CN1288460C - 带隙光波导的优化缺陷 - Google Patents

Abstract

本发明报道了一种光子学晶体禁带波导。它有这样的物理结构，它包括光子晶体晶格和形状可选的缺陷，可以选择缺陷的形状从而最好的把模式能量限制在缺陷里。缺陷的边界有一个与它相关的特征值，此特征值和光子禁带晶体间距之间的比值可以选择，从而可以抑制存在于特定配置的光子禁带晶体波导里的表面模式。本发明提到的实施例被报道和描述成这样的形态，它具有圆形和六边形横截面形状的缺陷；并且报道和描述了一种制造此种光子禁带晶体波导的方法。

Description

带隙光波导的优化缺陷

本申请要求于2001年3月21日提交的、美国临时专利申请60/277,312的利益和优先权。

发明背景

1.发明领域

本发明主要涉及光子晶体带隙波导，尤其涉及一种有低折射率芯区的光子晶体带隙波导。本发明也涉及一种制造有低折射率芯区的光子晶体带隙波导的方法。

2.发明背景

关于通过全反射的方法在一种材料内部传导光的知识在物理学里是陈旧的，这种用全反射传导光的方法的一个缺点恰好来源于全反射原理。这是因为全反射发生在两种不同折射率材料的界面。在折射率较大材料中传输的光在与折射率较小材料的界面处被反射(如果入射角大于临界角，全部被反射)。这样，全反射机理导致光被限制在高折射率材料中。高折射率材料的特征是有较高的密度，由此它具有高非线性效应和由于瑞利散射导致的高损耗特征。可以设计有相对较大有效面积的全反射波导来减小非线性效应。虽然，设计时增加芯区折射率剖面的复杂度可以提供大的有效面积。但是这种复杂度通常转化为高成本。

最近，衍射被研究用作在材料内部传导光的方法。在一个光传导建议中限制机制是衍射原理，其中的传输光的材料也就是光波导的芯区可以有低的折射率，因此也就有低的密度，实际上，利用一种气体或者真空作为波导芯变成了现实。

一种独特的结构非常适合于作为衍射型的光波导，它就是光子带隙晶体。光子晶体本身是一种由特征物构成的规则晶格，特征物的间隔具有被传导光波长的数量级。光子晶体可以这样构成，有第一折射率的第一种材料，在其中以规则晶格或阵列的形式嵌入有第二折射率的第二种材料。这是基本的光子晶体结构。在此基本设计上的变型，可以包括：用两种以上的材料来构成光子带隙晶体，晶格结构细节的有用的变型的数目也是很大的。基本光子晶体的结构里，第二种材料可以简单的是形成于第一种材料的微孔或者空洞。由于材料间的折射率差异和空间排列以及嵌入的部件的间距(部件之间的中心到中心的距离)，光子晶体将不会传输某个特定波长段里的任何一种波长的光。这就是所说的此种光子晶体的“带隙”，它是这种用来限制光的光子晶体的特性。由于这种特性这种结构被命名为光子带隙晶体。

为了形成光波导(或者更加广义的，一种传导电磁能量的结构)，一个缺陷被形成在光子带隙晶体里。缺陷是一种晶格结构里的不连续结构，它可以是晶格间距的改变，或者是一部分晶格被一种不同折射率材料替代的替代物，或者是去掉一部分光子带隙晶体材料的产物。可以选择缺陷的形状和尺寸，从而使缺陷产生或者支持光子晶体带隙范围内的光的一种传输模式，而光子晶体不传输缺陷产生的模式。对照全反射光波导，缺陷作用相当于波导芯，光子带隙缺失晶体作用相当于包层。然而，此种波导的机制允许芯区有非常低的折射率，这样可以实现低损耗和小的非线性的优点。

因为光子带隙晶体波导的潜在优势，有必要对可以产生可用波长光传输模式的缺陷结构进行认识，并且此种模式要能够被有效地传输一定的距离。进一步，有必要对是否光子带隙晶体波导缺陷结构的存在会使此种波导传输光信号到满足电信系统的要求距离进行研究。

光子带隙晶体波导其他的用途包括传输与用于切割或焊接材料同功率级别的高功率电磁能量。

发明概述

本发明的一个方面讲的是光子带隙晶体光波导，它包括有一个带隙的光子晶体。典型的，光子带隙晶体的性质由间距即相同部件之间中心到中心的距离决定。部件构成光子晶体的晶格。并且光子带隙晶体还有一个缺陷，它是规则的晶格的中断或者不连续结构。缺陷的性质由它的边界决定，边界封闭了缺陷的横截平面。封闭边界是平面上光子带隙晶体结构与缺陷邻接点的轨迹。缺陷的特征长度尺寸垂直于横截平面的。这里描述的光子带隙晶体波导结构是这样的，缺陷的长度尺寸沿着光子带隙晶体延伸，因此一个缺陷首尾是连通的。

缺陷的边界可以用一个数值来表征，它可以带长度单位，这个数值可以是比如半径，如果缺陷的横截面是圆形，也可以是横截面上边界上一个点到一个部件的距离(比如几何中心)，或者是边界的周长。树值表征的缺陷边界具有限制缺陷产生(被支持)的模式的功能，此模式的波长在光子带隙晶体波导的带隙范围内。进一步，可以选择此数值与光子带隙晶体波导的间距之间的比例，从而抑制带隙表面模式的激发。

如果缺陷边界和光子带隙晶体波导的间距使得表面模式被激发或支持(存在)，则沿着缺陷传播的光功率的很大份额将不再局限在缺陷里，表面模式至少会有一部分将在光子带隙晶体本身材料里传输。这样，光功率的分布将不会有效地实现由于光子带隙晶体波导低折射率芯的优势。

在根据本发明这一方面的实施例里，缺陷具有圆形的横截面并且特征值是圆形的半径，半径和间距的比例在0.75到1.15之间。

在根据本发明这一方面的另一个实施例里，半径和间距的比例在1.3到1.5之间。在另一个有圆形截面缺陷的实施例里，半径和间距的比例在1.7到2.1之间。当比例在上述实施例给出的范围之间时，表面模式将会出现，从缺陷带出光功率。

本发明的这一方面和其中的实施例可以方便的用缺陷表征，此缺陷是一个位于此光子带隙晶体中的部分的或者完全的空洞(void)。两种情况中的另外一种是，如果本发明的这一方面和其中的实施例可以方便的用缺陷表征，其中的缺陷是一个位于此光子带隙晶体中的部分的或者完全的材料区域，其中材料的折射率至少低于构成此光子带隙晶体晶格的材料中的一种材料的折射率。正如在本领域为大家所熟知的，光子带隙晶体的晶格至少由两种不同折射率的材料构成。

在一种根据本发明的第一方面的单模波导实施例中，光子带隙晶体包含有空气。例如，晶格可以是空洞或者微孔的对称的空间排列，空洞或者微孔由材料比如二氧化硅形成，在本领域为大家所熟知的用于构成光子带隙晶体的材料在许多著作里有描述，比如《光子晶体：形成光子流》J.D.Joannopoulos，等人；普林斯顿大学出版社出版，普林斯顿，1995。构成光子带隙晶体的空气的体积分数可以是一个定值或者一个范围值，空气的体积分数这个术语指的是晶体中空气的体积和整个晶体的体积的比值。构成光子晶体的微孔的体积分数也是一个有用的测量值，在这种情况下，微孔可以被充满空气，或被抽空，或者被充满一种具有预先指定折射率的材料。

在根据本发明的一种实施例里，空气的体积分数不小于0.67，缺陷的横截面为圆形并且表征缺陷边界的数值是圆形截面的半径。为了实现在缺陷里传输的光模式功率占总传输模式功率的比例不小于0.5(模式的功率份额)，半径和间距之间的比值应在0.61到1.22之间。为了实现在缺陷里传输的光模式功率占总传输模式功率的比例不小于0.8，半径和间距之间的比值应在0.8到1.16之间。

在具有圆形横截面缺陷并且空气的体积分数不小于0.83的光子带隙晶体里，缺陷里的模式的功率份额可以做到不小于0.9，其半径和间距的比值在1.07到1.08之间。这个根据本发明的波导的特定实施例是单模的。

根据本发明这一方面的又一个实施例里，缺陷横截面是一个六边形横截面空洞，此光子带隙晶体包括的微孔的体积分数不小于0.67。与缺陷有关的特征值是一条从六边形中心到六边形一条边的垂直直线的长度。对于缺陷里的模式功率份额不小于0.6的情况，特征值与间距的比值在0.9到1.35的范围内。对于缺陷里的模式功率(模式功率限制分数)不小于0.8的情况，特征值与间距的比值应在1.45到1.65之间。

本发明的第二方面是一种制造光子带隙晶体光波导的方法。根据本发明的制造方法包括以下步骤，a)制作具有一定间距的光子带隙晶体；然后b)在晶体里形成缺陷。缺陷具有封闭缺陷横截面的边界，并且缺陷的长度垂直于缺陷的横截面。缺陷可以位于晶体的内部，或者部分的位于晶体内部。缺陷的边界可以用一个特征值来表征，可以选择边界使缺陷产生的(或支持的)定域模式的波长在光子晶体的带隙波长范围内。并且选择表征缺陷边界的特征值和光子带隙晶体间距之间的比值，从而抑制带隙表面模式的激发。

根据本发明的一种实施例，通过去处光子带隙晶体的一部分物质来形成缺陷。这样，缺陷是晶体里的一个空洞。

制造此种晶体的另外一种实施例，是在一种材料里形成小孔(pores)或者空洞。对这个实施例的进一步限制是，小孔或者空洞的体积占晶体总体积的比例要不小0.67，并且最好不小于0.83，

本发明的其他特点和优势将会在下面进行详细描述。其中的一部分对本领域的熟练技术人员通过这里的描述之后将会是显而易见的，或者通过按照这里的描述，包括下面的详细描述，权利要求书以及附图实现本发明从而认识到。

不过要清楚前面的概括描述和后面的详细描述都只是本发明的一种表述，并且都是为了提供一个总的看法或者框架，从而有助于理解本发明的本质和特点。附图也是为了更好的理解本发明，附图被加进来并组成了本说明书的一部分，附图描述了本发明的不同实施例，它和文字说明一起阐述了本发明的原理和具体操作。

附图概述

图1描述了一种有圆形横截面缺陷的光子带隙晶体。

图2描述了一种有圆形横截面缺陷的光子带隙晶体。

图3描述了一种有圆形横截面缺陷的光子带隙晶体。

图4是一份图表，说明在有圆形横截面缺陷的晶体中，局限于缺陷里传输的光模式的功率份额相对于特征值和间距比值之间的关系。

图5描述了一种有六边形横截面缺陷的光子带隙晶体。

图6描述了一种有六边形横截面缺陷的光子带隙晶体。

图7描述了一种有六边形横截面缺陷的光子带隙晶体。

图8是一份图表，说明的是有六边形横截面缺陷的晶体中，局限于缺陷里传输的光模式的功率份额相对于特征值和间距比值之间的关系。

图9是一幅有圆形缺陷的光子带隙晶体的横截面电子显微镜扫描图。

图10是一幅有圆形缺陷的光子带隙晶体的横截面电子显微镜扫描图。

图11是关于有缺陷的光子带隙晶体中模式能量分布的插图，一幅显示的是限制在缺陷里的一种模式占有很大的能量份额的情形，一幅显示的是表面模式的情形。

发明的详细描述

现在开始对这里选择的几种本发明的实施例进行详细的注解，其中的例子在附图里插图说明。任何可能的地方，相同的注解数字在全部的附图里被用来指示相同的或者类似的部位。本发明的光子带隙晶体波导的一种有代表性的实施例如图1显示，它是波导结构的端面视图。在插图里，光子带隙晶体北描述成明亮颜色的圆柱状晶格3被嵌入到用黑暗区域表示的材料中，此种材料被每一个圆柱体包围。虽然重复的部件圆柱体3，图上显示的是它有圆形的横截面，但是实际上它们的横截面可能是更一般的形状，包括多边形，椭圆，或者不规则形状。光子带隙晶体10的间距是如直线4显示的，直线4是相邻的最近的部件中心之间画的一条直线，在这种情形里部件是圆柱体。光子带隙晶体的缺陷12被描述成拥有圆形的横截面，其半径如2所示。正如光子带隙晶体的部件一样，实际缺陷的横截面也是可能有更一般的形状，并且提供本发明中光子带隙晶体波导所要求的性能。缺陷12的长度在垂直圆形截面的方向上延伸到光子带隙晶体里。缺陷与光子带隙晶体之间的边界是一个圆形，与边界有关的特征值是半径2。半径2与间距4之间的比值在一定范围内，从而可以抑制光子带隙表面模式的激发。

表面模式可以存在于光子带隙晶体与其中的缺陷之间的边界里，这个发现是设计与制造在电信环境下有效和适用的光子带隙晶体波导的关键。同样也是在传输高功率电磁波能量环境下此种晶体波导的设计与制造关键。

为了计算光子带隙晶体波导存在的模式以及模式功率的分布，一定要求解电介质里的麦克斯维尔矢量波方程。一个有用的这种波方程是上面参考引用的Joannopoulos等人的著作里11页的方程(7)。求解这种governing方程的方法在本领域里是为大家所熟知的，并且在出版物：Steven G.Johnson andJ.D.Joannopoulos《Block-iterative frequency-domin methods for Maxwell’sequations in a planewave basis》Optic Express8，no.3，173-190(2001)里有例子。在此著作中，作者概括他们的工作为：“使用免费的软件包，通过使基于平面波的体瑞利系数的预定共轭系数最小化，计算具有周期性边界条件的麦克斯韦方程的全向量特征值。”他们免费的软件包为MIT Photonic-Bands Package，作者为Steven G.Johnson和J.D.Joannopoulos，在因特网的校园网站http://ab-initio.mit.edu/mpb可以下载.

对图1显示的光子带隙晶体的计算结果为如图4显示的曲线片段14。图4的垂直轴表示的是限制在光子带隙晶体波导缺陷里的模式功率的份额，水平轴表示的是缺陷半径(边界的特征值)与间距的比值。曲线片断14表明缺陷里的功率份额在比值大约是1的时候有最大值。曲线14上离最大值较近的最小值位于比值为1.3处，此时对应的几何形状的缺陷支持也就是传输表面模式。换句话说，这种缺陷的几何形状允许带隙表面模式的激发。

图2显示的本发明的实施例与图1显示的实施例本质相同，除了图2中的缺陷12的特征值与间距的比值是1.5。图2中的光子带隙晶体的传输特性如图4中的曲线片断16所示。图2显示的实施例中，曲线片断16表明缺陷里的功率份额在比值大约是1.5的时候有最大值。曲线16上离最大值较近的最小值在比值为1.6附近，此时对应的光子带隙晶体的配置支持或者允许一个或多个带隙表面模式的激发。

如果比值连续增加，也就是缺陷的尺寸变大及边界在光子带隙晶体内部向外扩展，限制在缺陷内部的模式的功率份额连续通过邻近的最大值和最小值。图3显示的本发明的一个实施例，它的缺陷半径和间距的比值是2，比值2对应于图4显示的曲线片段18的最大值，曲线片段18对应于图3显示的光子带隙晶体。

为了得到想要的定域模式功率的份额，允许的比值范围可以从图4中的适当的的曲线14，16或者18上读出。根据本发明的光子带隙晶体的实施例中比值最小的实施例是图1所描述的，此实施例的波导是单模的并且为了限制在缺陷里的模式的功率份额最佳比值在0.8附近。如果缺陷的半径2增加则受限的功率份额将会变高并且其他的模式将会在缺陷里传输。

根据本发明的光子带隙晶体的其他的实施例，如图5-7所描述，它们有六边形的缺陷20。这些实施例里的每一种光子带隙晶体10与图1-3中的晶体本质是相同的。图5所示的晶体的特征值22与间距的比值大约是1，这里的特征值定义为一条从六边形中心到六边形一条边的垂直直线的长度。图6和图7所示的例子中，各自的特征值22与间距的比值分别为1.5和2.0。图表8显示的是限制在缺陷里的模式能量份额。曲线片段24有一个限制在0.8附近的最大值并位于比值1.2附近。另外一个最大值的限制份额在0.9附近如曲线片段26所示，并且最大值在比值大约为1.5处发生。

本质上可以对任意配置的拥有任意形状缺陷的光子带隙晶体进行相似的计算。

光子带隙晶体波导可以用在本领域为大家所熟知的制造方法中的任意一种来制造，此方法将允许熟练的实现者制造的光子带隙晶体的部件有宽的形状范围的，并且缺陷的横截面也是同样的。

一种有代表性的光子带隙晶体的制造方法包括这样的步骤，排列一定数量的空棒成一捆束，空棒由内半径和外半径表征，并且光子带隙晶体的间距是捆束里相邻的最近的空棒中心之间的距离。空棒最好是由硅基玻璃构成。可以把空棒放进一个管子里从而保持它们的位置，或者用绑扎，或者用热处理。比如上面所说的捆束可以在一个固定设备里被保持同时组件空棒被充分的加热以使它们相互的粘接起来。一种玻璃原料也可以用来把空棒焊接到要求的位置。用这种方法制作的光子带隙晶体的间距可以被减小到所要求的值，通过对空棒捆束加热并拉丝，与玻璃预制棒被加热并被拉制成波导纤维的方法类似。要清楚玻璃空棒可以被作成内部横截面有宽的形状范围而同时外部截面也有宽的形状范围的形状，例如一种空棒有六边形的内部截面和圆形的外部截面。图1到3和图5到7所示的光子带隙晶体可以用有圆形内部截面和圆形外部截面的空棒制作。

光子带隙晶体的缺陷的制作可以用一个固定设备，此固定设备本质上可以有任意的横截面形状，空棒围绕着这个固定设备装配。作为制作缺陷的二选一的方法是，空棒可以简单的不要装配，另外一种二选一的方法是，当空棒捆扎好后可以用蚀刻或者机械的方法形成缺陷。

一种二选一的制作光子带隙晶体的方法是挤出。在这种情况下，通过使用正确地模具，形成光子晶体结构和缺陷，而无需焊接这一步骤，以及保持管或者固定设备，或者形成缺陷的固定设备。挤出的光子带隙晶体波导可以被看作是波导纤维的预制棒，可以通过拉制来获得要求的间距和缺陷的要求的特征值。

图10和图9显示的是光子带隙晶体波导横截面的电子显微镜扫描图象，此种晶体是用这样一种方法制作的，围绕着一个中心管排列空棒并被封闭在一个外管内。空棒的内截面和外截面都是圆形。

图11给出了光子带隙晶体波导里模式能量分布的计算结果的插图说明。模式能量分布28是一种根据本发明的分布。中心黑暗区域的分布28描述了模式能量在缺陷中心的集中。分布28显示了大量份额的模式能量限制在缺陷里。相反的，模式能量分布30是表面模式的性质，表面模式也就是一种存在于缺陷和光子带隙晶体主体交界面以外的模式。模式能量分布30显示出大量的能量在缺陷外传输，这样对实现低的损耗和小的非线性效应没有任何好处。

实现本发明各种型和改进对本领域的熟练技术人员将会是很容易的，但是这些变型将不会离开本发明的精神实质和范畴。这样，从这种意义上说本发明包括附带权利要求书提供的范畴内的本发明的各种变型和改进以及它们的等价物。

Claims (3)

1.一种光子带隙晶体光波导，它包括：

光子带隙晶体，它具有由特征物构成的晶格和一间距，所述间距是两个相邻特征物之间的中心距；

缺陷，此缺陷的边界封闭了一横截平面以及垂直于所述横截平面的长度，并且所述缺陷边界用一个表示边界尺寸的特征值来表征；其中，

所述特征值经选择使得所述缺陷产生的定域模式的波长在所述光子带隙的波长范围内传播，并且，

所述缺陷之特征值与所述光子带隙晶体之间距的比值被选择成避免在光子带隙内激发表面模式，所述光子带隙晶体具有微孔，所述微孔相对所述光子带隙晶体的体积分数不小于0.83。

2.如权利要求1所述的光子带隙晶体光波导，其特征在于，

所述缺陷是一个具有六边形横截平面的空洞，被限制在所述空洞里的模式功率份额不低于0.6，并且所述特征值是从六边形中心到其一条边的垂直距离，并且，

所述特征值与间距之间的比值在0.9到1.35的范围内。

3.如权利要求1所述的光子带隙晶体光波导，其特征在于，所述缺陷包括一种材料，所述材料的折射率低于所述光子带隙晶体中至少一种材料的折射率。

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