CN115291324B - 一种硅基全光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅基全光二极管，涉及光二极管领域；硅基全光二极管包括依次连接设置的硅基波导、衍射层和方向选择器件；所述硅基波导的两端由内至外分别设置有多个半径依次增大的第一空气孔，用于将光波传输至所述衍射层；所述衍射层向所述方向选择器件一侧凸出并形成60～120°夹角，用于将所述光波的方向调整后传输至所述方向选择器件；所述方向选择器件用于将所述光波输出至外部；本发明通过向方向选择器件一侧凸出并呈60～120°夹角设置的衍射层与两端设置有半径由内至外逐渐增大的第一空气孔的硅基波导相结合，能够明显提高目标波长光波正向传输时衍射通过方向选择器件的正向透过率，而对反向传播的透射率影响很小，从而提高硅基全光二极管的传输对比度。

Description

一种硅基全光二极管
技术领域
本发明涉及光二极管领域，尤其涉及一种硅基全光二极管。
背景技术
随着信息时代的发展，为了更好地满足其“爆炸式增长”的信息传输需要，采用光信号承载信息在全网络中进行传输，在传统的电子信息科学中，信息是通过电子进行编码和传递的。相比于电子，光子可以用来编码的自由度更多，例如偏振、频率、模式等，因此可以实现超高密度的信息编码。与传统的集成电路系统相比，集成光学系统具有更高的集成度，更大的额带宽度，更低的损耗，极小的信号延迟。因此，集成光学系统越来越受到人们的关注。
随着现代信息科学向全光通信领域的不断发展，类似于电子信息科学中的二极管，可以使光子具有单向传输特性的光学元件，即光二极管在现代信息科学中同样有着不可或缺的作用。
现有全光二极管存在的一些问题：
1、传统的磁光器件结构复杂体型庞大，不能满足光通信器件小型化的需求；
2、现有非线性器件、时间调制器件等多处于实验阶段，制作工艺复杂、实现的设备昂贵、带宽小或需要较大的输入功率，实际应用受限。
发明内容
本发明旨在解决现有全光二极管传输对比度较小的技术问题。
本发明提供一种硅基全光二极管，包括依次连接设置的硅基波导、衍射层和方向选择器件；所述硅基波导的两端由内至外分别设置有多个半径依次增大的第一空气孔，用于将光波传输至所述衍射层；所述衍射层向所述方向选择器件一侧凸出并形成60～120°夹角，用于将所述光波的方向调整后传输至所述方向选择器件；所述方向选择器件用于将所述光波输出至外部。
进一步地，所述硅基波导的厚度为220～1500nm。
进一步地，相邻所述第一空气孔圆心之间的间距为400～460nm。
进一步地，位于所述硅基波导两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距为相邻所述第一空气孔圆心之间间距的2～4倍。
进一步地，所述方向选择器件为二维硅基光子晶体平板。
进一步地，所述二维硅基光子晶体平板的晶格常数与相邻所述第一空气孔圆心之间的间距相等。
进一步地，所述二维硅基光子晶体平板的厚度为220～1500nm。
进一步地，所述衍射层上设置有第二空气孔，所述第二空气孔的半径为160～200nm。
进一步地，所述衍射层的厚度为220～1500nm。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中的硅基全光二极管包括依次连接设置的硅基波导、衍射层和方向选择器件；其中，所述硅基波导的两端由内至外分别设置有多个半径依次增大的第一空气孔，用于将光波传输至所述衍射层，所述衍射层向所述方向选择器件一侧凸出并形成60～120°夹角，用于将所述光波的方向调整后传输至所述方向选择器件，所述方向选择器件用于将所述光波输出至外部；正向光水平通过所述硅基波导来到所述衍射层，通过衍射，光的传播方向发生改变，部分光可以沿特定方向透过所述方向选择器件而输出；反向输入水平光时，光进入所述方向选择器件被反射而无法进一步传输；通过向方向选择器件一侧凸出并呈60～120°夹角设置的衍射层与两端设置有半径由内至外逐渐增大的第一空气孔的硅基波导相结合，能够明显提高目标波长光波正向传输时衍射通过方向选择器件的正向透过率，而对反向传播的透射率影响很小，从而提高硅基全光二极管的传输对比度。
附图说明
图1为本发明某一实施例中硅基全光二极管的结构示意图；
图2为本发明实例中方向选择器件所用光子晶体的仿真能带图；
图3为本发明实例中硅基全光二极管在波长λ为1555nm处TE模式光正向传播的电磁场分布图；
图4为本发明实例中硅基全光二极管在波长λ为1555nm处TE模式光反向传播的电磁场分布图；
图5为本发明实例中硅基全光二极管在波长λ为1200～1800nm间TE模式光的正反向传输谱；
图6为本发明实例中硅基全光二极管在波长λ为1200～1800nm间TE模式光的正反向传输隔离度；
其中，1、硅基波导；2、衍射层；3、方向选择器件。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种硅基全光二极管，包括依次连接设置的硅基波导1、衍射层2和方向选择器件3；衍射层2位于硅基波导1与方向选择器件3的交界处；硅基波导1的两端由内至外分别设置有多个半径依次增大的第一空气孔，用于将光波传输至衍射层2；衍射层2向方向选择器件3一侧凸出并形成60～120°夹角，用于将所述光波的方向调整后传输至方向选择器件3；方向选择器件3用于将所述光波输出至外部。
示例性地，在本实施例中，衍射层2向方向选择器件3一侧凸出并形成直角α。
作为本实施例的变形，衍射层2向方向选择器件3一侧凸出并形成60°夹角α或者120°夹角α。
在本发明中，硅基波导1的厚度为220～1500nm；相邻所述第一空气孔圆心之间的间距为400～460nm；位于硅基波导1两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距为相邻所述第一空气孔圆心之间间距的2～4倍。
示例性地，在本实施例中，硅基波导1的厚度为220nm；相邻所述第一空气孔圆心之间的间距为430nm；位于硅基波导1两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距为相邻所述第一空气孔圆心之间间距的4倍；也就是说，在本实施例中，位于硅基波导1两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距为1720nm。
作为本实施例的变形，硅基波导1的厚度还可为1500nm；相邻所述第一空气孔圆心之间的间距还可以为400或者460nm；位于硅基波导1两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距为相邻所述第一空气孔圆心之间间距的2倍。
参考图1，可以理解的是，在本实施例中，所述第一空气孔分为两组，分别呈正方形周期性分布在硅基波导1的两端；各组中所述第一空气孔的半径由内至外依次增大；位于硅基波导1两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距，即一组中位于最内侧的所述第一空气孔的圆心与另一组中位于最内侧的对应的所述第一空气孔的圆心之间的间距L。
在本发明中，方向选择器件3为二维硅基光子晶体平板；所述二维硅基光子晶体平板的晶格常数与相邻所述第一空气孔圆心之间的间距相等；所述二维硅基光子晶体平板的厚度为220～1500nm。
示例性地，在本实施例中，所述二维硅基光子晶体平板的晶格常数为430nm，空气孔半径为172nm。
作为本实施例的变形，所述二维硅基光子晶体平板的晶格常数还可以为400～460nm。
在本发明中，衍射层2上设置有第二空气孔，所述第二空气孔的半径为160～200nm；衍射层2的厚度为220～1500nm。
示例性地，在本实施例中，所述第二空气孔的半径为185nm；相邻所述第二空气孔的圆心间距为1216nm。
作为本实施例的变形，所述第二空气孔的半径还可以为160nm或者200nm；衍射层2的厚度还可以为1500nm。
在本实施例中，方向选择器件3能够选择性透过沿Γ-Μ方向传播的光；工作时，正向光水平通过硅基波导1来到衍射层2，通过衍射，将光的传播方向调整为Γ-Μ方向，Γ-Μ方向的光可以透过方向选择器件3到达输出端口，而反向输入水平光时，光进入方向选择器件3被反射而无法进一步传输。
本发明基于硅基波导1、衍射层2和方向选择器件3设计了大带宽高对比度的全光二极管。
硅基波导1硅板上下两端刻蚀了半径渐变型第一空气孔，其目的是为了增强波导对光的限制能力，能提高光波的正向传输率。对光波导内电场分布图做傅里叶变换就可以得到其在动量空间内的k矢量分布图。如果光波的k矢量的切向分量k||在0到2∏/λ0之间(0～2∏/λ0该范围对应着光波的泄露区，λ0为光在空气中的波长)，该光波在微腔与空气包层界面处的广义斯涅尔定律能够满足，就会逃逸出微腔进入空气包层中。这就形成了垂直方向上的光场弱限制。如果光波k矢量的切向分量k||大于2∏/λ0，该光波在微腔与空气包层界面处的广义斯涅尔定律就不会被满足，光波不会耦合到包层中的辐射模，形成了垂直方向上的光场强限制。
光波导内的电场分布可以看作是光波在自由空间内的正弦函数波与微腔结构决定的包络函数的卷积结果，然而包络函数在波导与两侧空气孔届面处的突变造成了泄露区内较多的k||分量分布，从而导致了较大的辐射损耗。因此，如果将界面处的突变改为缓变，包络函数卷积结果的k||分量在泄露区内的分布就会减少，光在垂直方向上的辐射损耗减小，波导对光限制能力变强，能提高光波的正向传输率。
在本实施例中，衍射层2位于硅基波导1和方向选择器件3之间，且呈直角凹陷，衍射层2上的第二空气孔的半径较大为185nm，上下第二空气孔分别沿Γ-Μ方向排列，相邻圆心距为1216nm。当光前向输入沿Γ-X方向到达衍射层2发生衍射，沿Γ-Μ方向继续传输。
在本实施例中，方向选择器件3为晶格常数等于430nm、空气孔半径等于172nm的二维光子晶体平板，利用光子晶体中存在的方向禁带实现对特定传输方向的光的选择。光子晶体中光子会有相似于半导体晶体中电子的运动，因不同介电材料中原子会按照周期进行排布，导致周期势场作用于光子的运动从而形成光子能带结构。在合适的晶格常数和介电常数的条件下，像电子能带隙一样，在光子晶体的能带中出现了不存在任何态的能带空隙，即频率或波长落于该空隙的电磁波不能在其中传输，因此将该频率区间称为光子禁带。而光子禁带又分为完全与不完全禁带，而当频率落在完全光子禁带内部时光子的传播被全方位地阻隔，与入射光的偏振方向和入射方向无关；对于不完全光子禁带只是在某一方向上存在光子禁带，当该频率的光波改变其传播方向或传输模式发生变动时就可以从光子晶体中穿过。
图2为方向选择器件所用光子晶体的仿真能带图，具体为基于FDTD(时域有限差分法)计算得到空气孔半径/晶格常数＝0.4时TE模的能带图，横坐标表示Γ-X、X-Μ、Γ-Μ三个方向，纵坐标表示光的归一化频率。
从图2中可以看出该二维光子晶体平板在0～0.2054a/c处TE模沿Γ-X方向为通带，在0～0.2866a/c处TE模沿Γ-Μ为通带，即在0.2054a/c～0.2866a/c内存在方向带隙，即在该范围内TE模沿Γ-X方向为禁带沿Γ-Μ方向为通带。因为方向选择器件3为晶格常数等于430nm，故可实现在λ＝1500nm～2093nm波段内对TE模式光的传输方向进行选择。
本实施例中硅基全光二极管工作时，如图3所示，当光以水平方向穿过硅基波导1沿Γ-X方向到达衍射层2时，由于二维光子晶体平板存在Γ-X方向带隙不能进一步保持沿Γ-X方向传输。所以光通过衍射传播方向发生变化沿何Γ-Μ方向进入并通过方向选择器件3最终输出；如图4向后传输电磁场分布图所示，当入射光在方向选择器件3中沿着Γ-X方向入射，针对TE偏振光，二维光子晶体平板的色散特性使光波逐渐偏转到Μ-X方向即竖直向上传播，无法到达衍射层2。因此，在反向入射时实现了低透射率。
图5、图6分别为该硅基全光二极管仿真的前后向传输谱和隔离度。图5显示出该硅基全光二极管在波长1400nm～1800nm之间明显的前后传输差异，即单向传输特性。图6所示该硅基全光二极管在仿真中最大隔离度NTR＝32.15dB(λ＝1489nm)，在λ＝1555nm处可达到29.46dB的高隔离度，也可以实现1356nm～1636nm之间280nm的大带宽(20dB以上)。
仿真结果显示，相对于前人采用正交界面、倾斜界面等作为衍射层2，和用光子晶体通带或光子晶体波导作为前向输入波导，该呈直角(向光子晶体方向凹陷)的衍射层2与两侧空气孔半径渐变的硅基波导1相结合的设计，明显提高了目标波长光波正向传输时衍射通过方向选择器件3的正向透过率，而对反向传播的透射率影响很小，最终的正反向传输比和带宽均得到了显著提高。
本发明中的硅基全光二极管实现了大带宽和高传输对比度，同时具有尺寸小、制备成本低和可大规模集成等优势，是光通信芯片、量子计算芯片和人工智能芯片的基本元件，有着广阔的市场前景。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅基全光二极管，其特征在于，包括依次连接设置的硅基波导、衍射层和方向选择器件；所述硅基波导的两端由内至外分别设置有多个半径依次增大的第一空气孔，用于将光波传输至所述衍射层；所述衍射层向所述方向选择器件一侧凸出并形成60～120°夹角，用于将所述光波的方向调整后传输至所述方向选择器件；所述方向选择器件用于将所述光波输出至外部，其中，所述方向选择器件为二维硅基光子晶体平板，所述衍射层上设置有第二空气孔。
2.根据权利要求1所述的硅基全光二极管，其特征在于，所述硅基波导的厚度为220～1500nm。
3.根据权利要求1所述的硅基全光二极管，其特征在于，相邻所述第一空气孔圆心之间的间距为400～460nm。
4.根据权利要求3所述的硅基全光二极管，其特征在于，位于所述硅基波导两端最内侧的所述第一空气孔圆心之间的间距为相邻所述第一空气孔圆心之间间距的2～4倍。
5.根据权利要求1所述的硅基全光二极管，其特征在于，所述二维硅基光子晶体平板的晶格常数与相邻所述第一空气孔圆心之间的间距相等。
6.根据权利要求1所述的硅基全光二极管，其特征在于，所述二维硅基光子晶体平板的厚度为220～1500nm。
7.根据权利要求1所述的硅基全光二极管，其特征在于，所述第二空气孔的半径为160～200nm。
8.根据权利要求1所述的硅基全光二极管，其特征在于，所述衍射层的厚度为220～1500nm。
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