CN114725774A - 一种二维光子晶体微腔 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维光子晶体微腔，包括：第一介质层、第二介质层及设置在所述第一介质层与第二介质层之间的光子晶体层；所述光子晶体层设有周期性排列的圆柱通孔，所述圆柱通孔垂直于所述第一介质层及第二介质层；所述光子晶体层包括中心区域和外围区域；所述中心区域包括Na×Na个圆柱通孔，其中，Na为大于等于1的正整数；所述外围区域包裹所述中心区域，用于抑制二维光子晶体微腔中能量从外围区域泄漏或控制二维光子晶体微腔中能量向外围区域辐射。本发明的光子晶体微腔具有较高的品质因数和优异的光学性能，尺寸非常小便于光器件集成。同时，对于加工中的工艺误差具有良好的鲁棒性，便于规模化工业生产。

Description

一种二维光子晶体微腔
技术领域
本发明涉及微波和光波领域，特别是一种可应用于微腔激光器、微腔传感器、微腔滤波器、微腔探测器等器件的二维光子晶体微腔。
背景技术
光子晶体微腔是一种可以将光约束在有限空间中的光学器件。由于其体积小、品质因数较高、可实现大规模集成及适用于各种波长单模工作的特点，光子晶体微腔在物理学研究及工程领域中具有非常多的应用，包括微型滤波器、低阈值激光器、光子芯片、非线性光学及量子信息处理等方向。品质因数(Q)及其模式体积(V)是评价光子晶体微腔的两个重要指标，也是其在应用中性能表现的关键因素。因此提高光子晶体微腔的品质因数、缩小模式体积成为了人们的主要研究方向。
早期有研究者提出了一种基于缺陷模式的光子晶体微腔，提出了二维光子带隙缺陷模式激光器。其主要原理是去除光子晶体中一个或多个结构，在局部形成缺陷。然后通过精确地改变缺陷附近的光子晶体的几何结构匹配微腔的模式，实现能量泄漏的抑制。
然而，上述结构对于微腔制备的工艺精度具有极高的要求，才能使得微腔具有足够良好的品质因数，制约了其大规模应用。因此在提高微腔光学性能的同时，如何设计尽可能简单的微腔结构同时降低对工艺误差的要求成为了一个富有挑战性的问题。
发明内容
为了解决二维光子晶体微腔上下面辐射抑制及侧边能量泄漏的问题，本申请提供了一种二维光子晶体微腔，包括：
第一介质层、第二介质层及设置在所述第一介质层与第二介质层之间的光子晶体层；
所述光子晶体层设有周期性排列的圆柱通孔，所述圆柱通孔垂直于所述第一介质层及第二介质层；
所述光子晶体层包括中心区域和外围区域；所述中心区域包括Na×Na个圆柱通孔，其中，Na为大于等于1的正整数；所述外围区域包裹所述中心区域，用于抑制二维光子晶体微腔中能量从外围区域泄漏或控制二维光子晶体微腔中能量向外围区域辐射。
在一实施例中，所述圆柱通孔内可填充气体、固体或液体材料。
在一实施例中，所述圆柱通孔内填充材料的填充率和填充形状均可调节。
在一实施例中，所述外围区域中的圆柱通孔的半径、圆柱通孔的数量以及相邻圆柱通孔之间的距离均可调节。
在一实施例中，所述二维光子晶体微腔的尺寸及中心波长可通过改变所述Na的大小、所述中心区域中相邻圆柱通孔之间的距离、所述中心区域中圆柱通孔的半径、所述光子晶体层的厚度、所述中心区域中圆柱通孔内填充材料的折射率以及所述光子晶体的折射率中的至少一者来进行调整。
在一实施例中，所述光子晶体层与所述第一介质层及第二介质层的接触面的辐射能量可通过改变所述光子晶体层材料的厚度与所述中心区域中相邻圆柱通孔之间的距离的比例和/或所述圆柱通孔的半径来进行调节。
在一实施例中，所述二维光子晶体微腔中心波长的禁带可通过改变所述外围区域中相邻圆柱通孔的距离、所述外围区域中圆柱通孔的半径以及所述外围区域与所述中心区域之间的间隔中的至少一者而形成。
在一实施例中，所述二维光子晶体微腔的外围区域的侧边任意方向的辐射可通过单独改变该方向对应的外围区域内的圆柱通孔的半径和/或圆柱通孔之间的距离进行调节。
在一实施例中，所述二维光子晶体微腔任一侧边方向的辐射可通过单独去除或部分去除所述侧边方向对应的外围区域内的圆柱通孔进行调节。
在一实施例中，所述圆柱通孔形成的阵列为方形阵列，所述中心区域位于所述阵列的正中；
所述外围区域包括四个边区域和四个角区域，所述边区域与所述角区域均为矩形；
所述四个边区域其中一长边分别与所述中心区域的四个边长相等且对齐排列；
所述四个角区域分别位于所述方形阵列的四角，所述四个角区域的两个边分别与相邻的两个边区域一短边相等且对齐排列。
在一实施例中，所述四个边区域均为由Na×Nb个圆柱通孔排列成的矩形区域，其中，Nb为大于等于1的正整数。
在一实施例中，所述四个角区域均为由Nb×Nb个圆柱通孔排列成的方形区域，其中，Nb为大于等于1的正整数。
本申请还提供一种微腔激光器，包括以上任一项实施例中的二维光子晶体微腔，其中，所述二维光子晶体微腔中的第一介质层和/或第二介质层为在微腔中心波长处有光增益的介质。
本申请还提供一种微腔探测器，包括以上任一项实施例中的二维光子晶体微腔，其中，所述第一介质层为空气层，所述第二介质层与所述光子晶体层之间设置有感光区域。
本发明解决了二维光子晶体微腔上下面辐射抑制及侧边能量泄漏两个问题。其中上下面辐射通过垂直方向辐射波干涉相消抑制，在水平方向上通过设计异质结构边界抑制能量泄漏，从而使得能量被约束在光子晶体微腔结构的内部，提升光子晶体微腔的品质因数Q。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的二维光子晶体微腔侧面结构示意图；
图2A为本发明的光子晶体层圆柱通孔填充剖视图；
图2B为本发明的另一种光子晶体层圆柱通孔填充剖视图；
图2C为本发明的另一种光子晶体层圆柱通孔填充剖视图；
图3为本发明的光子晶体层的顶面示意图；
图4为本发明的光子晶体层的顶面示意图的局部放大图；
图5为通过偏振滤波法测得的光子晶体微腔能量辐射强度和波长关系图；
图6为本发明所展示的光子晶体微腔品质因数统计直方图；
图7为本发明所展示的一种光子晶体微腔激光器的三维示意图；
图8为本发明所展示的一种光子晶体微腔探测器的三维示意图。
附图标号：
1-第一介质层；2-光子晶体层；21-中心区域；22-外围区域；23-外围区域；3-圆柱通孔；4-第二介质层；5-第一接触面；6-第二接触面；7-填充介质；8-填充介质；9-填充介质；10-感光区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1至图3，本申请提供了一种二维光子晶体微腔，图1为二维光子晶体微腔的侧面结构示意图，如图1所示，该二维光子晶体微腔包括：
折射率为n1的第一介质层1、折射率为n2的光子晶体层(PhC层)2以及折射率为n3的第二介质层4；光子晶体层2设置在第一介质层1与第二介质层4之间，厚度为h。
在光子晶体层2中设有周期性排列的圆柱通孔3，圆柱通孔3垂直于所述第一介质层1及第二介质层4。
圆柱通孔3中填充有折射率为n0的介质，该介质可以是气体(如空气)、固体或液体材料。可以理解的是，圆柱通孔3中填充的介质也可以是与光子晶体层2的材料相同的介质。
此处不对折射率n0、折射率n1、折射率n3的大小关系作限定，实际应用中，可根据需要设置成相同折射率或不同折射率。
同时，圆柱通孔3中的介质填充率和填充形状也可按需调整，如图2A至图2C所示，可选择填充圆柱通孔3的下半部分或填充圆柱通孔3的一侧，或按照其他任意填充方式进行填充。
第一介质层1、光子晶体层2、第二介质层4的材料以及圆柱通孔3中填充的材料可以是对二维光子晶体微腔中心波长有增益或无增益的材料。
图3为二维光子晶体微腔的光子晶体层2的顶面图。如图3所示，所述光子晶体层分为中心区域21以及包裹所述中心区域21的外围区域，该外围区域包括四个边区域22和四个角区域23。其中，中心区域21包括Na×Na个圆柱通孔，Na为大于等于1的正整数；中心区域21中的圆柱通孔3的半径、相邻两个圆柱通孔之间的距离以及Na的值均可改变。
边区域22和角区域23中也设有圆柱通孔3，且边区域22和角区域23中的圆柱通孔3的半径、数量以及相邻圆柱通孔之间的距离均可调节，通过调节边区域22和角区域23内的上述特征即可实现抑制二维光子晶体微腔中的能量从边区域22和角区域23泄漏或控制二维光子晶体微腔中能量向边区域22和角区域23辐射等功能。
以下再通过实施例进一步说明如何调整二维光子晶体微腔的参数来控制二维光子晶体微腔的能量辐射。
在一实施例中，通过调整Na的大小、中心区域21中相邻圆柱通孔之间的距离、中心区域21中圆柱通孔3的半径、光子晶体层2的厚度h、中心区域21中的圆柱通孔内填充的材料的折射率n0以及光子晶体层2的折射率n2中的至少一者可以改变二维光子晶体微腔的尺寸及中心波长。
光子晶体层2与第一介质层1的接触面为5，光子晶体层2与第二介质层4的接触面为6。在一实施例中，通过调整光子晶体层2的厚度h与中心区域21中相邻圆柱通孔之间距离的比例和/或所述圆柱通孔的半径，可以调节光子晶体层2与第一介质层1的接触面5及光子晶体层2与第二介质层4的接触面6之间的能量辐射强度，从而实现对光子晶体层上下面辐射能量的调节。
在一实施例中，通过调整边区域22和角区域23中相邻圆柱通孔的距离、外围区域22中圆柱通孔的半径、边区域22和角区域23及中心区域21之间的间隔中的至少一者，可形成二维光子晶体微腔中心波长的禁带，从而实现将能量约束在中心区域21中，抑制微腔的侧边能量泄漏。
在一实施例中，通过单独调整侧边任意方向对应的边区域22和角区域23内圆柱通孔3的半径和/或相邻圆柱通孔之间的距离，可控制二维光子晶体微腔在该方向上的能量泄漏，从而实现将二维光子晶体微腔中的能量向侧边任意方向辐射。
在一实施例中，通过单独调整侧边任意方向对应的边区域22和角区域23内的圆柱通孔的数量，如去除部分或全部圆柱通孔，可控制二维光子晶体微腔在该方向上的能量泄漏，从而实现将二维光子晶体微腔中的能量向侧边任意方向辐射。
可以理解的是，上述实施例可单独实施，也可两个或多个同时实施。
通过上述实施例可知，本申请可抑制光子晶体层上下面的能量辐射以及侧边能量的泄漏，将能量约束在二维光子晶体微腔中，提高微腔的品质因数Q。同时，通过破坏二维光子晶体微腔的部分能量抑制条件可控制能量向任意方向辐射，实现微腔中能量与微腔外光学结构的能量耦合。
在一实施例中，如图3和图4所示，所述圆柱通孔形成的阵列为一方形阵列，其中中心区域21位于方形阵列的正中；每个边区域22的一长边与中心区域21的一个边长相等且对其排列；四个角区域分别位于方形阵列的四角处，每一角区域23的相邻两边分别与相邻的两个边区域的一短边相等且对其排列。
其中，中心区域21中的圆柱通孔半径为ra，相邻圆柱通孔之间的距离为a。
四个边区域22各包括Na×Nb个半径为rb的圆柱通孔，Nb为大于等于1的正整数；在Na方向上，即在所述四个边区域22中设置有Na个圆柱通孔的方向上，相邻圆柱通孔之间的距离为a；在Nb方向上，即在所述四个边区域22中设置有Nb个圆柱通孔的方向上，相邻圆柱通孔之间的距离为b。
四个角区域23各包括Nb×Nb个圆柱通孔，圆柱通孔半径为rb，相邻圆柱通孔之间的距离为b。
中心区域21、边区域22及角区域23之间的间隔均为g。
以下基于600nmSOI工艺平台，给出一个具体的例子对以上实施例作进一步说明。
结合图1所示，本例中，第一介质层1、第二介质层4以及圆柱通孔内填充的材料均为折射率为1的空气介质，即n0＝n1＝n3＝1；光子晶体层2为厚度h＝600nm、折射率n2＝3.48的硅介质。其中，光子晶体层2下方的第二介质层4，即空气层，通过腐蚀二氧化硅层实现。
参见图3至图4的光子晶体层结构示意图，中心区域21中的圆柱通孔半径ra＝175nm，相邻圆柱通孔之间的距离a＝529nm，Na＝17。边区域23中圆柱通孔半径rb＝175nm，Nb＝10，在Nb方向上，相邻圆柱通孔之间的距离b＝552nm。相应的，角区域24中的参数设置为Nb＝10，圆柱通孔半径rb＝175nm，相邻圆柱通孔之间的距离b＝552nm。中心区域21、边区域23及角区域24之间的间隔g＝541nm。
SOI的图案加工通过电子束曝光(EBL)及感应耦合等离子体刻蚀(ICP)实现，二维光子晶体微腔图案尺寸约为19.8um×19.8um。
图5为实验中所测得的本例二维光子晶体微腔能量辐射强度与波长的关系图，其中品质因数Q为1.09×106，通过有限元仿真软件COMSOL计算本例的二维光子晶体微腔结构的品质因数为8.19×106。实际测试结果和仿真结果的差异来自于工艺误差导致的非理想性。
图6为按照本例参数设计的二维光子晶体微腔结构的87个样品的品质因数统计直方图。这87个样品的均值为6.65×105，标准差为1.22×105。
当a调整为518nm时，光子晶体层上下面的能量辐射增大，微腔的品质因数Q降为1.24×105。根据该实验数据可知，通过改变中心区域21中相邻圆柱之间的距离a可以调节光子晶体层上下面的能量辐射强度，从而改变微腔的品质因数。
本发明提供的二维光子晶体微腔还可应用于微腔激光器、微腔传感器、微腔滤波器、微腔探测器等领域，以下提供几个实施例加以说明。
在一实施例中，本申请提供的二维光子晶体微腔可应用于微腔激光器。如图7所示，光子晶体层2上方的第一介质层1采用在二维光子晶体微腔的中心波长处有增益的介质，从而实现光增益，同时为光子晶体层2配置合适的参数，即可实现光的激射。在另一种方案中，光子晶体层2的材料也可采用光增益介质，此时，第一介质层1和光子晶体层2采用同一种介质。
在一实施例中，本申请提供的二维光子晶体微腔可应用于微腔探测器。如图8所示，第一介质层(图中未示出)为光子晶体层2上方的空气介质层，光子晶体层2与第二介质层4的接触面上设置有光探测器的感光区域10。由于所述二维光子晶体微腔具有较高的品质因数，光经过空气介质层进入光子晶体层2后，光子能量被约束在微腔探测器中，由此提高探测器感光区域10与接收到的光子发生相互作用的几率，从而提高探测器的探测效率。
需要说明的是，本方案中光子晶体层2与第二介质层4是直接接触放置的，图8中将光子晶体层2与第二介质层4分开仅为便于体现感光区域10的结构设置。
在一实施例中，本申请提供的二维光子晶体微腔还可作为微腔传感器。本发明的二维光子晶体微腔具有高品质因数Q的特点，即作为微腔传感器具有高波长分辨率的特性。因此可通过测量二维光子晶体微腔中心波长的变化来确定温度、湿度等环境因素对微腔产生的影响，进而实现高灵敏度的传感器的应用。
综上所述，本发明的二维光子晶体微腔具有极高的品质因数和优异的光学性能，且尺寸非常小便于光器件集成，同时，对于加工中的工艺误差具有良好的鲁棒性，便于规模化工业生产。因此本发明的二维光子晶体微腔应用于半导体激光器、微腔传感器、微腔滤波器、微腔探测器等领域时，具有优异的性能。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书的实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请权利要求所限定的范围之内。

Claims (15)

1.一种二维光子晶体微腔，其特征在于，包括：第一介质层、第二介质层及设置在所述第一介质层与第二介质层之间的光子晶体层；
所述光子晶体层设有周期性排列的圆柱通孔，所述圆柱通孔垂直于所述第一介质层及第二介质层；
所述光子晶体层包括中心区域和外围区域；所述中心区域包括Na×Na个圆柱通孔，其中，Na为大于等于1的正整数；所述外围区域包裹所述中心区域，用于抑制二维光子晶体微腔中能量从外围区域泄漏或控制二维光子晶体微腔中能量向外围区域辐射。
2.根据权利要求1所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述圆柱通孔内可填充气体、固体或液体材料。
3.根据权利要求1所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述圆柱通孔内填充材料的填充率和填充形状均可调节。
4.根据权利要求1所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述外围区域中的圆柱通孔的半径、圆柱通孔的数量以及相邻圆柱通孔之间的距离均可调节。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述二维光子晶体微腔的尺寸及中心波长可通过改变所述Na的大小、所述中心区域中相邻圆柱通孔之间的距离、所述中心区域中圆柱通孔的半径、所述光子晶体层的厚度、所述中心区域中圆柱通孔内填充材料的折射率以及所述光子晶体的折射率中的至少一者来进行调整。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述光子晶体层与所述第一介质层及第二介质层的接触面的辐射能量可通过改变所述光子晶体层材料的厚度与所述中心区域中相邻圆柱通孔之间的距离的比例和/或所述圆柱通孔的半径来进行调节。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述二维光子晶体微腔中心波长的禁带可通过改变所述外围区域中相邻圆柱通孔的距离、所述外围区域中圆柱通孔的半径以及所述外围区域与所述中心区域之间的间隔中的至少一者而形成。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述二维光子晶体微腔的外围区域的侧边任意方向的辐射可通过单独改变该方向对应的外围区域内的圆柱通孔的半径和/或圆柱通孔之间的距离进行调节。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述二维光子晶体微腔任一侧边方向的辐射可通过单独去除或部分去除所述侧边方向对应的外围区域内的圆柱通孔进行调节。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述圆柱通孔形成的阵列为方形阵列，所述中心区域位于所述阵列的正中；
所述外围区域包括四个边区域和四个角区域，所述边区域与所述角区域均为矩形；
所述四个边区域其中一长边分别与所述中心区域的四个边长相等且对齐排列；
所述四个角区域分别位于所述方形阵列的四角，所述四个角区域的两个边分别与相邻的两个边区域一短边相等且对齐排列。
11.根据权利要求10所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述四个边区域均为由Na×Nb个圆柱通孔排列成的矩形区域，其中，Nb为大于等于1的正整数。
12.根据权利要求11所述的二维光子晶体微腔，其特征在于，所述四个角区域均为由Nb×Nb个圆柱通孔排列成的方形区域，其中，Nb为大于等于1的正整数。
13.一种微腔激光器，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的二维光子晶体微腔，其中，所述二维光子晶体微腔中的第一介质层和/或第二介质层为在微腔中心波长处有光增益的介质。
14.根据权利要求13所述的微腔激光器，其特征在于，所述二维光子晶体微腔的光子晶体层采用与第一介质层或第二介质层相同的光增益介质。
15.一种微腔探测器，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的二维光子晶体微腔，其中，所述第一介质层为空气层，所述第二介质层与所述光子晶体层之间设置有感光区域。
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