CN114879306A - 基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔 - Google Patents

基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，涉及光信息处理技术领域。此双色准周期势场光子晶体微腔由多个A型微腔单元、多个B型微腔单元及两个线缺陷密铺而成，微腔单元由铌酸锂薄膜刻蚀圆台空气孔构成。微腔的品质因子主要由空气孔圆锥的侧面倾角，工作物质厚度，与光子晶体的晶格常数等参数决定。本发明提供的光子晶体微腔可在通讯波段工作；体积小、具有高的品质因子且设计简单，可应用于高次谐波产生、电光调制及光力振荡等过程。

Description

基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔
技术领域
本发明涉及光信息处理技术领域，尤其涉及一种基于双色准周期势场的的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔。
背景技术
光子晶体微腔是在光子晶体中移除或增加特定散射子形成的缺陷区域，对比微环或微盘谐振腔，其能将光波局域在亚波长尺度上。提高光子晶体腔的品质因子一直以来是研究者们致力于实现的目标之一。高品质因子光子晶体谐振腔具有重要应用：增强非线性作用，提高传感器的灵敏度，提高陷波滤波器的分辨能力，为量子电动力学的研究提供良好平台。铌酸锂光子晶体腔因具备良好的波长调谐能力而引发了广泛关注。铌酸锂材料的干法刻蚀工艺会在刻蚀孔洞时引入70°的倾斜角，这为高品质因子光子晶体微腔的实现带来了困难。故提高该类型光子晶体微腔的品质因子显得尤为重要。在以往工作中，研究者提出了诸多方案以提高光子晶体腔的品质因子，但皆有各种不足。
经对现有技术的检索发现，研究人员采用了异质结光子晶体腔以提高其品质因子，结果表明品质因子理论上确实可获得极大提升。但这种结构横向或纵向上每个散射子的距离是非恒定量，设计上较为复杂，且往往需要对结构的色散关系进行详细的分析。
经对现有技术的检索发现，研究人员采用了机器学习算法优化的方法设计了光子晶体腔以提高其品质因子，但这种方法需要对结构进行大量的仿真测试，对设计的平台如服务器提出了较高要求，且设计出的结构往往需要对微腔附近每个散射子的位置进行移动，这大大增加了设计的复杂度。
经对现有技术的检索发现，研究人员利用了双色准周期势场，即两种周期不同的晶格组合至一起形成的势场来设计高品质因子光子晶体微腔。双色准周期光子晶体利用一种光子晶体中移除一排空气孔，再引入另一排不同周期的空气孔组合形成。该设计可通过自然形成高斯包络的场分布方式提高微腔的品质因子，这种方法设计简单，亦能获得极高的品质因子，但进一步增大品质因子往往需要增大整个结构的体积，这对元件的集成不利。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够在通讯波段工作、高品质因子且设计简单的光学器件，以克服现有技术的上述缺陷。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是发明一种设计简单并具有极高的品质因子的光子晶体微腔。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，包括微腔单元区域、波导通道区域，所述微腔单元区域包括A型微腔单元、B型微腔单元；所述A型微腔单元和所述B型微腔单元的数量均大于3；所述A型微腔单元和所述B型微腔单元密铺而成二维矩形阵列；
所述波导通道区域包括线缺陷、特定外加缺陷，所述线缺陷的数量为2；所述微腔区域分别位于第11、15、19行的第5～35列，所述波导通道区域位于第5、25行的整行区域，所述A型微腔单元包括一个a型圆台空气孔与一个a型铌酸锂薄膜片，所述B型微腔单元包括一个b型圆锥空气孔与一个b型铌酸锂薄膜片。
进一步地，所述二维矩形阵列有M行、N列，M≥30，N≥40。
进一步地，所述A型微腔单元为菱形，相邻所述A型微腔单元的中心距离等于所述菱形的边长；所述B型微腔单元为平行四边形，相邻所述B型微腔单元的中心距离等于所述平行四边形的底边长。
进一步地，所述菱形的边长为650nm，所述平行四边形的底边长等于650nm×[所述B型微腔单元的个数/(所述B型微腔单元的个数+1)]＝628nm，所述平行四边形的侧边长等于所述菱形边长，所述平行四边形的四个内角的角度分别等于所述菱形的四个内角的角度。
进一步地，所述a型圆台空气孔、所述b型圆锥空气孔的侧面倾角为70°-90°。
进一步地，所述A型微腔单元、所述B型微腔单元的厚度均为300nm，所述a型圆台空气孔的上底半径为260nm，下底半径为151nm，所述b型圆锥空气孔的上底半径为109nm，顶点位于光子晶体平板边界平面上。
进一步地，如权利要求1所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述a型铌酸锂薄膜片和所述b型铌酸锂薄膜片折射率为各向异性张量，具体参数为：nx＝2.2-2.3，ny＝2.1-2.2，nz＝2.2-2.3。
进一步地，所述a型铌酸锂薄膜片和所述b型铌酸锂薄膜片厚度均为300nm。
进一步地，所述二维矩形阵列的两个方向分别为沿x向，y向。
进一步地，在所述微腔单元区域的左下侧设置有一平面波源，向右激励波长为1500nm-1600nm、功率为1W的横电模偏振脉冲光，在所述微腔单元区域的右上侧设置有一监视器。
在本发明的较佳实施方式中，所述基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔由多个A型微腔单元、多个B型微腔单元沿x向，y向密铺外加两排线缺陷构成，所述二维矩形阵列约有40列、30行，多个所述B型微腔单元构成了缺陷区域，区域长度均为29个晶格常数(18850nm)，位于第11、15、19行的第5～35列，缺陷区域内密铺了30个B型微腔单元，其中第15和16个B型微腔单元中心连线的中垂线和缺陷区域上一行或下一行第19和20个A型微腔单元中心连线的中垂线共线。这种设置是为了确保微腔的能量最大值处位于整个结构在x方向的最中心位置，进而提高腔的品质因子。缺陷区域沿y方向的长度和A型微腔单元或B型微腔单元一致，均为562nm。所述微腔由铌酸锂薄膜刻蚀而成，所述铌酸锂薄膜的折射率设置为各向异性张量，具体参数为：nx＝2.21，ny＝2.13，nz＝2.21。在所述微腔的左下侧放置一平面波源，向右激励波长为1500nm-1600nm、功率为1W的横电模偏振脉冲光，在所述微腔的右上侧放置一监视器，可获得各个波长的透过率，并生成透射谱图、模场分布图，在透射谱图中，有一个明显的高品质因子谐振模，其谐振波长为1532nm，品质因子为142021。
本发明的原理是：为了实现高品质因子，本发明利用了两种半径不同，晶格常数不同的空气孔，两个晶格常数的比值是一个接近于1的数值，这种设计形成了双色准周期势场，可以让光场自然形成高斯包络分布，提供较大的品质因子，同时本发明令该缺陷沿竖直方向阵列化，形成了一种耦合谐振光波导腔，这种腔会让单一双色准周期势场结构的品质因子进一步提高。同时考虑在制备工艺上，在铌酸锂薄膜上刻蚀的圆柱空气孔会造成斜角，实际刻蚀的应是圆台空气孔。
与现有技术相比，通过本发明的实施，达到了以下明显的技术效果：
(1)本发明提出的微腔可在1550nm波长附近的通讯波段工作，产生的谐振模具有高达142021的品质因子。
(2)本发明提出的光子晶体微腔设计简单，仅需两种不同半径、不同晶格常数的空气孔密铺排列，每个空气孔的位置无需额外变动，不需要大量的仿真或者对结构色散关系的详细分析。
(3)本发明提出的光子晶体微腔可应用于高次谐波产生、电光调制及光力振荡等过程。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的二维平面示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的A型微腔单元的二视图；
图3是本发明的一个较佳实施例的B型微腔单元的二视图；
图4是本发明的一个较佳实施例实现的透射谱图；
图5是本发明的一个较佳实施例实现谐振模的模场分布图；
其中，1-A型微腔单元，11-a型圆台空气孔，12-a型铌酸锂薄膜片，2-B型微腔单元，21-b型圆锥空气孔，22-b型铌酸锂薄膜片，3-波导通道区域，301-主要谐振模。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，由多个A型微腔单元1、多个B型微腔单元2密铺外加两行线缺陷3构成，整体呈二维矩形阵列布置，所述二维矩形阵列有40列、30行。其中，多个B型微腔单元2构成缺陷区域，缺陷区域位于第11、15、19行的第5～35列，波导通道区域3位于第5、25行的整行区域。缺陷区域长度为29个晶格常数。相邻A型微腔单元1的中心距离为1个晶格常数。相邻B型微腔单元2的中心距离为0.966个晶格常数。如图2所示，A型微腔单元1由一个a型圆台空气孔11与a型铌酸锂薄膜片12构成；如图3所示，B型微腔单元2由一个b型圆锥空气孔21与b型铌酸锂薄膜片22构成；如图2、图3所示，a型铌酸锂薄膜片12、b型铌酸锂薄膜片22是由铌酸锂薄膜制成，所述铌酸锂薄膜厚度为300nm，所述铌酸锂薄膜的折射率设置为各向异性，具体参数为：nx＝2.21，ny＝2.13，nz＝2.21。
如图2、图3所示，a型铌酸锂薄膜片12的横截面外形为菱形，b型铌酸锂薄膜片22的横截面外形为平行四边形。所述菱形的边长为650nm，22所述的平行四边形底边长为628nm，侧边长为650nm。a型圆台空气孔11、b型圆锥空气孔21的侧面倾角为70°。a型圆台空气孔11、b型圆锥空气孔21是由所述铌酸锂薄膜刻蚀而成。
如图1所示，在所述微腔的左下侧箭头处放置一平面波源，向右激励波长为1500nm-1600nm、功率为1W的横电模偏振脉冲光，可在微腔的右上侧箭头处放置一监视器，可获得各个波长的透过率，并生成如图4所示的透射谱图、如图5所示的模场分布图。如图4所示的透射谱图中，有一个明显的主要谐振模301，具有较优良的品质因子，其谐振波长为1532nm，品质因子为142021。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，包括微腔单元区域、波导通道区域，所述微腔单元区域包括A型微腔单元、B型微腔单元；所述A型微腔单元和所述B型微腔单元的数量均大于3；所述A型微腔单元和所述B型微腔单元密铺而成二维矩形阵列；
所述波导通道区域包括线缺陷、特定外加缺陷，所述线缺陷的数量为2；所述微腔区域分别位于第11、15、19行的第5～35列，所述波导通道区域位于第5、25行的整行区域，所述A型微腔单元包括一个a型圆台空气孔与一个a型铌酸锂薄膜片，所述B型微腔单元包括一个b型圆锥空气孔与一个b型铌酸锂薄膜片。
2.如权利要求1所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述二维矩形阵列有M行、N列，M≥30，N≥40。
3.如权利要求2所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述A型微腔单元为菱形，相邻所述A型微腔单元的中心距离等于所述菱形的边长；所述B型微腔单元为平行四边形，相邻所述B型微腔单元的中心距离等于所述平行四边形的底边长。
4.如权利要求3所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述菱形的边长为650nm，所述平行四边形的底边长等于650nm×[所述B型微腔单元的个数/(所述B型微腔单元的个数+1)]＝628nm，所述平行四边形的侧边长等于所述菱形边长，所述平行四边形的四个内角的角度分别等于所述菱形的四个内角的角度。
5.如权利要求4所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述a型圆台空气孔、所述b型圆锥空气孔的侧面倾角为70°-90°。
6.如权利要求5所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述A型微腔单元、所述B型微腔单元的厚度均为300nm，所述a型圆台空气孔的上底半径为260nm，下底半径为151nm，所述b型圆锥空气孔的上底半径为109nm，顶点位于光子晶体平板边界平面上。
7.如权利要求6所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述a型铌酸锂薄膜片和所述b型铌酸锂薄膜片折射率为各向异性张量，具体参数为：nx＝2.2-2.3，ny＝2.1-2.2，nz＝2.2-2.3。
8.如权利要求7所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述a型铌酸锂薄膜片和所述b型铌酸锂薄膜片厚度均为300nm。
9.如权利要求8所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，所述二维矩形阵列的两个方向分别为沿x向，y向。
10.如权利要求9所述的基于双色准周期势场的高品质因子铌酸锂光子晶体微腔，其特征在于，在所述微腔单元区域的左下侧设置有一平面波源，向右激励波长为1500nm-1600nm、功率为1W的横电模偏振脉冲光，在所述微腔单元区域的右上侧设置有一监视器。
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