CN1156063C - 一种光子晶体微腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波和光波激射器件，特别是涉及微腔激光器。本发明利用点缺陷和线缺陷(或光子晶体波导)来构造光子晶体微腔，其中激发介质在点缺陷中，点缺陷和激发介质构成有源谐振腔。通过调整点缺陷和线缺陷的距离及之间存在的“原子”数目，可使谐振腔中的辐射能接近100%地耦合到波导中。本发明能使谐振腔的辐射能集中到波导中而导向任意位置，可用于半导体激光器的腔体和集成光路的光源和波导设计上。

Description

一种光子晶体微腔结构

(一)技术领域

本发明涉及微波和光波激射器件，特别是微腔激光器。

(二)背景技术

微腔激光器由于体积小，能够有效地控制激发介质的自发辐射，具有高的能量转换效率，而引起国内外的广泛关注。基于光子晶体的微腔结构不仅具有上述的优点，而且能实现高Q值和高辐射增强因子，因而能实现更高的能量转换效率，最近人们提出各种各样的光子晶体微腔结构。最简单的一种是在光子晶体中去掉一个或多个构成光子晶体的“原子”而填充上一种或多种激发介质〖文献1，E.Yablonovitch，T.J.Gmitter，R.D.Meade，A.M.Rappe，K.D.Brommer，and J.D.Joannopoulos，在光子带结构中的受主模和施主模，物理评论快报，67(24)，3380(1999)〗。这种原子是相对于光子晶体的结构而言的。比如由球形电介质构成的三维光子晶体，其原子是电介质球等。由于这种微腔结构的辐射模的角分布和方向性都很差，所以人们又对此作了进一步的改进〖文献2，G.Tayeb and D.Maystre，掺杂微腔的有限大光子晶体的严格理论研究，美国光学学会会志A，14，3323(1997)〗，在微腔区轻微地改变光子晶体的晶格常数，辐射能可以以很窄的角度辐射出去，其结构如图1所示。另一种方法见图2〖文献3，O.Painter，P.K.Lee，A.Schere，A.Yariv，J.D.O′Brien，P.D.Dapkus，I.Kim，二维光子带隙缺陷模激光器，科学，284，1819(1999)〗，在六角形光子晶体中，抽取一根圆柱的同时，使旁靠缺陷的二根圆柱变大，使简并的腔模分裂，从而实现窄的辐射角。但这种方法也不能实现更窄的定向辐射，而且不能自由地控制辐射光的输出，仍存在很大的泄漏损耗。上述光子晶体微腔结构的泄漏的能量依然非常可观，且不能在光子晶体内自由地引导电磁辐射以一定的方向输出，而这正是光子晶体在微波集成电路和全光集成光路中的应用的基础。另一方面，由光子晶体线缺陷构成的光子晶体波导能够引导电磁波沿折弯90的波导前进而具有与直波导相近的效率〖文献4，A.Mekis，J.C.Chen，I.Kurland，S.Fan，P.R.Villeneuve，and J.D.Joannopoulos，光子晶体波导尖锐折弯处的高透过率，物理评论快报，77，3787(1996)〗，但是由于光子晶体波导的直径小于波长，因而如何使能量耦合到光子晶体波导中，也是一个富有挑战性的问题。

(三)发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足，通过把波导(线缺陷)和由点缺陷构成的谐振腔结合在一起形成一种新的微腔结构，从而使由点缺陷构成的谐振腔的辐射能输出到光子晶体的任何部位，同时以极窄的辐射角输出，从而可降低泄漏能量，增加微腔的效率。

本发明的光子晶体微腔结构由光子晶体的点缺陷和线缺陷(光子晶体波导)组成。

一种二维光子晶体微腔的基本结构见图3，实心圆表示介质柱(即组成光子晶体的“原子”)，构成周期性阵列，叫做光子晶体。空心圆表示介质柱被抽掉，从而构成点缺陷；同时，在靠近点缺陷处，抽掉一排或数排介质柱，而形成光子晶体波导。在点缺陷处掺入激发介质，从而形成谐振腔，此时90％以上的辐射能就会进入波导。由于光子晶体波导可以使光波沿一拐弯90度的波导前进而仍具有和直波导相似的效率，所以这种由点缺陷和线缺陷(光子晶体波导)构成的光子晶体微腔可使辐射波沿任意方向以很窄的辐射角输出和近于零的泄漏损耗。调整波导和点缺陷之间的距离和存在的“原子”的数目，可以得到不同Q值的光子晶体微腔。包围光子晶体点缺陷的光子晶体的阵列愈多，泄漏的能量愈小，光子晶体的效率愈高。这种光子晶体微腔可用于半导体微腔激光器的设计及全光集成光路的光源等领域。

点缺陷和光子晶体波导之间存在一定的距离，它们是由散射体隔开的。这种散射体可以是构成光子晶体的原子，也可以是各种各样的散射体。

构成光子晶体微腔的光子晶体波导(线缺陷)可以是直波导也可以是弯波导。

点缺陷可以是抽掉一个构成光子晶体的“原子”也可以是多个“原子”。在由介质柱构成的二维光子晶体中就是抽掉一根或几根介质柱。

这种由点缺陷和线缺陷构成的二维光子晶体微腔的一种扩展结构如图4所示。在图3基础上，在光子晶体的轴向(上下表面)加上二个多层膜，以阻止光从轴向逸出，使光在所有方向(除波导方向外)都被定域于腔中。多层膜的法向和构成光子晶体介质柱的轴向一致。

这种光子晶体微腔在三维光子晶体中的基本结构如图5所示。

本发明提出的由波导和点缺陷构成的光子晶体微腔具有高Q值，而且泄漏损耗可做到少于1％。本发明能使谐振腔的辐射能集中到波导中而导向任意位置，可用于半导体激光器的腔体和集成光路的光源和波导设计上。

(三)附图说明

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

图1：二维光子晶体缺陷截面图，其中实心圆表示介质柱(即构成光子晶体的“原子”)，其余部分表示另一种介质。

图2：一种使辐射光束变窄的光子晶体微腔结构。

图3：由波导和点缺陷构成的二维光子晶体微腔截面图。

图4：二维光子晶体微腔的扩展结构示意图。

图5：三维光子晶体微腔示意图。

图6：为图3所示的光子晶体微腔的能流和频率的关系，其中晶格常数是11mm，圆柱半径为2.044mm，圆柱和背景介电常数分别为8.9和1.04。

图7：由点缺陷和弯波导组成的光子晶体微腔截面图。

图8：为图7所示的光子晶体微腔的能流和频率的关系，其中晶格常数为11mm，圆柱半径为2.044mm，圆柱和背景介电常数分别为8.9和1.04。

其中：1点缺陷区；2构成光子晶体的原子；3光子晶体波导；4多层膜；5带有点缺陷和线缺陷的二维光子晶体(其结构如图3)；6表示整块三维光子晶体。

(四)具体实施方式

实施例1：

如图3所示，在点缺陷处掺入激发介质，则点缺陷和激发介质构成了一谐振腔，辐射的电磁波直接耦合到线缺陷(光子晶体波导)中。在数值模拟中，我们以线光源代替激发介质，在波导出口端计算电磁波的能流。同时将其余的电磁波能流相加，称这部分为泄漏能流。图6是电磁波能流和频率的关系，其中实线表示从波导出口端检测到的能流，虚线表示泄漏能流。由此看出，在这种光子晶体微腔中，95％以上的能量都从波导口输出，而泄漏的能量几近忽略。

实施例2：

如图7所示的由点缺陷和弯波导组成的光子晶体微腔，其中黑点表示介质圆柱，点缺陷由抽掉其中的4根介质圆柱构成，而波导是一弯波导，波导和点缺陷之间由4根圆柱隔开。其微腔辐射能流分布的计算结果如图8所示，其中实线表示从波导出口端检测到的能流，而虚线表示泄漏能流。可见泄漏的能量也可忽略，说明这种由波导和点缺陷构成的微腔可将其辐射的电磁能量从光子晶体的任何方位以极窄的辐射角和近于零的泄漏能量输出。

实施例3：

如图4所示，二维光子晶体微腔的上下方都镀上多层膜，其中多层膜的法向和构成光子晶体介质柱的轴向一致。这样的目的是阻止电磁波能量从轴向逸出，从而进一步提高微腔的效率。

实施例4：

如图5所示，在三维光子晶体中抽掉相应“原子”，从而构成一缺陷腔，在缺陷中充入激发介质，进一步在缺陷的旁边开一波导，那么就可以将激发的电磁波能完全从波导引出。这种采用三维光子晶体来构成专利所述的微腔具有最高的效率。

Claims (5)

1、一种光子晶体微腔结构，其特征在于：由光子晶体的点缺陷和线缺陷或光子晶体波导组成：在由介质柱按一定规律排列而成的二维光子晶体中，将组成光子晶体的一根或几根介质柱抽掉构成点缺陷；在靠近点缺陷处抽掉一排或数排介质柱形成光子晶体波导；在点缺陷处掺入激发介质形成谐振腔。

2、权利要求1所述的光子晶体微腔结构，其特征在于：在光子晶体圆柱的轴向的上、下表面各加上一个多层膜，使光在除波导方向外的其他方向都被定域于腔中，多层膜的法向和构成光子晶体介质柱的轴向一致。

3、按权利要求1所述的光子晶体微腔结构，其特征在于：还可以做成三维光子晶体微腔结构。

4、按权利要求1所述的光子晶体微腔结构，其特征在于：光子晶体波导可以是直波导也可以是弯波导。

5、按权利要求1所述的光子晶体微腔结构，其特征在于：点缺陷还可以是抽掉相应“原子”构成。

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