;(其中 a是晶格常数,λ是波长)因此1550nm(0.425(a/λ))的光通信波段处于导带区,正向能够实现传输;在中心工作波长1550nm处,本发明可以实现高正向透射率的光波单向传输;因此,本发明基于光子晶体的自准直原理设计,可实现超高正向透射率,可用于实现单向高透射率光波的传输,TE偏振模正向透射率76%以上,透射对比度接近于1。
附图说明
图1 为本发明可实现单向高透射率的复合格点光子晶体的结构示意图;
图2为图1沿虚线的剖视图;
图3 为本发明中光子晶体PC1在TE模式下的能带图;
图4为本发明中光子晶体PC2在TE模式下的能带图;
图5为本发明结构在TE模式下透射率与透射率对比图;
图6为本发明结构在TE模式下,1550 nm 处正入射场强分布图;
图7 为本发明结构在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和图2所示,本发明实施例提供了一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,包括以异质结界面7为界的第一光子晶体结构PC1和第二光子晶体结构PC2,所述第一光子晶体PC1包括二氧化硅基底1,所述二氧化硅基底1上设置有多个第一硅柱5,所述第一硅柱5沿光束入射方向呈正方形晶格状周期性排列,所述第一硅柱5外侧设置有刻蚀形成的第一环形孔3,所述第一环形孔3内填充物质为空气;所述第二光子晶体PC2包括硅基底2,所述硅基底2上设置有多个第二硅柱6,所述第二硅柱6沿光束入射方向呈正方形晶格状排列,所述第二硅柱6外侧设置有刻蚀形成的第二环形孔4,所述第二环形孔4内填充物质为空气,所述异质结界面与光束入射方向的夹角为45°。
进一步地,本实施例中,所述第一光子晶体的晶格常数与第二光子晶体的晶格常数a均为660nm。此外,如图1所示,与所述异质结界面7最近的第一硅柱5和第二硅柱6与异质结界面7沿光束入射方向的距离等于晶格常数。其中,晶格常数指的是相邻两个第一硅圆柱5或第二硅圆柱6的中心之间的距离。
进一步地,本实施例中,所述第一环形孔3的内径和外径分别为66nm和191.4nm,所述第二环形孔4的内径和外径分别为112.2nm和264nm。本发明中环形孔的半径在误差10nm以内对正向透射率影响很小,可以忽略不计。
此外,所述第一环形孔3和第二环形孔4内的填充物质为折射率为1的空气,所述第一硅柱5和第二硅柱6的材料为折射率为3.45的硅,二氧化硅折射率为1.495。
进一步地,本实施例中,所述二氧化硅基底1和硅基底2设置在二氧化硅晶片上。
本发明实施例提供的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构的制备方法为基于剥离技术的加工过程实现,其具体包括以下几个步骤:
S1、选取二氧化硅晶片作为衬底,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二氧化硅材料形成二氧化硅基底层;
S2、然后使用旋转涂胶的方法在材料表面涂上光刻胶,并使用光刻的方法在光刻胶上制作SiO2材料对应的图形,之后以光刻胶为掩模,使用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻出第一光子晶体PC1中硅材料的结构图形以及第二光子晶体PC2对应的位置,也就是说,异质结界面直接由图形控制;
S3、在其上使用CVD方法生长硅材料;
S4、洗去光刻胶,在二氧化硅材料顶端的硅材料被移除;
S5、使用电子束光刻技术制作空气环形结构图形,并使用ICP刻蚀技术制作出空气环形空洞结构,即环形空气孔3和4,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(即二氧化硅基底层1的厚度)决定,考虑到衍射极限的要求,SiO2基底层1的材料厚度必须大于1550 nm波长的衍射极限为。在刻蚀的过程中,要求将二氧化硅基底层1完全刻蚀穿透,沉积要求硅圆柱高度与二氧化硅基底层1厚度相同。
如图3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4所示,为本实施例中光子晶体PC2在TE模式下的能带图。本发明设计二维环形光子晶体异质结构,光子晶体PC1在TE模式下:0.53-0.6(a/λ)Γ-X方向是禁带,在Γ-M方向均为导带;PC2在TE模式下:0.17-0.21(a/λ)Γ-X方向是禁带,在Γ-M方向均为导带;0.37-0.39(a/λ)Γ-X方向是禁带,在Γ-M方向均为导带;其中 a 是晶格常数,λ是波长)因此1550 nm(0.425(a/λ))的光通信波段处于导带区,正向能够实现传输。
本发明利用平面波展开法(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:CT=(TF-TB)/(TF+TB)得到透射对比度。如图5所示,在TE模式下,实现了在通讯波段1550nm处正向透射率76%以上,透射对比度接近1。
从正方向入射高斯光束,利用监视器得到,在1550nm处得到在TE模式下的入射场场强分布图,如图6所示,本实施例中,由于环形孔的自准直效应,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1550nm处得到在TE模式下的反射场场强分布图,如图7所示,反向无法通过。因此,本发明提供的光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构可实现超高正向透射率。
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)
1.一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,包括以异质结界面(7)为界的第一光子晶体结构PC1和第二光子晶体结构PC2,所述第一光子晶体PC1包括二氧化硅基底(1),所述二氧化硅基底(1)上设置有多个第一硅柱(5),所述第一硅柱(5)沿光束入射方向呈正方形晶格状周期性排列,所述第一硅柱(5)外侧设置有刻蚀形成的第一环形孔(3),所述第一环形孔(3)内填充物质为空气;所述第二光子晶体PC2包括硅基底(2),所述硅基底(2)上设置有多个第二硅柱(6),所述第二硅柱(6)沿光束入射方向呈正方形晶格状排列,所述第二硅柱(6)外侧设置有刻蚀形成的第二环形孔(4),所述第二环形孔(4)内填充物质为空气,所述异质结界面与光束入射方向的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,所述第一光子晶体的晶格常数与第二光子晶体的晶格常数均为660nm。
3.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,所述第一硅柱(5)和第二硅柱(6)与所述异质结界面(7)沿光束入射方向的最小距离等于晶格常数。
4.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,所述第一环形孔(3)的内径和外径的取值范围分别为56~76nm和181~201nm,所述第二环形孔(4)的内径和外径的取值范围分别为102~122nm和254~274nm。
5.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,所述第一环形孔(3)的内径和外径分别为66nm和191.4nm,所述第二环形孔(4)的内径和外径分别为112.2nm和264nm。
6.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,所述第一环形孔和第二环形孔内的填充物质为折射率为1的空气,所述第一硅柱(5)和第二硅柱(6)的材料为折射率为3.45的硅。
7.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,所述二氧化硅基底(1)和硅基底(2)设置在二氧化硅晶片上。
8.根据权利要求1所述的一种光波单向高透射传输的复合格点光子晶体异质结构,其特征在于,其制备方法为:
S1、选取二氧化硅晶片作为衬底,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二氧化硅材料形成二氧化硅基底层;
S2、然后使用旋转涂胶的方法在材料表面涂上光刻胶,并使用光刻的方法在光刻胶上制作SiO2材料对应的图形,之后以光刻胶为掩模,使用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻出第一光子晶体PC1中硅材料的结构图形以及第二光子晶体PC2对应的位置;
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