CN1268953C - 制造光器件的方法及光器件 - Google Patents

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Abstract

为了制造具有沿二维方向伸展光子带隙以及沿任何方向有非常均匀性质和在任何偏振态下均匀到1%以内的光器件，在低折射率材料的基底内蚀刻空气细孔，例如，氧氮化硅或石英玻璃。空气细孔面积与基底其余面积之比率很低，它小于35%。空气细孔确定基于正方形-三角形系统的12重对称性的准晶体结构。在另一个研究中，具有正常晶体结构或准晶体结构的蚀刻基底展示非线性折射率。这种基底中的两个相邻面积有不同的点阵性质，或在点阵中有缺陷，从而建立单向传输路径(二极管作用)。利用非线性折射率，另一个光束可用于调制传输路径。

Description

制造光器件的方法及光器件
技术领域
本发明涉及光器件，具体涉及展示光子带隙结构的光器件。
背景技术
在我们先前的申请WO 98/53351中，描述一种借助于光子带隙控制波导中辐射传播特性的方法。通过蚀刻支持某个波长下辐射传播的物质可以制成这种器件，例如，可见辐射。这个辐射可以是可见辐射或其他形式的电磁辐射，例如，紫外，红外和太拉赫芝辐射。在这个说明书中，术语“光辐射”包括这种其他形式的辐射。
美国专利No.5,784,400公开一种含谐振腔的光器件，它包括：展示光子带隙的平面二维周期性介质结构和造成光子带隙内电子模的周期性介质结构中缺陷。光子带隙实现该结构内产生的电磁辐射的面内空间约束。缺陷结构内产生的辐射可以借助于光子带隙区域内形成的波导中进行传播。在另一个实施例中，缺陷可用于控制从输入波导发射经缺陷结构到输出波导的辐射频率特性。然而，美国专利No.5,784,400所建议的器件在其传输特性上基本是线性的。
美国专利No.5,559,825提出一种利用多个第一和第二介质层构造的光子频带边缘二极管。第二介质层是利用这样一种材料制成的，该材料的入射光强度与不同路径长度之间有非线性关系。这些介质层安排成叠层以传递空间光各向异性到通过其中的辐射传输。利用这种器件，在制造该介质层时要求很高的精确度以产生所需的传输特性。此外，由于这种结构，这些器件不容易与其他光器件集成在电路配置中。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种形成展示光子带隙结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展的材料，并在所述材料中形成有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定展示长程有序(long range order)和短程无序(short term disorder)的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而提供一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
在第二方面，本发明提供一种展示光子带隙的结构，
其中该结构包含沿二维方向伸展的材料，该材料包括：第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，为了提供一种展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
准晶体具有的对称面越多，该准晶体光学性质的各向同性就越多。光学性质在所有的方向上变得大致均匀，特别是光子带隙的宽度和中心频率。对于12重对称性，光学性质均匀到4％以内，并可以均匀到1％以内。此外，光子带隙可以沿垂直于该二维方向的第三维方向伸展。光子带隙对于所有的偏振态是均匀的。
可以有各种形式的准晶体，准晶体可以仅仅在一维方向上展示变化，在此情况下，它有低的对称度，2重或大于2重。对于在二维方向上有不同几何形态的准晶体，该准晶体可以展示大于6重的任何对称度，例如，10重(Penrose(彭罗斯)铺砌)，15重，或更高。在一个优选实施例中，准晶体是基于具有12重对称性的随机正方形-三角形铺砌系统。这是因为这种系统具有适合于在材料基底中容易进行光刻再现的晶胞。基于Penrose(彭罗斯)铺砌的结构没有可以容易地通过光刻进行复制的晶胞。另一个方案是，晶胞是基于熟知的阿基米德铺砌(tiling)。
在第三方面，本发明提供一种形成展示光子带隙结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展并有相对低折射率的材料，折射率小于或等于3，和在所述层中形成有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
二维层的材料可以是硅，锗，氮化硅或氧氮化硅，或光子应用中常用的任何其他半导体材料，例如，磷化铟或砷化钾，或包含这些材料的混合物合金，或塑料。然而，最好是低折射率材料，例如，氮化硅或氧氮化硅，或非晶态材料，例如，石英，或塑料。使用低折射率的主要优点是，在受到小损耗或后向反射时，容易耦合来自波导或玻璃光纤或其他低折射率材料的光进入该结构。在这个说明书中，我们考虑介电常数，介电常数等于折射率的平方。
在第四方面，本发明提供一种形成展示光子带隙结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展的材料，并在所述材料中形成有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n≥12，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
该材料可以沿三维方向伸展，确定准晶体的区域可以沿垂直于该二维方向的第三个方向伸展。在一个实施例中，准晶体结构可以形成光纤的包层或纤芯，这些区域确定沿光纤长度方向伸展的准晶体。在另一个实施例中，准晶体的区域可以形成三维阵列，为的是提供沿三维方向的准晶体几何形态。在另一个实施例中，第一区域形成沿其中一维方向伸展的长条，各长条之间的空间距离是非线性的，为的是提供这种二维带隙。在一个优选实施例中，准晶体几何形态仅仅确定在所述二维方向上。
在第五方面，本发明提供一种形成展示光子带隙结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展的材料，并蚀刻该材料以除去预定面积中的材料，蚀刻是沿垂直于所述二维方向的方向伸展的，从而确定有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，从而确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而建立一个至少沿所述二维方向的光子带隙，和
其中第一区域面积与第二区域面积之比率是相对地低，它小于35％。
使用低比率的优点是，蚀刻过程被简化，并可以精确地确定，和提高工作效率。
在进一步研究中，我们开发了展示光子带隙并有电磁辐射的非线性，可控和/或非对称传播特性的器件，这些器件可用作开关，晶体管或二极管。
按照本发明的另一方面，提供一种展示光子带隙的结构。
其中该结构包括：有第一折射率的第一区域材料，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，为的是提供一种展示光子带隙的晶体或准晶体结构，其中该结构改变材料的性质以诱发显著的非线性效应，其中该结构的折射率取决于光入射到该结构上的功率。
本发明的一个惊人特征是，按照本发明改变不具有显著非线性的材料，例如，氮化硅，使它具有显著的非线性效应。
按照本发明的另一方面，提供一种光器件，包括：至少有一条路径的实体，光辐射传输通过该路径，其中在横跨所述路径时，所述辐射的传输特性受到所述实体内第一区域和第二区域的约束，以及包括：展示光子带隙的一种材料或多种材料，其中所述第一区域和第二区域互相之间的位置是这样的，使所述第一区域光子带隙相关的倏逝场与所述第二区域光子带隙相关的倏逝场相互作用，从而使所述传输特性基本上是非线性，非对称或可控的。
按照本发明的另一方面，提供一种有通过第一和第二相邻面积的光传输路径的光器件，每个面积是由这样一种材料制成，第一折射率的第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，所述区域确定有光子带隙的晶体或准晶体结构，每个这种结构在其中有缺陷，从而在带隙内建立光子态和相关的倏逝场，第一面积和第二面积的倏逝场互相耦合，从而允许在光子带隙内进行传输，传输特性是非线性或非对称的。
通过安排光子态有略微不同的能量，从而产生二极管作用，因为光从高能态到低能态的传输比从低能态到高能态的传输更容易。此外，本发明的非线性特征提供一种能够吸收多余能量的机构。
按照本发明的另一方面，提供一种有通过第一和第二相邻面积的光传输路径的光器件，每个面积是由这样一种沿二维方向的材料制成，该材料包括：第一折射率的第一区域，第一折射率的第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定有光子带隙的晶体或准晶体结构，这两个面积中的光子带隙有不同的值，最好是，第一面积和第二面积中至少一个面积展示非线性折射率，因此，入射到这一个面积上的光调整相对于另一个面积带隙的带隙值。
按照本发明的第一方面，该结构可以展示12重对称性；或者，它们可以由低对称度的三角形(六重)或正方形(4重)点阵形成。
最好是，至少一个面积在其中有缺陷位，与块状点阵座比较，缺陷位是由一组稍大或稍小的直径或折射率的位或不同形状构成。或者，缺陷可以是由丢失的点阵座而形成，或者是由所述第一区域位于非点阵座而形成。在晶体建立光子带隙的波长范围内，这些缺陷有引入窄缺陷模的效应。这种缺陷模的波长显著地取决于缺陷尺寸。
最好是，第一区域中缺陷的尺寸不同于第二区域中缺陷的尺寸，虽然每个区域内的缺陷有相同的尺寸。每个缺陷建立一个可以支持光子带隙内波长局域模的微空腔。虽然缺陷模定域在缺陷位置，它有与其相关的倏逝场功能。两个区域内的倏逝场在边界处重叠，光子就可以在这两个区域之间转移。
此外，按照本发明，两个区域内的缺陷模可以建立不同能量值和不同波长值的能态。因此，光可以从一个区域的高能态传输到相邻区域的低能态，这个能量差在第二区域中被点阵振动等吸收。然而，在光沿相反方向传输时，光需要获得能量以便在高能态中进行传输，而通常没有一个可以吸收多余能量的机构。因此，光就被反射，它不能够沿相反的方向进行传输。
附图说明
现在参照附图并借助于例子具体描述本发明，其中：
图1至14是说明本发明所用三角形点阵和正方形点阵的光子带隙结构性质的曲线图；
图15(a)，(b)和(c)是按照本发明一个实施例的准晶体结构；
图16至32是说明图15中结构的光学性质曲线图；
图33，35和36是与准晶体结构有关的扫描电子缩微图形和照片；
图37至45是本发明一组第二个实施例的图形表示；
图46和47表示本发明一个方面的三角形点阵的实验传输频谱。
具体实施方式
光子晶体的理想属性是带隙应当沿三维方向中的任何方向伸展，并应当存在于所有的偏振态，即，横电(TE)态和横磁(TM)态及这两种态的任意组合。这是因为若带隙是非各向同性的，则存在光子沿某些方向泄漏的风险。
我们发现，有限厚度的二维周期性结构可以具有沿三维方向伸展的带隙，且带隙可以在大角度范围内保持开启。
借助于周期性三角形和六角形点阵结构，虽然可以提供沿二维和三维方向的光子带隙，但是这仅仅可能在非常高介电常数的材料中实现，在耦合到光纤时，它引起多余的后向反射和损耗。
我们已发现这样的结构，该结构可以在低介电常数的材料中提供各向同性的带隙。此外，利用基底材料中蚀刻空气间隙制成这种材料的情况下，仅要求很小的空气充填系数。这有助于减小散射损耗。
参照图1-14，利用二维平面波分析，确定硅基光子晶体的光子性质。通过绘制绝对光子带隙的边缘与空气充填系数之间的关系，可以构造光子带隙空气充填系数(a.f.f.)图。在这些曲线图中，曲线围住的岛屿指出光子带隙的频率范围作为棒(rod)直径或空气充填系数的函数。这些曲线图产生有关光子带隙性能作为点阵几何形态和介电常数函数的有用定量信息。可以评价硅中蚀刻空气细孔的正方形和三角形阵列和相反结构(空气中硅棒的正方形和三角形阵列)的空气充填系数图。为了得到普适性，该结果是用任意波长(λ)和点阵间距(Λ)的缩放比例图画出的。
分别评价两个主对称方向(Γ-J和Γ-X)的带隙充填系数图，预期带结构中的最极端的变化，以及把这些曲线进行叠加，可以保留有关带隙性能的定向信息。两组带隙岛屿的重叠区域指出完整(非定向)光子带隙的频率范围。非重叠区域指出分(定向)光子带隙。虽然在每种情况下评价两个极端偏振态(TE和TM)的带结构，但是这些数据可用于预测任何其他线性偏振态下的光子晶体性质。
当线偏振光入射到光子晶体上时，若波矢相对于点阵平面略微旋转，则E波矢和H波矢同时有该点阵平面内分解的分量。所以，光子性质表示TE波带和TM波带结构的特征。该特征强度正比于点阵平面内各自波矢的相对幅度。
在空气充填系数(fraction)的大范围内，对于TE和TM偏振态，单独分析蚀刻在硅(n＝3.46)中正方形和三角形阵点上空气棒(n＝1)的二维阵列。利用152个阵点的网格和61个k矢量样本计算每个波带图，空气充填系数的增量步长为2.5％，直至90％的密集堆积状态。
参照图1-4，检测TE偏振态的三组定向(分)带隙。最大的带隙位于低频带之间，它的宽度几乎随空气充填系数的增大而线性地增加，直至它开始快速闭合的那一点。以下称它为主带隙。在两个传播方向上，主分带隙几乎沿整个空气充填系数伸展。在最佳空气充填系数(a.f.f.)为63％的条件下，分带隙在Γ-X方向较宽，达到带隙中心频率(m.g.f.)的最大宽度为60％，在Γ-J方向上，它在最佳a.f.f.为65％的条件下达到的m.g.f.为55％(图3)。
两组定向带隙重叠的区域指出完整(非定向)光子带隙的频率范围。由于在两个极端充填系数范围下，分带隙之间有小的位移，非定向带隙的充填系数范围略微减小，主带隙的范围从10％伸展到87％。进一步的分析指出，非定向主带隙在a.f.f.为65％的条件下，达到的m.g.f.最大宽度为55％。
对于TM偏振态，总有一个方向，分带隙在大部分低频带之间是开启的。然而，在这些条件下，分带隙很少重叠。在大部分的a.f.f.范围内，大的分带隙在频带1-2之间沿Γ-X方向是开启的。很大的主分带隙在频带2-3之间是开启的。此外，在很低的a.f.f.(37％)条件下，它沿Γ-X方向而不是Γ-J方向是开启的(55％)，导致a.f.f.为55％以上时的小完整带隙。这在最佳a.f.f.为78％的条件下沿Γ-X方向的最大宽度为33％，而在最佳a.f.f.为85％的条件下沿Γ-J方向的最大宽度为22％(图4)。
把两个偏振态的a.f.f.曲线图互相叠加，非偏振有关(绝对)带隙是由叠加区域指出的。图1和2说明，硅中蚀刻空气细孔的三角形点阵确实具有绝对带隙。此外，沿Γ-X方向的带隙大于沿Γ-J方向上的。
把图1和图2互相叠加(未画出)，重叠区域指出非定向，非偏振有关光子带隙的频率位置。在这种结构中，在a.f.f.为55％以上时发生全带隙。
我们已确定正方形点阵配置的模拟结果。在此情况下，两种偏振态的主带隙伸展到a.f.f.的大部分范围。此外，两种偏振态的分带隙在Γ-X方向上为最大，如以下所总结的：
  分带隙            TE偏振             TM偏振
  ％带隙中心频率   空气系数   ％带隙中心频率   空气系数
  Γ-X方向：   45％   55％   53％   88％
  Γ-J方向：   15％   60％   12％   70％
还分析正方形和三角形点阵上空气中独立硅柱(pillar)的二维阵列作为空气充填系数和偏振态的函数。利用152个阵点的网格和61个k矢量，计算每个频带图。
对于空气中的硅棒结构，我们发现，带隙在小的空气充填系数下最大，其宽度随空气充填系数的增大而减小。图5和图6表示三角形点阵配置的模拟结果。TE偏振态的两个分带隙是开启的，伸展到大部分的空气充填系数范围。在两个传播方向上，主带隙中有很小的重叠区域，它指出a.f.f.在22％至80％的范围内的非定向带隙。然而，这个带隙是相对地小(在最佳a.f.f.为55％的条件下为10％)。
对于TM偏振态，有三个大的非定向带隙区域。这些带隙区域分别发生在空气充填系数为2％-82％，15％-82％，25％-70％的范围内。最大的(主)带隙在频带1-2之间是开启的，在最佳a.f.f.为12.5％的条件下，其宽度达到48％。
在任何一个传播方向上，两个偏振态之间实际上没有重叠区域，因此，这种结构不具有非偏振有关带隙。
我们已确定空气中硅棒正方形点阵的模拟结果。对于TE偏振态，在两个方向上，小的分带隙在频带4-5之间和频带6-7之间是开启的。此时，分带隙在Γ-J方向上是最宽的，伸展到大部分的a.f.f.范围。主分带隙在最佳a.f.f.为33％的条件下沿Γ-J方向达到m.g.f.的最大宽度为15％，而分带隙在Γ-X方向上是比较地小(＜8％)。
对于TM偏振态，在大部分的a.f.f.范围内，三个大的分带隙在频带1-2之间，频带3-4之间，和频带6-7之间是开启的。在最佳a.f.f.为16％的条件下，在Γ-X方向和Γ-J方向上达到的最大宽度分别为51％m.g.f.和53％m.g.f.。在每种情况的两个方向上，在带隙岛屿之间有大的重叠区域，指出a.f.f.的非定向带隙分别是在3％-62％，19％-63％，和25％-65％的范围内。这种结构不支持全非定向非偏振有关带隙。
我们还分析锗中蚀刻空气细孔的正方形和三角形阵列的光子性质。锗的折射率(n＝4)远大于硅的折射率，因此，可以预期锗产生很大的光子带隙，但是，事实上锗的带隙类似于硅的带隙。
我们还比较相同的硅和锗光子晶体的性质。这是通过分析空气细孔的三角形点阵配置的非定向带隙实现的。频带结构的最显著方面(图7和图8)是，在任何的偏振态和任何的空气充填系数下，尽管锗的介电常数增大很多，而低带隙的尺寸和位置实际没有什么变化。
在小的空气充填系数下，两种材料的带隙区域之间有很小的位移，(锗的带隙总能级略微低)。随着空气充填系数增大到接近于密集堆积状态，两个面积会聚在一起。
在两种偏振态的高级次带隙区域，带隙区域之间的位移是更加显著。虽然这些面积并不随带隙的闭合而会聚在一起，但是出现这样一种情况，对于TM偏振态，介电常数变化的主要效应是改变高带隙区域的尺寸和形状。
实际上，频率位移意味着，锗结构的尺寸略微小于硅产生给定中心波长带隙所要求的尺寸。
最佳充填系数(在此情况下，带隙有最大的宽度)是，在TE偏振态下空气充填系数为65％，而在TM偏振态下空气充填系数为84％。在这些点上，锗的带隙仅为6.5％，大于硅带隙的8.4％。在所有其他的空气充填系数下，带隙宽度的增加非常地小。
虽然锗的介电常数远远大于硅的介电常数，但是带隙宽度的增加是非常地小。硅与锗比较的主要优点是，它非常适合于1.5μm的光通信窗口，而纯锗仅适合于工作在2μm以上的PBG(光子带隙)器件。
我们评价二氧化硅(n＝3.5)中埋入硅棒(n＝3.46)的正方形点阵。介电常数的略微减小使TE偏振带隙完全消失。我们还展示TM偏振态的分带隙图。研究介电常数发生很大变化时主带隙的性能。利用介电常数的取值范围(2-16，增量步长为1)，计算介质块中埋入空气细孔的三角形点阵的充填系数图。为了加速计算达到合理的水平(在P90上运行)，利用132个倒易阵点的网格进行计算。这种情况足以给出低频带的准确位置(＜5％)并显示总的趋向和关系。
参照图9-14，对于空气细孔的三角形点阵，主带隙的宽度是用三维表面曲线图表示，主带隙的宽度是与空气充填系数和εb(等于折射率n的平方)有关。为了说明带隙的性能，还画出直线图。这些直线表示带隙在一个变量下的性能。
图9-11表示主TE偏振光子带隙的尺寸作为空气充填系数和介电常数(εb)的函数。在最佳a.f.f.为55％的条件下，当εb增大到2.25以上时，主带隙几乎立即开启。这是一个特别低的值，它指出利用折射率低至1.5的材料，可以建立非定向(完整)TE偏振光子带隙。
从图10中可以看出，在εb所有的取值下，带隙尺寸相对于空气充填系数具有相同的非对称抛物线形状。带隙的尺寸在很小εb值下以最快的速度增大，此时，带隙开始开启。随着εb的增大而缓慢地减小。当εb从2增大到16时，最佳的充填系数线性地位移约10％。
图11指出，在小的空气充填系数和大的εb值下，带隙以极慢的速度增长，但它与εb之间的关系是近似线性的。
图12-14表示TM偏振主带隙的性能作为εb和空气充填系数的函数。在最佳空气充填系数为75％的条件下，当εb的最小值约为6(n＝2.45)时，TM偏振态主带隙首先开始开启。与TE偏振带隙的性能对比，当εb增大时，TM偏振带隙在空气充填系数的范围内扩大。
从图13中可以看出，在εb的所有取值下，带隙尺寸相对于空气充填系数具有相同的非对称抛物线形状。如同TE带隙的情况一样，在小的εb值下，TM偏振带隙的尺寸以最快的速度增大，而最佳a.f.f.在εb的试验范围内线性地增加8％。
图14指出，在小的空气充填系数和大的εb值下，主带隙以近似线性方式随εb而增大。
光子带隙的另一个重要性质是中心频率的变化作为εb的函数。在TE偏振态下，中心频率随εb发生位移，但在给定的空气充填系数下位移非常小。位移在直到最佳空气充填系数之前是非常线性的，特别是在大的εb值下。在TM偏振态下，带隙中心频率的位移在更大的充填系数范围内是近似线性的。如同TE偏振态的情况一样，中心频率的位移随εb的变化是近似线性的。
基于利用任何普通半导体或光学材料制成的三角形点阵，图9-14的一组数据可用于预言光子晶体的性质。
模拟和实验结果说明，有限厚度的标称二维周期性结构可以具有沿三维方向伸展的带隙。这种带隙在大的角度范围内可以保持开启，而对于高介电常数的材料，在两个偏振态下可以同时开启。所以，在许多情况下不需要制造真正的三维结构以利用带隙的三维性质。
本发明第一个实施例
在许多涉及使用光子晶体的应用中，理想的是获得完整和绝对光子带隙。在这种光子带隙结构的情况下，波的传播在任何传播方向上是被禁止的并独立于偏振态。这给某些应用提供一种极好的光子带隙结构，例如，抑制自发辐射和偏振独立器件。周期性三角形和六角形点阵结构可以支持沿二维和三维方向的完整光子带隙。然而，如图9-14所示，利用六角形和三角形点阵结构，仅在非常高的介电常数材料中可以获得完整和绝对光子带隙(CAPBG)，例如，GaAs(ε＝13.6)。这种结构形成的带隙频率范围也是高度取决于波传播方向，因此，这种结构不适合于所有的应用。此外，需要有大的空气细孔直径(大的空气充填系数)，以便建立更小的完整和绝对光子带隙。我们发现，由于光从表面的顶部泄漏，增大空气充填系数能够增大光子晶体的损耗。
为了减轻这些问题，着手寻找低介电常数材料中的各向同性带隙(即与方向无关)和小的空气充填系数。使用低折射率材料便于制造与光纤网络系统高度兼容的新颖光器件。这种器件可以包括偏振不灵敏，方向无关的波分复用滤波器和复用器。我们已设计一种新的结构，在相对低的折射率材料(氮化硅εb＝4.08)和相对低的空气充填系数(β＝0.28)条件下，该结构具有非定向，偏振不灵敏的完整和绝对光子带隙。
可以证明，光子带隙的各向异性是与光子晶体点阵的对称性有关。比较具有正方形点阵(四重对称性)和三角形点阵(六重对称性)的光子晶体能带图可以容易地验证这一点。应当注意，对称性越高，与正方形点阵结构对比，三角形点阵光子晶体有更大各向同性的光子带隙。
随着光子晶体中对称性级次的增大，布里渊区(BZ)就变得更圆。自然晶体中发现的最高对称性级次为6，然而，在准晶体中可以获得高级次的对称性。可以利用人工方法制造准晶体。高级次对称性有增大形成简并态的似然性趋势。反过来，这可以减小总的光子带隙宽度，因为光子带隙内有重合的能态。然而，我们发现，由于光子带隙的高度各向同性结构，即使由于简并态可能使特定波传播方向的总光子带隙宽度减小，仍可以获得较大的完整和绝对光子带隙。
在实空间中，准晶体不具有与晶体相同的周期性质并展示短程无序。我们惊奇地发现，原子的无序安排在傅里叶空间中产生Bragg(布喇格)峰值。然而，任何准晶体的实空间近似值总是具有某些形式的长程周期性。这些性质的组合给准晶体结构提供从正常晶体性能导出的一些特性(如在倒易空间中见到的)和来自无序性质的一些其他特征(如在实空间中见到的)。因此，部分随机性和长程周期性的组合产生非寻常的光学特性。
由于准晶体与晶体之间简单的短程无序差别，就不能够定义布里渊区(BZ)。然而，可以给准晶体定义称之为(伪)琼斯区(伪JZ)的区域。伪-JZ是在倒易空间中的区域，倒易空间是由从原点连接到主散射矢量的矢量垂直平分线围成的。JZ和BZ具有许多类似的特征，并给出正常周期性晶体与周期性准晶体之间一些形式的比较。最重要的类似是，沿伪-JZ的Bragg波矢经历类似于正常PC(光子晶体)中沿BZ边界的Bragg反射。即使更精细的细节，例如，BZ中平移对称性的完成，也与伪-JZ中的兼容。然而，在伪-JZ的情况下，Bragg峰值的绝对幅度在平移对称性过程中是不满足的。
准晶体是包括随机铺砌在内的最大随机集合。在合适构想的装饰方案中，每个这种铺砌对应于一种原子结构。随机铺砌模型加上装饰方案构成确定随机准晶体原子结构的物理模型。
准晶体具有与正常点阵结构有惊人的相似性，其中准晶体保持光的长程周期性散射，即使该结构的取向有序性不是周期的。这对于光子带隙的形成是必需的。这提供一种改变光子晶体对称性的手段，以便产生更大各向同性的布里渊区。
基于Penrose铺砌确定10重对称性的准晶体。Penrose铺砌是熟知形式的准晶体，它是由有不同角度的相邻斜菱形构成。按照本发明，虽然这种布置提供一种更好的光子带隙结构，然而存在这样一个问题，这种铺砌是不容易在晶体中再现的，因为它不是晶胞或类似于晶胞(unit cell)，晶胞是可以利用光刻方法在晶体表面上复制的。所以，很难制造基于Ponrose铺砌的晶体。
有人建议基于具有12重对称性的随机正方形-三角形铺砌系统的光子准晶体。这种结构是与氮化硅波导中的集成是兼容的，且具有电磁频谱中可见/近红外区域的光学特性，其中可以利用各种激光源。
利用正方形和等边三角形的随机集合产生光子准晶体结构。随机-Stampfli膨胀规则应用于正方形和三角形集合以产生准晶体的高度对称性质。为了使该结构展示长程12重对称性，需要几次递归应用随机-Stampfli膨胀规则。M.Oxborrow等人给出产生最大随机正方形和三角形铺砌的随机-Stampfli膨胀规则完整资料，[Phys Rev B48(No.10)6966(1993)]。图15(a)中的虚线表示用于膨胀方案的母十二边形晶胞。实线表示扩展母晶胞的子十二边形的铺砌。驻留在任何母十二边形中的正方形和三角形集合可以占有两个唯一的取向。这可以通过对母十二边形作30度旋转而获得。因此，在应用膨胀规则之前，利用正常与旋转母十二边形晶胞之间的选择，在该结构上形成随机度。在膨胀方案过程中，母十二边形尺寸被缩小的比率为
Figure C0180887000221
从而形成多个子十二边形。这些子十二边形的中心叠加到母晶胞中每个正方形或三角形的顶点。光子准晶体中的空气细孔位于每个正方形和三角形的顶点。相邻空气细孔之间的距离是由间距a确定的。图15(b)表示所研究的介电材料中空气棒的布局，而图15(c)表示波导结构的横截面。该结构包括：含二氧化硅缓冲层的硅基底，和形成在基底上的氮化硅外延层。另一个二氧化硅包层配置在氮化硅上。蚀刻包层和氮化硅层以形成空气细孔。
形成过程如下所示：
标准硅基底被热氧化，产生小折射率(n＝1.46)和厚1.8μm的二氧化硅缓冲层，利用低压化学蒸气沉积方法(LPCVD)沉积高折射率(n＝2.02)和厚250nm的氮化硅层，从而形成波导芯，以及还利用LPVCD沉积薄的(75-180nm)二氧化硅包层，最后形成一种防划痕和灰尘的机械保护。
按照如下方法引入光子晶体到波导结构中。利用直接写入电子束和等离子体蚀刻，使晶片上形成图形，从而产生(在此情况下)向下伸展到芯层/缓冲层界面的圆柱形细孔。最后把晶片解离成进行光测试的各个器件。
另一个方案是我们的申请WO98/53351中描述的蚀刻方法。另一个制造光子晶体的可行方法是阳极蚀刻，它可用于制造有光子带隙的硅基光子晶体，该光子带隙在近红外频谱区(1.2-1.7μm)中。在弱氢氟酸(HF)溶液中的阳极偏置条件下，通过蚀刻结晶硅形成多孔硅。
因此，可以看出，因为图15所示的结构有晶胞，例如，通过空气细孔形成在晶胞结构的顶点，就可以在晶体中复制晶胞。在光刻过程中，利用电子束产生基本晶胞，并通过旋转坐标30度确定相邻的晶胞。
研究的光子准晶体是由间距a为300nm和直径为180nm空气棒构成，周围是二氧化硅中厚260nm的氮化硅夹层，用于约束光在二维平面上。
利用二维FDTD方法，计算沿所有波传播方向的传输率曲线。FDTD方法是基于中心差空间步骤方案，并加上指数衰减吸收边界条件。离散形式的Maxwell方程用于描述介质内的电磁场。中心差空间步骤的实施是为了减小该结构内散射波的传数误差。利用30行结构上的1000×1000接点网格，使光子带隙结构离散化。空间增量(Δh)设置成相对于最小波长λ＝350nm的λ/50。时间增量(Δt)固定在相对于Δh的Δh/50c，其中c是真空中的光速。
初始的输入场是由空间域中的高斯波包构成。光子准晶体输出端的抽样点收集所需电场或磁场分量的场分布作为抽样时间的函数。快速傅里叶变换(FFT)算法应用于收集的数据，以给出光子准晶体的传输特性。传输率曲线图归一化到介质中传播高斯波包的控制模拟结果。在每个抽样接点收集14000个数据点，给FFT提供足够的分辨率。
为了计算角度为非垂直于入射面的传输率，使光子准晶体围绕它的中心旋转到所需的角度，随后把有限差分网格应用于该结构。
图16表示在正入射(ΓJ)到光子准晶体的条件下，理论预测带隙尺寸作为空气充填系数(β)的函数。光子准晶体模型有恒定的间距a＝300nm。氮化硅芯介质的介电常数εb＝4.08。应当注意，即使是非常小的β值，带隙在光子准晶体中是开启的。在β＝10％的情况下，计算沿ΓJ传播方向的带隙-带隙中心比率为12.9％，而对于相同充填系数和相同介质材料的简单三角形点阵，计算沿ΓJ传播方向的带隙-带隙中心比率为2.5％。即使模拟仅仅在ΓJ方向，由于光子带隙的高度各向同性，在所有波传播方向上带隙仍保持开启，这与三角形光子晶体结构的情况相反。
进行另一些模拟试验以突出光子带隙的各向同性程度。我们研究间距a＝300nm和空气充填系数β＝28％的光子准晶体。利用FDTD方法计算ΓJ与ΓX之间几个不同传播方向的传输频谱。图4表示TE偏振模和TM偏振模沿ΓJ方向的传输率。观察到不同波传播方向之间的最大变化为4％。为了清楚起见，仅画出有最极端光子带隙变化的方向。完整光子带隙的总宽度是在0.247a/λ与0.302a/λ之间。TE模传播的带隙-带隙中心比率(Δω/ω0)是27％，而TM模传播的带隙-带隙中心比率是20％。然而，可以看到TM带隙是在TE带隙域的中间。这造成两个不同偏振态的完整光子带隙中74.1％的重叠，而在相同空气充填系数下，三角形和六角形点阵结构没有完整和绝对光子带隙。在长波长限制下(归一化频率ωa/2πc小于0.15)，传输率伸展到1。在这些波长下，传播波不能分解正方形-三角形铺砌的精细结构，把准晶体看成是小折射率的均匀材料。
图18和19比较12重对称晶体和空气充填系数为32％的三角形点阵。可以看出，PQC(光子准晶体)也有PBG。此外，观察到TE模和TM模的PBG在频率上完全重叠。PBG沿ΓJ方向是从0.316持续到0.380。TE模的主PBG归一化宽度Δω/ω0＝18.4％，而TE模的归一化宽度Δω/ω0＝14.3％。计算出TE模和TM模的重叠为78.1％。因此，PBG保持在所有的波矢传播方向上，与相同空气充填系数和介电常数的普通三角形点阵周期性PC对比，其中观察不到完整PBG的重叠。
与三角形和六角形光子晶体比较，还注意到带隙发生在低频率上。在图14中，TE偏振光和TM偏振光在带隙中心(ω0)处的归一化频率分别是0.273和0.275。与正常点阵结构对比，最近的相邻点阵矢量不再确定布里渊区。倒易空间中的布里渊区是由图15(a)中虚线母十二边形确定，它一直连接几个周期的点阵矢量。
图20至图25都展示TE模在不同传播角的近场传输特性变化。阴影区突出PBG存在于所有的角度。不可简约的伪-JZ说明，由于准晶体的对称性，约15度为中心的特性应当是相同的，例如，12度和18度的传输性质密切相关。因此，准晶体的性质基本上是各向同性的，在任何方向上相同到1％以内。
图26和27是反射场曲线图。由于定域在PQC表面和FDTD输出端口倏逝场的耦合，可以看见带隙区域中的小谐振，通过考察远场传输和清楚地显示在禁带区中没有任何谐振特征，可以减轻这个问题，如图26所示。还应当注意，PBG总是以相同的带隙中心频率(0.351a/λ)为中心，从而确认PBG频带边缘的各向同性，带隙-带隙中心的归一化频率略微减小到Δω/ω0≈14.0％。在分析该结构的角度关系时，PQC只需要最大旋转30度，就可以得到完整的特性。这是由于准晶体的高度对称性，即，由于每隔30度(代表12重对称性)该结构及其伪-JZ的重复性质。然而，利用沿不可简约伪-JZ的高度对称面的准晶体镜面对称性质也是合适的，在此情况下获得最大的Bragg反射，因此只需要考虑沿ΓJ和ΓX方向(偏离正入射15度)，如图27所示。此外，应当注意，沿ΓX方向的绝对发射功率不等于1，这是不奇怪的，因为考虑到沿这个传播方向时，在ΓJ方向上加的是吸收边界条件，而不是周期性边界条件。PML的实施影响FDTD方法中收集初始高斯波包中包含的所有入射功率的输出抽样面的能力，这是由于在输出端口有效收集之前，散射光被这些边界所吸收。增大FD空间中PQC结构的绝对宽度可以减轻这种问题。
图27比较TE偏振态和TM偏振态沿ΓX方向的TM反射率性质。TE偏振和TM偏振反射率的重叠指出完整PBG区域的重叠。在此情况下，选择高反射率以突出带隙区域，其目的是减小PBG绝对宽度周围的任何混淆。
图28至图30(传输图曲线)表示相同旋转准晶体近似值的TM偏振模拟结果，说明在两个偏振态和所有光传播方向下一次和和二次的完整和绝对PBG(CAPBG)。
频谱分解沿不同方向传播通过点阵的光，进行传输率测量。图31中所示的频谱表示TE偏振和TM偏振的准晶体中完整光子带隙的实验证明。该实验利用聚焦1μJ的100fs脉冲产生的白光连续谱，它来自1mm厚蓝宝石中调谐到850nm的再生式放大器。利用这种高亮度超宽带激光源便于对波长从450nm到1100nm传输通过波导的高精度传输率测量。使用消色差的光学元件和仔细设计的光纤空间滤波器对于耦合到平面波导中提供极好的准直和瞄准性质。考虑到空气细孔造成的散射损耗，图31中的频谱已归一化，大致说明在短波长下的减小通过量。
图31(a)和(b)分别表示不同入射角度下TE模和TM模的高度各向同性第一光子带隙。在每个偏振态下考虑三个不同的光入射角，0°，6°和12°。测量相对于准晶体表面法线的光耦合到光子准晶体结构的角度。图31(c)表示入射光沿ΓJ方向的相同光子准晶体的实验传输率曲线图。可以清楚地看出三个锐带隙类似于预测的模拟结果。此外，应当注意，传输率曲线图有很强的调制结构，这些曲线与周期性光子晶体相关的曲线有很大的不同。这是由于在传输率曲线的精细结构中建立不规则的短程无序。此外，TE偏振和TM偏振有驻留在相同中心点的带隙，0.39a/λ，0.45a/λ和0.52a/λ，引起较大的完整和绝对光子带隙。消光比在带隙中的所有频率下大于95％，归一化宽度Δω/ω0的范围是从10％至15％。
该频谱显示与图29中所示频谱的相同精细结构，特别是预测的角度和偏振态关系。然而，在带隙的绝对位置上有一些差异。与理论比较，光子带隙的位置已位移0.45，而它们的宽度减小1/2。利用二维(2D)模型进行FDTD计算，该模型忽略平面结构中波导的实际三维(3D)性质。波矢量的面内2D分量k//与波导中三维传播波矢k的关系是非线性关系，它导致所有带隙的频移。对于具有类似性能的正常光子晶体，这是与利用平面波方法的三维模型相一致。
有关PBG性能与背景介质介电常数之间的关系，即使是非常低的折射率，例如，玻璃(n＝1.45)，和空气充填系数f＝30.0％，光子带隙保持开启。图32(a)，(b)和(c)展示在TE模下存在完整PBG，PBG的范围是从0.409a/λ至0.443a/λ，造成带隙-带隙中心比率Δω/ω0＝7.9％。高反射率的区域指出存在带隙性能，而纯传输和反射无法说明的功率可以由衍射效应说明。对于玻璃中的TM偏振态，在此情况下，图32表示沿ΓJ和ΓX方向的反射率分析。再一次选择反射率为了便于识别带隙区的位置。TM模的完整PBG是从0.416a/λ伸展到0.431a/λ，产生最小但完整的带隙-带隙中心比率Δω/ω0＝3.1％。即使完整的TM带隙是在一个小区域中伸展，它仍位于TE带隙的中间，从而提供非常有价值的CAPBG。
图32(d)表示12重对称性准晶体的玻璃材料(n＝1.45)中完整带隙作为充填系数的函数。
传输率确认，实际上以大大改进的耦合效率集成光子准晶体器件和光纤系统是可能的。这是各种新颖的有源和无源光器件的基石。由于在这种低折射率中存在CAPBG，可以设计有最大耦合效率和对偏振不灵敏的锐波导弯头和分束器。这给大规模集成光器件提供一种解决方法，其中芯层可以由二氧化硅或石英制成。
面外衍射损耗是高级PC器件中当前一个主要的障碍因素。在波导PC的设计中，包含低折射率芯层可以使PQC的性能更像一种涉及小模角度的面内结构。面外波矢分量的减小有助于消除辐射损耗。然而，芯层中的弱约束效应提供的模分布伸展到缓冲保护层。这种弱芯层约束可能对PBG性能产生不利影响，并可能导致器件有更大的损耗。为了成功地分析这种效应，要求埋入在玻璃波导中PQC的真实3D模拟。
在许多传输频谱中(如图20所示)，强调制频谱特征出现在远离光子带隙的波长处，这与正常PC形成很大的反差，正常PC在这些波长区展示光滑的频谱结构。这种频谱细节是与短程无序相关，造成准晶体特定区域中光子的强局域化。
时间平均FDTD方法用于研究光子准晶体内TE偏振模和TM偏振模的局域化。图33说明光子准晶体中TE模的约束。TE模是以波长λ＝1100nm从该结构的右侧入射。这个λ驻留在结构的带隙中。在此情况下，可以看到光的局域化主要是在高介电区。
这表示块状PQC可以给高Q微空腔模或光子局域化提供一个良好的环境。这种局域状态对于设计高效率低阈值有源器件起很重要的作用。
在光子晶体中形成光子局域化的当前可接受方法涉及引入缺陷到正常PC结构中。相关缺陷状态的性质对于制造容差是非常不灵敏的，因此，可靠的制造和高产量是非常困难的。
PQC(光子准晶体)提供这样的块状结构，它自然地展示这种状态，以及具有容易制造和再现性的优点。
此外，到PQC中缺陷状态的高耦合效率，即使在30行以上的相对长结构中也可以清楚观察到。这可以与周期性PC中单缺陷可以进行直接比较，这种缺陷有弱的耦合效率。
细孔的行数目在PQC的设计中起重要的作用，因为它直接影响带隙内波长的消光比。图34表示这种设计因子的影响。强PBG作用在厚度为17行以上的PQC中是明显的。具有小于17行细孔的结构显示较弱的带隙，但仍然给弱光子提供局域化的环境。
利用倒易点阵空间中准晶体的研究，考察准晶体的衍射性质(图35)。大的母晶胞产生十二面体布里渊区，伴随白色实线指出的不可简约三角形布里渊区。实点阵矢量伸展到图35(a)的边缘之外，它确定基本的倒易点阵矢量2π/a。图35(b)中12个中央明亮Bragg斑点确认光子准晶体的12重对称性。图35(b)说明Edwald球构造。选取中央Bragg峰值作为该构造方案的基准点。点划线圆是构造线。这些线指出连接任何明亮Bragg峰值和中心基准点的等距离路径。为了清楚起见，没有画出较弱Bragg峰值的构造线。这些线代表倒易点阵矢量kG。灰色实弧线代表波长λ＝633nm的Edwald球形段，其倒易矢量kin＝2πneff/λ。应当注意，为了更好地与实验结果一致，使用有效折射率neff＝1.98，而不是氮化硅材料的绝对折射率n。假设所有k矢量有相同的neff。由于高度各向同性的布里渊区，可以验证这种近似。灰色圆与构造线的相交点确定波长为633nm的远场衍射分布的投射角，kdiff＝kin+kG。这些是由白色实线指出的。理论上，预期这种准晶体把入射光衍射成12个光束。然而，在实际上，来自弱强度Bragg峰值的衍射光是看不见的。
制造各种参数的光子准晶体，它显示良好的再现性和稳定性。图36(a)表示典型器件的扫描电子显微镜照片，测得其间距为300nm和充填系数为28％。图36(b)表示小光子准晶体在运行中的照片。光子带隙沿水平方向驻留在照片的顶部。下方的水平边缘对应于解理的波导面。633nm的TE偏振光从照片的底部聚焦到解理波导上，然后，再垂直入射到光子带隙结构。它展示准晶体的实验远场衍射。
把衍射光束的角度与图36(b)中所示Edwald球结构预期的角度直接进行比较。
表1
  实验光束   图A7的角度   理论光束  图A2a的角度
  A，A′B，B′C，C″D   20.9，18.836.3，33.051.3，50.166.3   1234  18.034.651.367.9
表1列出633nm辐射的光子准晶体衍射的实验和理论角度.
表1说明理论衍射角和实验衍射角非常一致。这种一致说明光子准晶体的12重对称性并确认它的成功制造和衍射性质。
本发明第二个实施例
参照图37，这是以图解的形式表示有正常三角形光子晶体点阵的器件，它在预定的波长范围内展示光子带隙。
这个点阵被分成两个区域，区域1和区域2。这两个区域中的每个区域有包含一组缺陷位的子点阵，这些缺陷位是由每第四个位中一组细孔(12，22)构成，这些细孔比块状点阵中细孔有略小的直径(或有较大的细孔直径)。在光子带隙的波长范围内，它们具有引入窄缺陷模的效应。这种缺陷模的波长强烈地取决于缺陷尺寸。
图38示出了：与相邻缺陷位相关的倏逝场之间的重叠导致缺陷空腔之间的强耦合和PBG波长范围内强传输缺陷模，以及与相邻缺陷位相关的倏逝场之间无重叠导致PBG波长范围内没有传输缺陷模的情况。第一区域中缺陷12的尺寸不同于(大于)第二区域中缺陷22的尺寸，虽然每个区域内的缺陷尺寸是相同的。每个缺陷建立微空腔，它可以支持光子带隙内波长的局域模。虽然缺陷模局限于缺陷的位置，但它有与其相关的倏逝场功能(图38)，可以穿透若干行进入周围点阵(类似于量子隧道效应)。若多个相同的缺陷位引入到正常点阵中，因此，与约束模相关的倏逝场互相重叠，则微空腔变成光耦合的，光子可以从一个缺陷位跨越块状点阵转移到下一个缺陷位。在光子带隙内的波长上，传输可以跨越光子晶体。这种缺陷模的波长与缺陷的尺寸有非常大的关系。另一方面，若与相邻缺陷位相关的倏逝场之间没有重叠，则在光子带隙波长范围内没有传输缺陷模。
缺陷可以安排在光子带隙点阵内的规则图形上，或安排在随机或准随机模式。传输的效率(和速度)取决于微空腔之间的耦合效率。
在光子带隙的能量范围内，两组缺陷有效地引入传输缺陷模。然而，由于缺陷波长在结的两侧是不同的，例如，缺陷模的能级在右侧的区域2较低(图39)。
为了使光子可以从左到右传播通过该结构，这些光子必然损失一些能量(图39)。这相当于波长或颜色的变化。类似地，光子不能沿相反的方向传播，因为这就涉及到能量的少量增加(图39)。
至此我们一直认为，光子在无源材料中不会自发地改变其波长，因此不存在损耗机构。然而，我们发现，具有本发明点阵结构的材料，例如，上述的氮化硅结构(或氧氮化硅结构)，展示非线性(功率有关)波长位移效应。这种功率有关波长位移效应促使上述二极管结器件的运行。因此，通过发送高功率信号到器件的左侧区域(1)，由于该结构的非线性，可以减小缺陷模的波长(在区域1中)，允许高功率信号跨越该结并传播到器件的右侧区域(2)。
然而，若沿相反的方向发送(从区域2到区域1)，材料的非线性使缺陷模波长进一步减小，就没有调谐到区域(1)中波长的合适缺陷模，因此，传输是不可能进行的。
建立非线性所需的光功率阈值电平类似于必须加到半导体pn结上以获得电导的偏置电压。
另一种运行方法是基于有两个不同区域的光子晶体(图40)。每个区域是由无缺陷的正常三角形点阵光子晶体构成。然而，每个区域设计成有略微不同的光子带隙波长范围。(这可以通过改变点阵间距和/或细孔直径而获得)。
通过加高功率光脉冲到结的一侧，带隙的边缘产生位移。可以发生这样的情况，其中频带边缘产生位移，这些频带边缘的波长与器件中相反区域的频带边缘重合。此时，传输可以进行，从而产生二极管作用。
利用高功率的第二个激光束加光偏置到器件上，可以制成光开关，其中信号光束提供的少量额外功率可以使带隙边缘重合。带隙边缘重合不是重要的。重要的是，在加额外功率之前，信号波长应当位于一个光子带隙内，而不是另一个光子带隙内，在加额外功率时，信号波长应当脱离这两个光子带隙。
参照图41至图45，它们表示本发明各种其他的实施例。图41是基于图40所示晶体点阵结构的二极管结构，其中来自左侧的高功率输入光束提供一个输出光束，而来自右侧的高功率输入光束被阻挡。这是因为晶体点阵结构的两个区域30，32提供的两个光子带隙有略微不同的上边缘值。当高功率输入光束从左侧输入时，点阵结构30的非线性使带隙上边缘的能量向下位移，因此，输入光束的波长是在上边缘之上。所以，光的发射是在两个上边缘之上，从而提供一个输出光束。然而，来自右侧的光影响点阵结构32，使光子带隙的上边缘降低，但是，区域30中的光子带隙仍保持不变。因此光被阻挡。
参照图42，这个图有类似于图44所示的结构，但其中提供一个任何所需波长的高功率偏置光信号34，为了影响结构30而使其光子带隙降低，从而允许有信号波长的输入低功率信号36传输通过该结构，以提供一个输出光束38。这种结构提供中继或开关功能。
参照图43，它表示图42实施例中的具体形式，其中低功率信号36和高功率偏置信号34经光纤路径40，42传输到结构30，32。
参照图44，它表示采用图41中结构30，32的晶体管配置的示意图。高功率偏置光束50加到区域30上，用于调制区域30的光子带隙，从而允许部分输入光束36作为输出光束38进行发射。因此，通过细致地调节功率和信号波长的参数，功率光束50的作用是调制输出光束38的功率，其工作方式类似于晶体管。
在图45中，采用的点阵结构52包括正常三角形点阵的信号区。加到晶体结构表面上的高功率信号光束54改变光子带隙，允许光作为光束56传播通过晶体结构。
我们从实验上已确定具有类似于图40中区域1形式的晶体结构的精确特性，如图46和47所示。图46表示TE模和TM模在带隙之外的传播，即，其能量大于带隙上能级的能量，但非常接近于上频带边缘，而图47表示这两个模式在带隙上边缘能级处的传播。
在图46中，左下方的插图表示信号波长与带隙之间的关系，信号波长超过700nm，而带隙是在约600nm的区域。图46中主图是在两个不同的功率电平上比较信号激光束信号(已传输通过氮化硅波导中埋入的光子晶体结构)的频谱与参考激光束(已传输通过类似的波导结构，但其中没有埋入的光子晶体)的频谱。
可以看出，对于波长接近于上频带边缘的两个模式，当功率从低功率(如下部曲线所示)改变成高功率(如上部曲线所示)时，参考激光束的频谱性质没有什么变化。
然而，当功率从低功率改变成高功率时，传输通过的信号光束频谱形状发生很大的变化，该信号光束已传输通过光子晶体。
与参考信号比较，激光束的频谱形状变得平坦，并略微位移到较长波长上。
这种效应是由于接近于上频带边缘的局域化而使光功率密度增强。增强的光功率密度又因诱发的非线性而使氮化硅材料的有效折射率略微发生变化。这种情况又使带隙边缘位移到合适的位置。
现在参照图47，这些曲线表示光子晶体器件在光子带隙内短波长上的功率有关性能。左上方插图中表示信号波长与带隙的关系，波长值是在610nm附近。
可以看出，对于TE模，传输通过光子晶体的光束频谱在高功率和低功率下与参考频谱大致相同，虽然信号光束的频谱向长波长侧有小的位移。
对于TM模，在低功率和高功率下，参考频谱与发射的信号频谱之间有很大的差别。
在两种情况下，通过光子晶体发射的信号向长波长侧发生了大的位移。在低功率下(左下侧附图所示)，发射信号的峰值中心约为620nm。对于高功率输入信号，发射信号的波长频谱中心约为627nm。因此，在光子带隙对信号的影响下，已诱发功率有关波长变化。
这是由于高功率的光子带隙边缘发生位移引起的，位移到略微高的波长(较低的能量)。这种边缘位移是由于点阵结构的非线性引起的。应当注意，氮化硅材料本身不是非线性材料，而三角形点阵结构诱发很强线性的非线性效应。在这个技术说明书中，非线性的意思是，材料的折射率取决于所加的光信号功率。

Claims (84)

1.一种形成展示光子带隙的结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展的材料，并在所述材料中形成有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而提供一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
2.按照权利要求1的方法，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到4％以内。
3.按照权利要求2的方法，其中光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到1％以内。
4.按照权利要求1至3中任一个的方法，其中光子带隙在所有偏振态是大致相同的。
5.按照权利要求1的方法，其中准晶体展示12重对称性。
6.按照权利要求1或5的方法，其中准晶体有晶胞结构。
7.按照权利要求5的方法，其中近似值铺砌是基于相邻矩形，三角或菱形的集合。
8.按照权利要求1至3中任一个的方法，其中准晶体展示10重对称性，它是基于彭罗斯铺砌，或准晶体是基于阿基米德铺砌。
9.按照权利要求1的方法，其中该材料选自：硅、锗、氮化硅、氧氮化硅、砷化钾、磷化铟，或者这些材料的化合物或混合物，或者玻璃，或者塑料。
10.按照权利要求9的方法，其中该材料是氮化硅或氧氮化硅。
11.按照权利要求9的方法，其中该材料是石英玻璃。
12.按照权利要求1的方法，其中所述第一区域位于晶体点阵的顶点，或位于形状位置的中心。
13.按照权利要求1或12的方法，其中所述第一区域确定沿二维方向的准晶体几何形态。
14.按照权利要求1，10-12中任一个的方法，其中所述材料沿三维方向伸展，且所述第一区域沿垂直于所述二维方向的方向伸展。
15.按照权利要求14的方法，其中该材料包括光纤，且所述第一区域沿光纤长度的方向伸展。
16.按照权利要求13的方法，其中第一区域形成为沿二维方向中一个方向的互相平行长度，该长度沿第二维方向的间隔是这样的，为的是提供沿至少所述二维方向的所述光子带隙。
17.一种形成展示光子带隙的结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展并有相对低折射率的材料，折射率小于或等于3，和在所述层中形成有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
18.按照权利要求17的方法，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到4％以内。
19.按照权利要求18的方法，其中光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到1％以内。
20.按照权利要求17-19中任一个的方法，其中光子带隙在所有偏振态是大致相同的。
21.按照权利要求17的方法，其中准晶体展示12重对称性。
22.按照权利要求17或21的方法，其中准晶体有晶胞结构。
23.按照权利要求21的方法，其中该准晶体是基于一种铺砌，该铺砌包括相邻矩形，三角形或菱形的集合。
24.按照权利要求17-19的方法，其中准晶体展示10重对称性，它是基于彭罗斯铺砌，或准晶体是基于阿基米德铺砌。
25.按照权利要求17的方法，其中该材料选自：硅、锗、氮化硅、氧氮化硅、砷化钾、磷化铟，或者这些材料的化合物或混合物，或者玻璃，或者塑料。
26.按照权利要求25的方法，其中该材料是氮化硅或氧氮化硅。
27.按照权利要求25的方法，其中该材料是石英玻璃。
28.按照权利要求17的方法，其中所述第一区域位于晶体点阵的顶点，或位于形状位置的中心。
29.按照权利要求17或28的方法，其中所述第一区域确定沿二维方向的准晶体几何形态。
30.按照权利要求17，25-28中任一个的方法，其中所述材料沿三维方向伸展，且所述第一区域沿垂直于所述二维方向的方向伸展。
31.按照权利要求30的方法，其中该材料包括光纤，且所述第一区域沿光纤长度的方向伸展。
32.按照权利要求29的方法，其中第一区域形成为沿二维方向中一个方向的互相平行长度，该长度沿第二维方向的间隔是这样的，为的是提供沿至少所述二维方向的所述光子带隙。
33.一种形成展示光子带隙结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展的材料，并在所述材料中形成有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，这些区域确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n≥12，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
34.按照权利要求33的方法，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到4％以内。
35.按照权利要求33的方法，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到1％以内。
36.按照权利要求33-35中任一个的方法，其中光子带隙在所有偏振态是大致相同的。
37.按照权利要求33的方法，其中准晶体展示12重对称性。
38.按照权利要求33或37的方法，其中准晶体有晶胞结构。
39.按照权利要求37的方法，其中该准晶体是基于一种铺砌，该铺砌包括相邻矩形，三角形或菱形的集合。
40.按照权利要求33-35，37中任一个的方法，其中准晶体展示10重对称性，它是基于彭罗斯铺砌，或准晶体是基于阿基米德铺砌。
41.按照权利要求33的方法，其中该材料选自：硅、锗、氮化硅、氧氮化硅、砷化钾、磷化铟，或者这些材料的化合物或混合物，或者玻璃，或者塑料。
42.按照权利要求41的方法，其中该材料是氮化硅或氧氮化硅。
43.按照权利要求41的方法，其中该材料是石英玻璃。
44.按照权利要求33的方法，其中所述第一区域位于晶体点阵的顶点，或位于形状位置的中心。
45.按照权利要求33或44的方法，其中所述第一区域确定沿二维方向的准晶体几何形态。
46.按照权利要求33，41-44中任一个的方法，其中所述材料沿三维方向伸展，且所述第一区域沿垂直于所述二维方向的方向伸展。
47.按照权利要求46的方法，其中该材料包括光纤，且所述第一区域沿光纤长度的方向伸展。
48.按照权利要求45的方法，其中第一区域形成为沿二维方向中一个方向的互相平行长度，该长度沿第二维方向的间隔是这样的，为的是提供沿至少所述二维方向的所述光子带隙。
49.一种形成展示光子带隙的结构的方法，该方法包括：
提供一种沿二维方向伸展的材料，并蚀刻该材料以除去预定面积中的材料，蚀刻是沿垂直于所述二维方向的方向伸展的，从而确定有第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，从而确定展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙，和
其中第一区域面积与第二区域面积之比率是相对地低，它小于35％。
50.按照权利要求49的方法，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到4％以内。
51.按照权利要求49的方法，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到1％以内。
52.按照权利要求49-51中任一个的方法，其中光子带隙在所有偏振态是大致相同的。
53.按照权利49的方法，其中该比率小于或等于28％。
54.按照权利要求49或53的方法，其中所述预定面积包括所述第一区域。
55.按照权利要求54的方法，其中所述第一区域包括空气细孔。
56.按照权利要求55的方法，其中空气细孔中随后充满所需材料。
57.按照权利要求49的方法，其中准晶体展示12重对称性。
58.按照权利要求49或57的方法，其中准晶体有晶胞结构。
59.按照权利要求57的方法，其中该准晶体是基于一种铺砌，该铺砌包括相邻矩形，三角形或菱形的集合。
60.按照权利要求49-51中任一个的方法，其中准晶体展示10重对称性，它是基于彭罗斯铺砌，或准晶体是基于阿基米德铺砌。
61.按照权利要求49的方法，其中该材料选自：硅、锗、氮化硅、氧氮化硅、砷化钾、磷化铟，或者这些材料的化合物或混合物，或者玻璃，或者塑料。
62.按照权利要求61的方法，其中该材料是氮化硅或氧氮化硅。
63.按照权利要求61的方法，其中该材料是石英玻璃。
64.按照权利要求49的方法，其中所述第一区域位于晶体点阵的顶点，或位于形状位置的中心。
65.按照权利要求49或64的方法，其中所述第一区域确定沿二维方向的准晶体几何形态。
66.按照权利要求49，61-64中任一个的方法，其中所述材料沿三维方向伸展，且所述第一区域沿垂直于所述二维方向的方向伸展。
67.按照权利要求66的方法，其中该材料包括光纤，且所述第一区域沿光纤长度的方向伸展。
68.按照权利要求65的方法，其中第一区域形成为沿二维方向中一个方向的互相平行长度，该长度沿第二维方向的间隔是这样的，为的是提供沿至少所述二维方向的所述光子带隙。
69.一种展示光子带隙的结构，其中该结构包含沿二维方向伸展的材料，该材料包括：第一折射率的第一区域，第一区域被第二折射率的第二区域或多个第二区域分隔开，为的是提供一种展示长程有序和短程无序的准晶体，并展示n重对称性，其中n大于或等于2，从而建立一个至少沿所述二维方向伸展的光子带隙。
70.按照权利要求69的结构，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到4％以内。
71.按照权利要求69的结构，其中用宽度和/或带隙中心频率来表示，光子带隙在所述二维方向内的任何方向上是均匀到1％以内。
72.按照权利要求69、70或71的结构，其中光子带隙在所有偏振态是大致相同的。
73.按照权利要求69的结构，其中准晶体展示12重对称性。
74.按照权利要求69或73的结构，其中准晶体有晶胞结构。
75.按照权利要求73的结构，其中该准晶体是基于一种铺砌，该铺砌包括相邻矩形，三角形或菱形的集合。
76.按照权利要求69-71中任一个的结构，其中准晶体展示10重对称性，它是基于彭罗斯铺砌，或准晶体是基于阿基米德铺砌。
77.按照权利要求69的结构，其中该材料选自：硅、锗、氮化硅、氧氮化硅、砷化钾、磷化铟，或者这些材料的化合物或混合物，或者玻璃，或者塑料。
78.按照权利要求77的结构，其中该材料是氮化硅或氧氮化硅。
79.按照权利要求77的结构，其中该材料是石英玻璃。
80.按照权利要求69的结构，其中所述第一区域位于晶体点阵的顶点，或位于形状位置的中心。
81.按照权利要求69或80的结构，其中所述第一区域确定沿二维方向的准晶体几何形态，和n＞6。
82.按照权利要求69，77-80中任一个的结构，其中所述材料沿三维方向伸展，且所述第一区域沿垂直于所述二维方向的方向伸展。
83.按照权利要求82的结构，其中该材料包括光纤，且所述第一区域沿光纤长度的方向伸展。
84.按照权利要求81的结构，其中第一区域形成为沿二维方向中一个方向的互相平行长度，该长度沿第二维方向的间隔是这样的，为的是提供沿至少所述二维方向的所述光子带隙，且其中n大于或等于2。
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