CN113376738B - 一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光量子计算及光通信系统领域，公开了一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，包括硅基底，所述硅基底中心沿光入射方向设置有第一波导和第二波导，两侧分布有多个沿三角晶格排列的圆形的空气孔，所述空气孔贯穿硅基底的上下表面，所述第一波导靠近第二波导的一端设置有漏斗腔，漏斗腔出口位于硅基底中心线上，所述第二波导上中心线位置设置有点缺陷。本发明可以用于实现TM线偏振光的单向传输，在中心波长1550nm处正向透射率Tf为0.72，透射对比度C为0.9，工作带宽（C大于0.8）为111nm。本发明结构简单，满足工艺要求，可以应用于光量子芯片集成领域。
Description
技术领域
本发明涉及光量子计算及光通信技术领域，具体涉及一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构。
背景技术
光量子计算及光通信系统的发展趋势是光量子技术微型化和集成化，而光波单向传输器件是光量子计算芯片中的关键器件。目前，基于微纳尺度的光子晶体全光二极管存在正向透射率低、工作带宽窄、结构复杂等问题。基于光子晶体能带特性设计波导结构能大大提高正向透射率，而且结构设计简单，便于光子芯片集成。
2011年，李志远小组(On-chip optical diode based on siliconphotoniccrystal heterojunctions,2011,19,26948)基于光子晶体带隙失配原理提出了一种二维光子晶体异质结构，在1557 nm处正向透射率为21.3%，有待提高。
2015年，叶寒小组(Realizing mode conversion and optical diode effect bycoupling photonic crystal waveguides with cavity,2015,24(9):284-288)利用奇偶模式转换原理提出了一种光子晶体波导结构，工作带宽为2nm，仍需拓宽带宽。
2020年，费宏明小组(Asymmetric transmission of light waves in aphotonic crystal waveguide heterostructure with complete bandgaps，59(14):4416-4421)采用全反射原理提出了一种光子晶体波导异质结构，在光通讯波段内，波长为1582nm处正向透射率达58.1%。但是该结构由两块不同折射率材料组成，因此结构设计相对复杂。
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：提供一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，包括硅基底，所述硅基底中心沿光入射方向设置有第一波导和第二波导，两侧分布有多个沿三角晶格排列的圆形的空气孔，所述空气孔贯穿硅基底的上下表面，所述第一波导靠近第二波导的一端设置有漏斗腔，漏斗腔出口位于硅基底中心线上，所述第二波导上中心线位置设置有点缺陷。
所述第一波导为在均布三角晶格排列的圆形的空气孔的硅基底上移除五排空气孔形成，第二波导为在均布三角晶格排列的圆形的空气孔的硅基底上移除十一排空气孔形成；所述点缺陷为保留一个空气孔形成；漏斗腔为在均布三角晶格排列的圆形的空气孔的硅基底上移除四个空气孔形成。
所述点缺陷为保留第二波导上中心线第四个空气孔形成。
所述第二波导靠近第一波导的一侧为倒漏斗形。
所述第二波导靠近第一波导的一侧为夹角为120°的倒漏斗形。
所述光子晶体的晶格常数为a=470 nm，空气孔的半径为r=197.4 nm。
所述硅基底的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。
所述的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其制备方法为：首先在二氧化硅基底上生长硅基底层，然后使用光刻胶在硅基底层上制作出结构图形，并采用离子束刻蚀法刻蚀形成空气孔，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波导结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，可用于实现TM线偏振光的单向传输，在1501nm到1612nm波长范围内，正向透射率达到0.6以上，透射对比度0.8以上。在工作波长1550nm处，实现了0.72的正向透射率和0.9以上的透射对比度，且结构简单，单向传输效果好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一波导和第二波导的设计示意图；
图3为本发明实施例中光子晶体PhC的能带图；
图4为波长1550 nm的TM线偏振光入射时的电场强度图；
图5为TM线偏振光入射结构时的正反向透射率及透射对比度图。
图中：1为硅基底，2为空气孔，3为拟移除空气孔，4为第一波导，5为第二波导，6为漏斗腔，7为点缺陷。
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做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实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，包括硅基底1，所述硅基底1中心沿光入射方向设置有第一波导4和第二波导5，两侧分布有多个沿三角晶格排列的圆形的空气孔2，所述空气孔2贯穿硅基底1的上下表面，所述第一波导4靠近第二波导5的一端设置有漏斗腔6，漏斗腔6出口位于硅基底1中心线上，所述第二波导5上中心线位置设置有点缺陷7。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述第一波导4为在均布三角晶格排列的圆形的空气孔2的硅基底1上移除五排空气孔2形成，第二波导4为在均布三角晶格排列的圆形的空气孔2的硅基底1上移除十一排空气孔2形成；所述点缺陷7为保留一个空气孔形成；漏斗腔6为在均布三角晶格排列的圆形的空气孔2的硅基底1上移除四个空气孔2形成。本实施例中，所述的移除是指对光子晶体的结构进行设计时，先在硅基底1表面填满三角晶格排列的圆形的空气孔2，并且，硅基底1中心线上排列有一排空气孔2，然后，再依次将对应位置的空气孔去掉，以形成第一波导4，第二波导5，漏斗腔6和点缺陷7的结构。
本实施例中，在硅基底1的中心线上，除了点缺陷7，所有的空气孔2均不存在，则光从硅基底1的左侧入射时，光子通过第一波导4入射到漏斗腔6，然后光束经漏斗腔6汇聚后从漏斗口入射到第二波导5，从第二波导5输出，光从硅基底1的右侧入射时，入射至第二波导5，第二波导5中位于中心线上的点缺陷7使得光束向第二波导5的两侧发散，阻碍了光子通过漏斗腔6的漏斗口，因此，本实施例的光子晶体可以实现光波的单向传输。
具体地，本实施例中，所述点缺陷7为保留第二波导5上中心线第四个空气孔形成。
具体地，本实施例中，所述第二波导5靠近第一波导4的一侧为夹角为120°的倒漏斗形。第二波导5左侧的倒漏斗形可以使光子更容易向第二波导5的两侧发散，避免其入射到漏斗腔6的漏斗口，进一步增加了光子晶体的透射对比度。
所述光子晶体的晶格常数为a=470 nm，空气孔2的半径为r=197.4 nm。其中，晶格常数表示的是距离最近的两个空气孔2的圆心之间的距离。所述硅基底1的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。
具体地，本实施例提供的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，可以采用离子束刻蚀法在硅基底上刻蚀出圆形空气孔，空气孔深度与结构厚度相等。其制备方法为：首先在二氧化硅基底上生长硅基底层，然后使用光刻胶在硅基底层上制作出结构图形，并采用离子束刻蚀法刻蚀形成空气孔，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波导结构。
如图3所示，为本发明实施例中光子晶体PhC在TM模式下的能带图。从能带结构中可以看出，TM线偏振光归一化频率为0.26a/λ-0.44a/λ（对应波长为1068-1807nm）时处于完全禁带，光波被约束在波导中传输，为提高正向透射率提供了条件。
如图4所示，为本发明实施例中波导结构场强分布图，利用时域有限差分法（FDTD）计算所得。定义正方向为光波从第一波导4到第二波导5的耦合，反方向为光波从第二波导5到第一波导1的耦合。如图4中(a)所示，正向传输时，光波经过漏斗腔6后光波向第二波导5上下两侧发散后继续经第二波导传输。如图4中(b)所示，反向传输时，光波经过点缺陷时同样向第二波导5两侧散射，且反向光波被阻挡在漏斗腔6右侧。
如图5所示，为TM线偏振光入射结构时的正反向透射率及透射对比度图。其中Tf、Tb分别代表光波正向透射率和反向透射率，C代表透射对比度，计算公式为C=（Tf—Tb）/（Tf+Tb）。从图5中可以看出：TM线偏振光在1550 nm处正向透射率达到0.72，透射对比度为0.9，工作带宽（C大于0.8）为111nm(1501-1612nm)。
本发明提供了一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其结构简单，制备方便，仅需在光子晶体刻蚀制备时选择性刻蚀所需空气孔，具有一定的整体性。在1501nm到1612nm波长范围内，正向透射率达到0.6以上，透射对比度0.8以上。在工作波长1550nm处，实现了0.72的正向透射率和0.9以上的透射对比度。因此，本发明提供的波导结构可用于实现TM线偏振光的单向传输，透射率达到0.6以上，透射对比度0.8以上，工作带宽为111nm，且结构简单，单向传输效果好。
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 (6)
1.一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其特征在于，包括硅基底（1），所述硅基底（1）中心沿光入射方向设置有第一波导（4）和第二波导（5），两侧分布有多个沿三角晶格排列的圆形的空气孔（2），所述空气孔（2）贯穿硅基底（1）的上下表面，所述第一波导（4）靠近第二波导（5）的一端设置有漏斗腔（6），漏斗腔（6）出口位于硅基底（1）中心线上，所述第二波导（5）上中心线位置设置有点缺陷（7）；所述第一波导（4）为在均匀三角晶格排列的圆形的空气孔（2）的硅基底（1）上移除五排空气孔（2）形成，第二波导（5）为在均匀三角晶格排列的圆形的空气孔（2）的硅基底（1）上移除十一排空气孔（2）形成；所述点缺陷（7）为保留一个空气孔形成；漏斗腔（6）为在均匀三角晶格排列的圆形的空气孔（2）的硅基底（1）上移除四个空气孔（2）形成；所述第二波导（5）靠近第一波导（4）的一侧为倒漏斗形。
2.根据权利要求1所述的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其特征在于，所述点缺陷（7）为保留第二波导（5）上中心线第四个空气孔形成。
3.根据权利要求1所述的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其特征在于，所述第二波导（5）靠近第一波导（4）的一侧为夹角为120°的倒漏斗形。
4.根据权利要求1所述的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其特征在于，所述光子晶体的晶格常数为a=470 nm，空气孔（2）的半径为r=197.4 nm。
5.根据权利要求1所述的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其特征在于，所述硅基底（1）的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。
6.根据权利要求1所述的一种实现光波单向传输的漏斗形光子晶体波导结构，其特征在于，其制备方法为：首先在二氧化硅基底上生长硅基底层，然后使用光刻胶在硅基底层上制作出结构图形，并采用离子束刻蚀法刻蚀形成空气孔，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波导结构。
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