CN113419304A

CN113419304A - 一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构

Info

Publication number: CN113419304A
Application number: CN202110651161.7A
Authority: CN
Inventors: 韩雨辉; 费宏明; 武敏; 林瀚; 张明达; 刘欣; 刘一超; 陈智辉; 陈靖
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2041-06-11
Also published as: CN113419304B

Abstract

本发明涉及拓扑光子晶体及集成光子芯片领域，公开了一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，包括硅基底，所述硅基底通过三个分界线分割成四个区域，四个区域内第一圆形空气孔和第二圆形空气孔分别呈三角晶格交错设置并在分界线处形成四个拓扑波导结构，其中位于两侧的第二拓扑波导和第四拓扑波导分别采用半径不同的空气孔。两个波段的光波由第一拓扑波导进入，其中一个波段从第二拓扑波导出射，另一波段从第四拓扑波导出射，本发明可以用于实现微纳结构上的通讯光波段波分复用。

Description

一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构

技术领域

本发明涉及拓扑光子学及集成光子学领域，具体是一种基于拓扑边缘态调控的光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构。

背景技术

基于全电介质材料微纳尺度的能谷光子晶体波分复用器件，在拓扑光子学和集成光子学领域潜在应用。目前，基于拓扑光子晶体的波分复用器件，仍存在结构设计复杂，无法在微纳结构中实现的问题，不能满足集成光子芯片中高集成度等实际应用要求。

2006年，Tapio Niemi小组（Wavelength-division demultiplexing usingphotonic crystal waveguides, 2006, IEEE Photonics Technology Letters,18, 226-228）设计了一种基于平庸光子晶体线缺陷波导的波分解复用器件，通过改变缺陷两侧的光子晶体气孔尺寸实现了通讯光波段的波分复用。

2020年，董建文小组（Frequency range dependent topological phases andphotonic detouring in valley photonic crystals, 2020, Physical Review B,102,174202）设计了一种金属能谷光子晶体结构，由金属棒阵列的三角晶格构成，利用在双带隙能谷光子晶体中引入边缘态频率自由度实现了12 GHz – 22 GHz波段的波分复用功能。

但现有技术中，拓扑光子晶体实现的波分复用器件，存在无法在微纳结构中实现并用以光通讯波段的问题。

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：提供一种基于拓扑边缘态调控的光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种实现通讯光波段波分复用功能的硅基能谷光子晶体结构，包括：所述硅基底，所述硅基底上设置有第一分界线、第二分界线和第三分界线，第一分界线位于光入射方向所在的直线上，第二分界线和第三分界线对称设置在其两侧，且其一端连接第一分界线中部，另一端向靠近光入射一侧倾斜后，又向平行于第一分界线并远离光入射一侧的方向延伸至光子晶体结构边缘；第一分界线、第二分界线和第三分界线将硅基底分割成第一区域，第二区域、第三区域和第四区域；

所述硅基底上分布有多个圆形的空气孔，所述空气孔包括第一圆形空气孔、第二圆形空气孔和第三圆形空气孔；第一圆形空气孔的半径大于第三圆形空气孔，第三圆形空气孔的半径大于第二圆形空气孔；

所述第一区域、第二区域、第三区域和第四区域内，第一圆形空气孔和第二圆形空气孔分别呈三角晶格交错设置，且第一区域和第四区域其靠近第一分界线处分别设置有一排第一圆形空气孔形成第一拓扑波导；第二区域和第三区域靠近第一分界线处分别设置有一排第二圆形空气孔形成第三拓扑波导；所述第一区域和第二区域在第二分界线处分别设置有一排第一圆形空气孔形成第二拓扑波导；所述第三区域和第四区域在第三分界线两侧分别设置有一排第三圆形空气孔形成第四拓扑波导。

所述硅基底的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。

所述三角晶格的晶格常数为a=450 nm，第一圆形空气孔的半径为r_a=120 nm，第二圆形空气孔的半径为r_b=40 nm。

所述第三圆形空气孔的半径为r_c=100 nm。

所述空气孔以六角蜂窝点状均匀分布在硅基底上。

所述硅基底的厚度为220 nm。

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通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，与现有基于拓扑光子晶体实现的波分复用器件相比，可借助现有CMOS技术制作，可在微纳尺度实现通讯光波段的波分复用功能；与基于平庸光子晶体实现的波分复用器件相比，有更好的抗散射光传输性能，并可实现光路调控，可集成于光子芯片中的实现高集成度的要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构的结构示意图。

图2为本发明实施例中能谷光子晶体拓扑结构VPC1能带图。

图3为本发明实施例中波导1至波导4的边缘态能带结构图。

图4为波长分别为1478 nm和1558 nm的TE模式光波传输电场分布图。

图5为波导2至波导4出口处的透射率曲线图。

图中：1为硅基底，2为第一分界线，。

图中：1为，2为，3为第二分界线，4为第三分界线，5为第一区域，6为第二区域，7为第三区域，8为第四区域，9为第一圆形空气孔，10为第二圆形空气孔，11为第三圆形空气孔，12为第一拓扑波导，13为第二拓扑波导，14为第三拓扑波导，15为第四拓扑波导。

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光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，包括：所述硅基底1，所述硅基底1上设置有第一分界线2、第二分界线3和第三分界线4，第一分界线2位于光入射方向所在的直线上，第二分界线2和第三分界线3对称设置在其两侧，且其一端连接第一分界线2中部，另一端向靠近光入射一侧倾斜后，又向平行于第一分界线2并远离光入射一侧的方向延伸至光子晶体结构边缘；第一分界线2、第二分界线3和第三分界线4将硅基底1分割成第一区域5，第二区域6、第三区域7和第四区域8；所述硅基底1上分布有多个圆形的空气孔，空气孔的轴向与硅基底1平面垂直，并且贯穿硅基底1。所述空气孔包括第一圆形空气孔9、第二圆形空气孔10和第三圆形空气孔11；第一圆形空气孔9的半径大于第三圆形空气孔11，第三圆形空气孔11的半径大于第二圆形空气孔10。

如图1所示，本实施例中，所述第一区域5、第二区域6、第三区域7和第四区域8内，第一圆形空气孔9和第二圆形空气孔10分别呈三角晶格交错设置，且第一区域5和第四区域8其靠近第一分界线2处分别设置有一排第一圆形空气孔9形成第一拓扑波导12；第二区域6和第三区域7靠近第一分界线2处分别设置有一排第二圆形空气孔10形成第三拓扑波导14；所述第一区域5和第二区域6在第二分界线3处分别设置有一排第一圆形空气孔9形成第二拓扑波导13；所述第三区域7和第四区域8在第三分界线4两侧分别设置有一排第三圆形空气孔11形成第四拓扑波导15。

具体地，本实施例中，所述硅基底1的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。所述三角晶格的晶格常数为a=450 nm，第一圆形空气孔9的半径为r_a=120 nm，第二圆形空气孔10的半径为r_b=40 nm，所述第三圆形空气孔11的半径为r_c=100 nm。

具体地，本实施例中，所述空气孔以六角蜂窝点状均匀分布在硅基底1上。也就是说，整个硅基底1上，所有空气孔的圆心是均匀的六角蜂窝点状分布的。

具体地，本实施例中，所述硅基底1的厚度为220 nm。

本实施例中，两个波段（1474 nm – 1528 nm；1558 nm - 1620 nm）的光波由第一拓扑波导12一侧进入，1474 nm – 1528 nm波段的光波从第二拓扑波导13出射，1558 nm -1620 nm波段从第四拓扑波导15出射，两波段光波均无法由第三拓扑波导14出射。

本实施例的光子晶体结构基于CMOS技术的加工过程，分为以下几个步骤。首先选取一个标准的具有220 nm厚的顶层硅和3 μm厚二氧化硅层的SOI晶片，第一步在硅表面涂覆光刻胶（ZEP520A），然后使用电子束光刻对于光刻胶进行曝光，随后使用光刻胶作为掩模层进行反应离子刻蚀，在此步骤中，重要的是要获得垂直蚀刻侧壁，以保持光子晶体结构相对于位于光子晶体平板中间的x -y平面的镜面对称性。然后在此基础上，在制作好的结构上涂覆光刻胶，同时在光刻胶上做出需要刻蚀的图形，之后以光刻胶作为掩模，使用稀释的氢氟酸刻蚀15分钟，移除二氧化硅衬底。这就可以得到一个悬挂式谷光子晶体波分复用结构。

本实施例中，位于第一波导和第三波导一侧的光子晶体形成第一能谷光子晶体，位于第一波导和第三波导另一侧的光子晶体形成第二能谷光子晶体。如图2所示，为本发明实施例中第一能谷光子晶体的能带图。图中，粗线阴影区域为空气光锥，在1434 nm - 1687nm范围内可以看出存在一个TE模式带隙，由细线阴影区域标记。所述第二能谷光子晶体与第一能谷光子晶体有着相同的能带结构。

如图3所示，为本发明实施例中第一拓扑波导至第四拓扑波导（WG1-WG4）的边缘态能带图，图中细线阴影区域为体态，粗线阴影区域为空气光锥。从图中可以看出，第二拓扑波导和第四拓扑波导处于不同的两个波段，而第三拓扑波导与第一拓扑波导边缘态群速度矢量方向相反。

如图4所示，为波长分别为1478 nm和1558 nm的TE模式光波传输电场分布图，由于1478 nm和1558 nm分别处于第二拓扑波导和第四拓扑波导的工作波段，所以1478 nm光波由第二波导传输并输出，而1558 nm光波由第四拓扑波导传播并输出。

如图5所示，为波导2至波导4出口处的透射率曲线图，图中可以看出，在1474 nm –1528 nm范围内处于第二拓扑波导的工作波段所以输出端第二拓扑波导占主导，而在1558nm - 1620 nm范围内处于第四拓扑波导的工作波段所以输出端第四拓扑波导占主导。第三拓扑波导输出端持续保持低透射率。因此可以说明本结构实现了波分复用的功能。

本发明设计的异质结构，在1550 nm附近波段内，实现了不同波段的不同路径选择性传输，可用于实现微纳结构中的波分复用功能。

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

1.一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，其特征在于，包括：所述硅基底（1），所述硅基底（1）上设置有第一分界线（2）、第二分界线（3）和第三分界线（4），第一分界线（2）位于光入射方向所在的直线上，第二分界线（2）和第三分界线（3）对称设置在其两侧，且其一端连接第一分界线（2）中部，另一端向靠近光入射一侧倾斜后，又向平行于第一分界线（2）并远离光入射一侧的方向延伸至光子晶体结构边缘；第一分界线（2）、第二分界线（3）和第三分界线（4）将硅基底（1）分割成第一区域（5），第二区域（6）、第三区域（7）和第四区域（8）；

所述硅基底（1）上分布有多个圆形的空气孔，所述空气孔包括第一圆形空气孔（9）、第二圆形空气孔（10）和第三圆形空气孔（11）；第一圆形空气孔（9）的半径大于第三圆形空气孔（11），第三圆形空气孔（11）的半径大于第二圆形空气孔（10）；

所述第一区域（5）、第二区域（6）、第三区域（7）和第四区域（8）内，第一圆形空气孔（9）和第二圆形空气孔（10）分别呈三角晶格交错设置，且第一区域（5）和第四区域（8）其靠近第一分界线（2）处分别设置有一排第一圆形空气孔（9）形成第一拓扑波导（12）；第二区域（6）和第三区域（7）靠近第一分界线（2）处分别设置有一排第二圆形空气孔（10）形成第三拓扑波导（14）；所述第一区域（5）和第二区域（6）在第二分界线（3）处分别设置有一排第一圆形空气孔（9）形成第二拓扑波导（13）；所述第三区域（7）和第四区域（8）在第三分界线（4）两侧分别设置有一排第三圆形空气孔（11）形成第四拓扑波导（15）。

2.根据权利要求1所述的一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，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。

3.根据权利要求1所述的一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，其特征在于，所述三角晶格的晶格常数为a=450 nm，第一圆形空气孔（9）的半径为r_a=120 nm，第二圆形空气孔（10）的半径为r_b=40 nm。

4.根据权利要求1所述的一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，其特征在于，所述第三圆形空气孔（11）的半径为r_c=100 nm。

5.根据权利要求1所述的一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，其特征在于，所述空气孔以六角蜂窝点状均匀分布在硅基底（1）上。

6.根据权利要求1所述的一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，其特征在于，所述硅基底（1）的厚度为220 nm。