CN111061008B - 一种结构缺陷为“d”形空气孔的平板光子晶体微腔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，其特征在于：包括光学电介质平板、圆形空气孔和两个“D”形空气孔；光学电介质平板上具有由多个圆形空气孔构成的三角晶格阵列；两个“D”形空气孔位于三角晶格阵列的中心，用于破坏平板光子晶体的周期性以形成结构缺陷，从而构成平板光子晶体微腔；两个“D”形空气孔是在圆形空气孔基础上将部分区域的空气孔填充为光学电介质平板形成的。本发明的有益效果有：仅需对平板光子晶体中心的两个圆形空气孔部分填充形成“D”形结构，进而构成平板光子晶体微腔，使得结构设计简单、结构紧凑、易于集成，且共振模式主要分布在两个“D”形空气孔之间，保证共振模式具有高品质因子和小模式体积。

Description

一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔
技术领域
本发明涉及一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，属于半导体光电子集成芯片领域。
背景技术
光子晶体是一种折射率在空间周期分布的光子结构，且周期在亚波长尺度，具有典型的光子带隙特征。利用光子晶体亚波长的周期性折射率调制，可以将光子的传输、光子与物质的相互作用控制在亚波长尺度，从而实现对光波的有效控制。
平板光子晶体是光子晶体的一种，具体指在厚度为亚波长尺度的光学电介质(如硅、氮化硅、III-V族半导体等)平板上制备出周期性空气孔，形成周期性折射率调制。从而使得当光波在平板的平面内传播时形成光子能带效应。同时，平板光子晶体的平板具有高折射率，从而在垂直平板的方向上，光波通过平板的全内反射被局域。因此，平板光子晶体可以在三个维度上对光波进行有效控制。如果在平板光子晶体上对周期性的空气孔进行破坏，构建合适的结构缺陷，可形成平板光子晶体微腔。平板光子晶体微腔中的光场在平板平面内被布拉格反射局域、在垂直平板方向被平板的全内反射局域，从而形成强烈局域的共振模式，实现在三个维度上对光波的有效控制。平板光子晶体微腔中的共振模式具有超高品质因子和极小模式体积，使得共振模式的光场具有长时间寿命和高空间密度，进而实现极强的光场强度。因此，平板光子晶体微腔被广泛用来实现强烈增强的光与物质相互作用。比如，利用平板光子晶体微腔可以实现极低阈值的微米激光器、超亮的单光子辐射源、单个光子与单个发光体之间的强烈耦合等。另外，由于平板光子晶体微腔的制备可以与半导体集成工艺相兼容，使得平板光子晶体微腔可以为光子集成芯片提供多种光子功能器件。平板光子晶体微腔借助共振模式的超窄线宽，可以被用于实现光子集成网络中的滤波器、波分复用器等，并且借助平板光子晶体微腔的小尺寸，有利于形成高密度的光子集成芯片。
目前，为实现平板光子晶体微腔，主要通过平移、增加或缺失空气孔等方式来破坏光子晶体的周期性，以形成结构缺陷。但是这些平板光子晶体微腔需要复杂的结构设计，且难以实现同时具有高品质因子和小模式体积的共振模式，限制了其在微纳集成光学器件中的实际应用。
发明内容
要解决的技术问题
为简化光子晶体微腔的结构设计，并实现光子晶体微腔的共振模式具有高品质因子和小模式体积，本发明提出一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，通过将平板光子晶体中心的两个圆形空气孔填充为“D”形结构，破坏平板光子晶体的周期性以形成结构缺陷。该设计方法相对简单，并且可以激发高品质因子和小模式体积的共振模式。
技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，其特征在于：包括光学电介质平板1、圆形空气孔2和“D”形空气孔3；所述光学电介质平板1上具有由多个所述圆形空气孔2构成的三角晶格阵列；两个所述“D”形空气孔3位于由多个所述圆形空气孔2构成的三角晶格阵列的中心，用于破坏平板光子晶体的周期性以形成结构缺陷，从而构成平板光子晶体微腔；两个所述“D”形空气孔3关于光子晶体中心呈镜像对称分布，且具有相同的大小和形状；两个所述“D”形空气孔3是在所述圆形空气孔2基础上将部分区域的空气孔填充为光学电介质平板形成的，使得空气孔呈现出“D”形；两个所述“D”形空气孔3的横向宽度可调。
所述光学电介质平板1的上方和下方均为空气。
所述光学电介质平板1的材料可以为高折射率的光学电介质，包括硅等Ⅳ族、磷化镓等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料、氮化硅等硅的氧化物、硫系玻璃、铌酸锂等。
所述光学电介质平板1上由多个所述圆形空气孔2构成的三角晶格阵列，沿着阵列左右和上下两个方向上的周期数都不小于10，以保证平板光子晶体微腔共振模式的有效局域。
所述光学电介质平板1上由多个所述圆形空气孔2构成的三角晶格阵列具有的晶格周期为a；a的取值由平板光子晶体微腔共振模式的共振波长λ0决定，且a/λ0在[0.2,0.4]范围内取值，更具体的取值还需考虑所述光学电介质平板1的光学折射率。
所述光学电介质平板1的厚度为d，且d/a可在[0.3,1]范围内取值。
所述圆形空气孔2的半径为r，且r/a可在[0.25,0.30]范围内取值。
所述“D”形空气孔3的宽度D'取值范围为[1.0r,1.7r]。
有益效果
本发明提出一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔。取得的有益效果如下：
1.仅需将平板光子晶体中心的两个圆形空气孔简单地形状切除，形成“D”形结构，便可实现平板光子晶体微腔。因此，所提出的平板光子晶体微腔具有结构设计方法简单，易于制备等优点。
2.所提出的平板光子晶体微腔，构成结构缺陷的区域为两个“D”形空气孔，且共振模式主要分布在两个“D”形空气孔之间，保证共振模式具有极小的模式体积，可以远小于共振波长的三次方量级，有利于将所提出的平板光子晶体微腔用于有效控制光与物质相互作用。
3.所提出的平板光子晶体微腔，构成结构缺陷的区域为两个“D”形空气孔，可保证所设计的光子晶体微腔具有非常小的物理空间尺寸，结构紧凑，易于集成在光子芯片上，实现滤波器、波分复用器、微米激光器等光子功能器件。
4.所提出的平板光子晶体微腔，构成结构缺陷的区域为两个“D”形空气孔，共振模式被两个“D”形空气孔的竖直边缘所反射并局域。已报道的平板光子晶体微腔的结构缺陷都是通过移动或缺失圆形空气孔形成的，使得共振模式在缺陷区域的局域是被圆形空气孔反射形成的。相比较，所提出的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔中“D”形空气孔的竖直边缘对共振模场的反射更加能够提供平滑的模场分布，有利于提高共振模式的品质因子。
附图说明
图1为结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔的二维截面示意图；
图2为实施例中D'＝0.8D时结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔共振模式的电场强度分布；
图3为实施例中结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔共振模式的品质因子和模式体积随“D”形空气孔宽度D'的变化情况。
图中：1-光学电介质平板；2-圆形空气孔；3-“D”形空气孔。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
参阅附图1，本发明实施例具体包括：光学电介质平板1、圆形空气孔2和“D”形空气孔3；光学电介质平板1上具有由多个圆形空气孔2构成的三角晶格阵列；两个“D”形空气孔3位于由多个圆形空气孔2构成的三角晶格阵列的中心，用于破坏平板光子晶体的周期性以形成结构缺陷，从而构成平板光子晶体微腔；所述两个“D”形空气孔3关于光子晶体中心呈镜像对称分布，且具有相同的大小和形状；所述两个“D”形空气孔3的“D”形是在所述圆形空气孔2的圆形基础上将部分区域的空气孔填充为光学电介质平板形成的；所述两个“D”形空气孔3的横向宽度可调，以优化平板光子晶体微腔的共振波长、品质因子和模式体积。
在附图1所示的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔结构中，选择硅作为实现平板光子晶体微腔的光学电介质。硅平板的厚度d＝220nm，且硅平板上方和下方均为空气层。硅平板中插入有周期性的圆形空气孔，且以三角晶格方式排列。圆形空气孔构成的三角晶格阵列沿着阵列的左右和上下两个方向上均具有20个周期。圆形空气孔构成的三角晶格阵列的晶格周期a＝454nm；圆形空气孔的半径r＝0.26*a＝118.04nm。在圆形空气孔构成的三角晶格阵列中心，具有两个“D”形空气孔构成平板光子晶体微腔的结构缺陷。两个“D”形空气孔关于光子晶体中心呈镜像对称分布，且具有相同的大小和形状。两个“D”形空气孔的横向宽度为D'可调，且通过调节D'可获得具有不同共振波长、品质因子、模式体积的共振模式。图1右边虚线框中为“D”形空气孔的放大示意图。
附图2为D'＝1.6*r＝188.864nm时，结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔的共振模式的电场强度分布。可见，共振模式被两个“D”形空气孔的竖直边有效局域，且模式主要分布于两个“D”形空气孔之间的高折射率介质区域。
图3为具有不同“D”形空气孔宽度D'的平板光子晶体微腔的共振模式的共振波长、品质因子和模式体积随“D”形空气孔宽度D'的变化情况。可见，在D'/D＝0.801时，共振模式的品质因子取得最大值，可以超过2×105；此时共振模式的模式体积为0.0078λ0 3，其中为λ0空气中共振模式的波长。

Claims (6)

1.一种结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，其特征在于：包括光学电介质平板(1)、圆形空气孔(2)和“D”形空气孔(3)；所述光学电介质平板(1)上具有由多个圆形空气孔(2)构成的三角晶格阵列，构成平板光子晶体(4)；两个所述“D”形空气孔(3)位于由多个圆形空气孔(2)构成的三角晶格阵列的中心，用于破坏平板光子晶体(4)的周期性以形成结构缺陷，从而构成平板光子晶体微腔；两个所述“D”形空气孔(3)关于平板光子晶体(4)中心呈镜像对称分布，且具有相同的大小和形状；两个所述“D”形空气孔(3)是在圆形空气孔(2)基础上将部分区域的空气孔填充为光学电介质平板形成的，使得空气孔呈现出“D”形；两个所述“D”形空气孔(3)的“D”为直边相对；两个所述“D”形空气孔(3)的横向宽度可调。
2.根据权利要求1中所述的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，所述光学电介质平板(1)的材料为选自硅、磷化镓、氮化硅、硫系玻璃、铌酸锂的高折射率光学电介质。
3.根据权利要求1或2中所述的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，所述光学电介质平板(1)上具有多个圆形空气孔(2)构成的三角晶格阵列，其特征在于：沿着阵列左右和上下两个方向上的周期数都不小于10，以保证平板光子晶体微腔共振模式的有效局域，三角晶格阵列的晶格周期为a，a的取值由平板光子晶体微腔共振模式的共振波长λ0决定，且a/λ0在[0.2,0.4]范围内取值。
4.根据权利要求1或2中所述的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，所述光学电介质平板(1)的厚度为d，且d/a在[0.3,1]范围内取值。
5.根据权利要求1中所述的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，所述圆形空气孔(2)的半径为r，且r/a在[0.25,0.30]范围内取值。
6.根据权利要求1中所述的结构缺陷为“D”形空气孔的平板光子晶体微腔，所述“D”形空气孔(3)的宽度D'取值范围为[0.9r,1.8r]。
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