CN1795406A

CN1795406A - 光波导结构

Info

Publication number: CN1795406A
Application number: CNA2004800141019A
Authority: CN
Inventors: 麦杰德·祖罗博; 马丁·查尔顿; 格里戈·帕克
Original assignee: Mesophotonics Ltd
Current assignee: British Virgin Islands Business Molecule Neotech Co ltd; Taiwan Branch Of Neon Technology Co ltd In British Virgin Islands
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: US7116878B2; US20040213536A1; CN100410705C; EP1625434A1; WO2004095092A1

Abstract

按照本发明的波导结构(200)包括：芯层(210)，包层(206)和缓冲层(208)。子区域(204)形成在包层(206)而不是在芯层(210)中。在一维应用中，子区域是缝隙；在二维应用中，子区域是杆。在杆或缝隙中利用空气填充或利用充填材料(例如，Si)填充。充填材料提高子区域(204)与芯层(210)之间的介电常数对比度。子区域(204)还可以形成在与芯层相邻的缓冲层部分。在缓冲层的缝隙或杆中利用空气填充或利用充填材料填充。可以确保模被基本完全地限制在芯层中，而在光子带结构区内仍然保持与场相互作用的能力。在基本不影响模限制的情况下，可以与包层(或缓冲层)中的倏逝场相互作用，而不是扰动大部分的光场(它被限制在芯层内)。

Description

光波导结构

技术领域

本发明涉及光学器件领域，具体涉及集成光路中的波导结构。

背景技术

人们越来越认识到集成光路与电路比较有若干个优点。然而，制作相对小的集成光路一直是很困难的，主要原因是很难制作包含密集弯头的波导，而没有大的信号损失。制作包含信号处理器件的集成光路也是很困难的，该信号处理器件可以容易耦合到当前的光纤中，这是由于光纤所用材料的折射率与集成光学器件所用典型材料的折射率存在差别，而仍然能够保持紧致的尺寸。

利用其周期性与光波长尺度相当的结构，可以谐振地限制和操纵光信号。当前人们感兴趣的领域是光子晶体(PC)波导结构。

光子元件可以包含在各种不同的光学系统中。合适光学系统的例子包括：电信，生物传感器和光存储媒体。

光子晶体波导结构通常是基于平面波导结构芯层中介电常数的一些扰动。这通常是由于空间周期性空气杆蚀刻通过包层进入到波导的芯层中造成的。当光传播通过芯层时，它与介电常数调制相互作用，且在某些结构中，其方式类似于半导体中的电子，禁止某种电磁场在芯层中传播。

运动通过半导体晶格的电子经受周期性电势，这是因为它们通过库仑力与晶核相互作用。这种相互作用可以形成容许能量状态和禁止能量状态。对于纯正和完善的半导体，在称之为禁止能隙的能量范围内没有电子，禁止能隙可以简称为带隙。然而，真实材料的情况是不同的：若晶格的周期性不复存在，例如，丢失硅原子或杂质原子占领硅位置，或者，若该材料包含间隙杂质(其他的原子占领非晶格位置)，则电子在带隙内可以有能量。

同样地，运动通过一块透明介质材料的光子也经受容许区和禁止区，该材料包含排列成晶格图形的若干小空气孔。光子传输通过与低折射率区(空气杆)交叉的高折射率区(芯层中的介质)。如同周期性电势会影响电子传输通过硅晶体一样，这种折射率对比度可以影响光子的运动。的确，若在两个区域之间存在大的折射率对比度，则大部分光被限制在介质材料或空气杆内。这种限制可以形成由禁止区(称之为光子带隙)分开的容许能量区。

此外，若在晶格/缝隙区中不包含某些孔/缝隙，则可以形成缺陷态波导。在WO98/53351(BTG International)中可以找到有关这类光子晶体带结构性质的更详细内容。

我们知道，一维(1D)光子晶体包含芯层材料中形成等距离空气隙的区域，从而存在光子带隙(PBG)。可以制作这样的二维(2D)光子晶体，它包含芯层材料中形成的空气孔格子，芯层材料通常是由具有光子带隙的硅制成。

PC的典型制作方法是利用PECVD或LPCVD(或离子溅射)，电子束蚀刻或图形掩模，干式蚀刻和氧化过程的组合。通常，芯层是由氮化硅(氮氧化硅或Ta₂O₅)制成，而围绕芯层的缓冲层和包层是由二氧化硅(或氮氧化硅)制成。

我们还知道在空气缝隙/杆中加入第三材料，为的是减小不共面损耗。在我们共同申请的USSN 10/196,727(2002年7月17日申请)和USSN 10/287,825(2002年11月5日申请)中更详细地讨论这些内容。

利用波长在光子带隙波长范围内的光可以使光限制在波导内。然而，我们发现光子晶体器件遭受很大的损耗，主要原因是光从波导中沿垂直方向逃逸。此外，为了在光频范围内提供强和完全的带隙，需要利用诸如硅的高折射率材料。这就很难从现有的光纤耦合光进入波导，而光纤的纤芯通常有很低的折射率。这个问题的解决需要复杂的损耗模式耦合器件。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供一种有芯层和包层的平面波导结构，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和其中第二折射率n_sub子区域形成的阵列，子区域阵列导致光子带结构区，该结构区有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场，其中子区域没有延伸进入芯层，且其中当光信号传播通过光子带结构区时，作用在该信号上的有效模折射率对比度大于0.1％。

在包层而不是在芯层中形成子区域，可以极大地减小光沿垂直方向的损耗。

仅形成包层中子区域是特别有利的，其中波导结构适合于多模光信号。在有子区域通过芯层的波导结构中，模式分布可以发生很大的变化，它取决于存在哪些模式。仅在包层中形成子区域的波导仅遇到每个模分布的倏逝尾部。倏逝尾部形状的可变性远远小于芯层中导模场分布的变化。按照本发明这方面的波导对不同模的影响有较小的变化，从而可以应用于沿多模光波导传播的信号。

倏逝场总是垂直于芯层/包层界面，从而可以精确地预测场与芯层/子区域的相互作用。

此外，在包层而不是在芯层中形成子区域可以探测长时间延迟效应的零色散点(在带的边缘)。

若波导结构是二维结构，则可以相对容易地耦合最大值和最小值(它导致零群速度)。仅在包层中形成子区域，以及场总是倏逝场并垂直于子区域的事实，意味着光子带结构的性能类似于二维结构。若蚀刻子区域进入芯层，则波导就获得特定的模式。这种特定模式以预定的有限模式角(不共面分量)传播。实际上，有限模式角改变光子带结构内光子带(及其最大值和最小值)的位置。

仅在包层中有子区域的波导是对普通单模PC波导的改进。在普通波导中，由于芯层太薄，很难实现高功率的光学应用。仅仅包层中有子区域在高功率应用中受芯层厚度的限制较小。

在平面波导结构中，局部子区域与围绕子区域的包层材料第一区之间有效模折射率对比度确定包层PC的光子带结构。有效模折射率是加权测量场限制在不同波导层中的程度。在芯层中没有光子晶体的情况下，讨论芯层与子区域之间折射率对比度是不恰当的。相反，通过比较看到波导的模与看到包层中有子区域波导的模，可以测量相对的限制度。倏逝场在子区域中被扰动，导致相邻子区域中有效模折射率的变化(见表1中工作例子的讨论)。

知道某些参数的数值(包括折射率和厚度)，可以对光在这种多层平面波导中的垂直限制做模型。具体地说，对于初始参数的任何置换，我们可以计算有效模折射率对比度的预期值。在一种用于计算有效模折射率对比度的优选方法中，利用转移矩阵理论和复数理论导出任意多层平面波导的色散关系。色散关系的奇异点对应于导模的传播特性，即，垂直限制导模的频率与波数之间的关系。知道该频率和波数，可以导出不同垂直线通过平面波导的有效折射率。有效模折射率对比度是看到从子区域离开波导的模与看到包层和/或缓冲层中存在子区域波导的相同模之间百分比差。

子区域可以排列成一维阵列或二维阵列。即使是空气填充子区域可以抑制0.1％的最小有效模折射率对比度，而利用高折射率材料形成的子区域，例如，硅，可以极大地增大有效模折射率对比度。在空气和硅的两个例子中说明有两种状态，其中子区域材料的折射率不同于波导的有效模折射率。子区域可以有高于有效模折射率的折射率，如在硅的情况下。子区域可以利用与芯层相同的材料制成，例如，氮化硅，氧氮化硅，或五氧化钽。在有效折射率远远小于芯层材料折射率的情况下，包层PC仍然起作用。通过形成薄的芯层，可以容忍芯层有效模折射率与芯层材料折射率之间巨大差别。另一种状态可以覆盖这样的情况，其中子区域的折射率低于波导的有效模折射率。同样地，在材料的折射率低于波导有效折射率的情况下，例如，空气，可以利用整个范围的材料。

按照本发明的另一方面，提供一种有芯层和包层的平面波导结构，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和其中第二折射率n_sub子区域形成的二维阵列，子区域没有延伸进入芯层，子区域阵列导致光子带结构，该结构有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场。

按照本发明的另一方面，提供一种有芯层，缓冲层和包层的平面波导结构，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和其中第二折射率n_sub子区域形成的阵列，子区域没有延伸进入芯层，子区域阵列导致光子带结构，缓冲层有第三折射率n_buffer，其中选取的包层和缓冲层材料满足n_cladding＞n_buffer，因此，光信号传播通过芯层的场分布相对于芯层是非对称的，和光子带结构区有效地扰动光信号的倏逝场。

缓冲层与包层之间的非对称性增强光子带结构对倏逝场的影响。非对称性迫使较大百分比的共面倏逝场分量进入包层。这意味着，为了产生给定的影响，需要提供比对称波导结构所需数目较少行数的杆或缝隙。

本发明可应用于连接集成光路的波导以及集成光路中使用的各种光学器件。利用本发明，可以改进玻璃状芯层中包含波导弯头的任何器件。更一般地说，本发明可以利用包层PC中存在的色散带，应用于可以全部代替功能光学元件的器件。这种器件包括：阵列式波导光栅(AWG)，Mach Zehnder干涉仪，定向耦合器，色散补偿器，分束器/复用器，偏振补偿器，光开关，光学延迟元件和滤波器。例如，在色散补偿器的情况下，包层PC的带边缘用于补偿几千米光纤，而不是利用几千米的负色散补偿光纤(DSF)。

充填子区域中有高于有效模折射率的材料，这意味着，产生电信中通常使用波长的带隙所需晶格间隙尺寸可以远远大于普通光子晶体中的尺寸。此外，在嵌入到低折射率材料的情况下(例如，玻璃状芯层材料)，子区域中填充较高折射率材料的包层PC具有完全的带隙。可以大大增加加工容差，因为子区域之间可以有较大的间隔，且每个子区域可以较大。所以，利用普通的光刻技术可以容易地制作按照本发明的波导。空气填充的子区域通常要求非常高精度的光刻技术。

附图说明

现在，参照附图详细地描述本发明的例子，其中：

图1表示按照现有技术在波导结构中嵌入光子晶体(PC)的剖面图；

图2表示在按照本发明在波导结构中嵌入包层PC的剖面图；

图3A和3B表示比较按照本发明包层PC的模式角与普通PC的模式角以及相关的色散带图；

图4A和4B表示比较PC结构的TE模模拟，(a)表示按照现有技术蚀刻10行到芯层中的模拟，而(b)表示按照本发明蚀刻200行到仅仅包层中PC的模拟；

图5表示有空气填充缝隙的1D平面包层PC波导结构；

图6表示有高于空气介电常数的充填材料填充缝隙的1D平面包层PC波导结构；

图7表示有空气填充杆的2D平面包层PC波导结构；

图8表示有高于空气介电常数充填材料填充杆的2D平面包层PC波导结构；

图9表示按照本发明另一方面波导结构中包层和缓冲层PC的剖面图；

图10表示1D平面包层PC波导结构，它有包层和缓冲层中形成的空气填充缝隙；

图11表示1D平面包层PC波导结构，它有高于空气介电常数充填材料填充的缝隙，该缝隙形成在包层和缓冲层中；

图12表示包层和缓冲层中形成有空气填充杆的2D平面包层PC波导结构；

图13表示有高于空气介电常数充填材料填充杆的2D平面包层PC波导结构，该杆形成在包层和缓冲层中；

图14表示普通对称波导的场分布与非对称波导的场分布之间比较；

图15A表示对有40个空气填充行的包层PC结构的TE模模拟；

图15B表示对有40个硅填充行的包层PC结构的TE模模拟；

图16表示利用包层PC中硅充填杆的90度弯头的紧致设计；

图17表示通过去除空气杆引入的缺陷；

图18表示通过改变一个杆蚀刻深度引入的缺陷；

图19表示如何可以沉积接触垫片到结构的顶部以调谐介电常数；

图20表示通过引入AFM尖头到一个空气杆中调谐缺陷状态的另一种方案；

图21表示图11所示的波导结构，其中各个沟道之间有偏移；

图22表示图11和21中所示波导的透射率频谱曲线图；

图23表示图13中所示的波导结构，其中各个杆之间有偏移；

图24表示图11中所示的波导结构，其中包层沟道和缓冲层沟道有不同的间距；

图25表示图13中所示的波导结构，其中包层杆和缓冲层杆有不同的间距；

图26表示图11中所示的波导结构，其中缓冲层沟道有不同于包层沟道的充填比例；

图27表示图13中所示的波导结构，其中缓冲层杆有不同于包层杆的充填比例；

图28表示有2D包层PC和1D缓冲层PC的波导结构；

图29表示双芯包层PC的波导结构；

图30表示包含适用于电信系统的光子元件的光子器件示意图；

图31表示包含适用于生物传感器装置的光子元件的光子器件示意图；和

图32表示包含适用于光学拾取单元的光子元件的光子器件示意图。

具体实施方式

图1表示在波导结构中嵌入普通PC的剖面图。普通PC波导结构100包括：大部分入射光传输通过的芯层110；芯层以上的包层106；和芯层以下的缓冲层108。子区域104延伸通过包层106，芯层110和部分地进入以下的缓冲层108。子区域中通常填充空气。

曲线112代表场分布。从左向右前进的粗箭头代表光沿芯层的传播。光沿该结构传播造成的损耗因数(由于发生在空气-介质界面的不共面损耗)是用指向芯层之外的箭头114强度表示。PC区中的模限制被极大地减小，从而增大不共面损耗。

模限制损耗是由于光在空气与介质之间界面的发散。虽然大部分光是从充填空气的子区域耦合返回后进入芯层，但是相当大部分的光没有返回。

我们还注意到，由于该结构不是对称的，且沿垂直方向的光没有被很好地限制，光容易漏出进入到缓冲层，这是因为缓冲层有较高的折射率(与空气比较)。

本申请人发现，可以确保模被基本完全地限制在芯层中，而在光子带结构区内仍然保持与场相互作用的能力。我们发现，不是扰动大部分的场(它被限制在芯层内)，而是在包层(或在缓冲层)内可以与倏逝场发生相互作用，它基本不影响模限制。仅仅在包层内形成有PC波导结构，而不必穿透芯层，可以实现这种相互作用。

图2更详细地说明按照本发明包层PC波导结构200的例子。此处，波导结构200包括：芯层210，包层206和缓冲层208。在包层206而不是在芯层210中形成子区域204。场分布212，216的变化是根据沿垂直方向的芯层/包层界面202或芯层/子区域界面204。在芯层/子区域界面204邻近，倏逝场尾部218延伸出较短的距离进入子区域媒体，这是由于单纯波导与有子区域媒体波导之间不同的场限制状态。因此，芯层/子区域界面204的存在进一步向下推场进入芯层，而仍然保持强的限制。

光沿该结构传播的损耗因数也是用指向芯层外的箭头214强度表示。可以看出，包层PC波导结构的存在极大地减小损耗因数。

此外，倏逝场的传播总是垂直于芯层/包层界面，从而给出2D共面性能。在这种包层PC结构中，倏逝场的2D扰动给出的性能更接近于导致非常长时间延迟的理论预言，其数量级是几个毫秒。

普通PC的性能主要受波导芯层中模式角的影响。模式角可以改变PC的性能，而芯层中PC的3D色散性能极大地减小通常与带隙相关的群速度极大变化。

在二维结构中，波数k有两个非零分量k_x和k_y。在最大或最小时，群速v_g(x，y)＝0。

三维结构引入另一个波导方向，从而引入k_z分量。这个k_z分量性能与频率的关系不同于k_x和k_y与频率的关系。k_z分量的性能通常类似于它是在波导中，因此，当k_z分量增大时，其频率就增大(一种由典型波导色散关系产生的现象)，从而指出v_g(z)不为零。

当k_z叠加到k_x和k_y上时，不再存在k_x和k_y，因此v_g(x，y，z)＝0，这是因为k沿z方向的色散与频率的关系总是逐渐向上倾斜，和畸变色散带(沿x和y方向)。因此，探测波导中嵌入PC的v_g(x，y，z)＝0的唯一方法是探测该结构的真正二维性质，在此情况下，场仅能够以真正2D性质传播。倏逝场仅能沿与PC杆的正交方向传播(不存在k_z分量)，因此，通过扰动倏逝场可以探测该结构的二维性质。

图3A和3B表示按照本发明包层PC(CPC)波导结构(图3B)模式角与普通PC波导结构(图3A)模式角的比较。这两个图还说明相关的色散带图，它与不同PC的最低带零色散点有关，并表示每种结构对群速度的影响。

利用CPC给出一些新的挑战。我们注意到，由于CPC的弱相互作用和场限制在芯层内，PBG就窄得多。此外，为了给出与普通PC类似的消光比，通常需要更多行空气杆。

为了说明类似于图1与图2的结构之间差别，我们进行TE模模拟。为了进行模拟。两个不同结构带隙的消光比保持相同。这可以通过普通PC(10行)和包层PC(200行)中有不同数目杆行实现。图4A和4B表示得到的透射率曲线图。在每个曲线图中，上部曲线指出允许没有PC的波导传播光的控制模拟。图4A和4B中的插图突出显示第一带隙区：在0.2与0.4的归一化频率之间。

若该结构是无损耗结构，则任一侧带隙的透射光有与控制实验相同的斜率形状，但不必是相同的绝对透射率值。在所示的条件下，可以明白至少有一个带隙。绝对透射率取决于控制实验的总长度，但不必是相同的绝对透射率值。可以清楚地看出，仅仅有10行，光在任一侧主带隙的损耗(特别是较高的频率带边缘)大于包层PC结构中200行经受的损耗。

从这些模拟中还应当注意到，与规则的PC比较，即使带隙区中的消光比不太高，和带隙本身不太宽，但是带边缘是非常尖锐和很好地被限定，因此，它可用在时间延迟元件和滤波操作的应用中(其中强色散关系用于滤波不同的波长：接近于有这种特征的带边缘区域)。

图5-8，10-13，和21-28表示按照本发明不同的平面波导结构。

图5表示本发明的第一个实施例。此处，平面波导结构500包括：基片512，缓冲层508，芯层510和包层506。波导结构的芯层510设置在包层506与缓冲层508之间。在包层506中形成互相平行沟道502的阵列，沟道502垂直对准光信号通过波导500的传播方向。沟道(或缝隙)502是由空气填充。

图6表示本发明的第二个实施例。此处，平面波导结构600包括：基片612，缓冲层608，芯层610和包层606。波导结构的芯层610设置在包层606与缓冲层608之间。在包层606中形成互相平行沟道602的阵列，沟道602垂直对准光信号通过波导600的传播方向。沟道(或缝隙)602是由高于空气介电常数的充填材料制成。

图7表示本发明的第三个实施例。类似于第一个实施例，图7所示的平面波导结构700包括：基片712，缓冲层708，芯层710和包层706的。波导结构的芯层710设置在包层706与缓冲层708之间。在包层706中形成孔或杆702的阵列。孔或杆702是由空气填充。

图8表示本发明的第四个实施例。类似于第一个实施例，图8所示的平面波导结构800包括：基片812，缓冲层808，芯层810和包层806。波导结构的芯层810设置在包层806与缓冲层808之间。在包层806中形成孔或杆802的阵列。孔或杆802是由高于空气介电常数的充填材料制成。

图9表示按照本发明另一个例子波导结构的剖面图。此处，波导结构900包括：芯层910，包层906和缓冲层908。子区域904形成在包层906而不是在芯层910中。此外，在缓冲层908中形成子区域924；同样地，子区域没有延伸进入芯层910。场分布912的变化是根据沿垂直方向的芯层/包层界面902或芯层/子区域界面904(和类似地，芯层/缓冲层界面922或芯层/子区域界面924)。在芯层/子区域界面904(924)，倏逝场尾部918(928)延伸出较短距离进入子区域媒体，因此，把场进一步推入到芯层，而仍然保持强的限制。子区域可以由空气填充或由其他充填材料填充，例如，硅。

图10表示本发明的第五个实施例。类似于第一个实施例，图10所示的平面波导结构1000包括：基片1012，缓冲层1008，芯层1010和包层1006。波导结构的芯层1010设置在包层1006与缓冲层1008之间。在包层1006中形成互相平行沟道1002的阵列，沟道1002垂直对准光信号通过波导1000的传播方向。沟道(或缝隙)1002是由空气填充。在这个实施例中，在缓冲层1008的上部1016形成互相平行沟道1004的另一个阵列。同样地，沟道1014垂直对准光信号的传播方向，且沟道(或缝隙)1014同样是由空气填充。

图11表示本发明的第六个实施例。此处，平面波导结构1100包括：基片1112，缓冲层1108，芯层1110和包层1106。波导结构的芯层1110设置在包层1106与缓冲层1108之间。在包层1106中形成互相平行沟道1102的阵列，沟道1102垂直对准光信号通过波导1100的传播方向。沟道(或缝隙)1102是由高于空气介电常数的充填材料制成。在这个实施例中，在缓冲层1108的上部1116形成互相平行沟道1114的另一个阵列。同样地，沟道1114垂直对准光信号的传播方向，且沟道(或缝隙)1114同样是由高于空气介电常数的充填材料制成。

图12表示本发明的第七个实施例。类似于第一个实施例，图12所示的平面波导结构1200包括：基片1212，缓冲层1208，芯层1210和包层1206。波导结构的芯层1210设置在包层1206与缓冲层1208之间。在包层1206中形成孔或杆1202的阵列。孔或杆702是由空气填充。在这个实施例中，在缓冲层1208的上部1216形成孔或杆1214的另一个阵列。同样地，孔或杆1214是由空气填充。

图13表示本发明的第八个实施例。类似于第一个实施例，图13所示的平面波导结构1300包括：基片1312，缓冲层1308，芯层1310和包层1306。波导结构的芯层1310设置在包层1306与缓冲层1308之间。在包层1306中形成孔或杆1302的阵列。孔或杆1302是由高于空气介电常数的充填材料制成。在这个实施例中，在缓冲层1308的上部1316形成孔或杆1314的另一个阵列。同样地，孔或杆1314是由高于空气介电常数的充填材料制成。

由于包层PC的弱扰动，需要改变波导的场分布，使更多的场被限制在包层中，而仍然保持它的倏逝性质，如图14所示。略微向上移动场进入包层还有附加的优点，它可以减小进入基片的损耗。

这可以通过增大包层材料相对于缓冲层和芯层材料的折射率实现。在一个优选实施例中，利用氧氮化硅(SiON，其折射率n_cladding～1.55)作为包层材料，而缓冲层是由二氧化硅制成，和芯层是由氮化硅制成。

由于减少场漏入到基片中，缓冲层可以设计得较薄，而仍然保持波导在电信波长区中无损耗的性质。缓冲层是如何薄取决于多个因数，例如，工作波长，以及各层的厚度和折射率。这些因数对应于上述多层平面波导的模拟参数。利用这种模拟，可以制作有减小的缓冲层厚度但仍基本保持无损耗传播的波导结构。

导模定义为多层波导结构中可以建立的模式。在电信波长下的导模条件是

n_core＞n_cladding≥n_buffer

其中：

n_core＝芯层的折射率

n_cladding＝包层的折射率

n_buffer＝缓冲层的折射率

无损耗模的条件是不同的，且只有波导中存在导模的情况下可以量化该条件，因为必须考虑各层的厚度，特别是缓冲层的厚度。若缓冲层是厚的，则波导中的导模并不向下穿透并漏入基片。此外，若芯层是薄的，则导模还扩展到缓冲层中，从而使导模的损耗更大。

我们需要注意的重要特征是，包层区中的场分布必须保留倏逝场。包层中的场分量不应当具有沿竖直方向(垂直于波导芯层的平面)的传播常数。按照这种方式，该器件保持它的共面性质。

图14表示普通‘对称’波导(其中包层和缓冲层是由相同的材料制成，例如，二氧化硅)与‘非对称’波导(其中包层的折射率大于缓冲层的折射率)之间场分布的比较。根据场的分布可以推测，在包层中现在出现增大的百分比场功率。

与对称的结构比较，利用非对称结构可以使蚀刻到包层中的空气杆/缝隙提供有较强消光比的较大带隙，这是由于较大百分比的扰动倏逝场造成杆邻近与没有杆之间有较大的有效模折射率对比度。这种器件仍然具有带隙效应，而同时保持最小的不共面衍射损耗。

CPC器件的一个缺点是波导中有效模折射率与子区域以下有效模折射率之间对比度，它与普通PC器件比较时是很小的。然而，若蚀刻的空气杆被填充高折射率材料(例如，硅)，则可以使包层的折射率(n_cladding)远远小于子区域的折射率(n_sub，对于硅n_sub＞3)；包层与子区域之间折射率对比度，即，介电常数对比度，可以向上推到非常高的值。具有高折射率充填材料的结构性能类似于有强消光比带隙和大的带隙-中间带隙比率的普通PC。这种结构的性能类似于低折射率本底材料中的2D高折射率杆PC。

为了与图4A和4B中的TE模模拟进行比较，图15A和15B分别表示对有空气杆和硅充填杆的(对称)包层PC结构的TE模模拟。较粗的线指出对完全没有PC波导所做的模拟。图15A和15B模拟蚀刻40行进入包层直至芯层的性能。如同在图4A和4B中，图15A和15B表示这种结构的透射率。可以保持该器件的损耗为最小值(与空气杆CPC中的损耗基本相同)。

Si杆CPC器件(例如，图15B中模拟的器件)还提供设计90度弯头的能力，它没有直接蚀刻通过芯层，因此，不需要深度蚀刻和复杂的硅充填高纵横比空气杆。图16表示利用硅杆包层PC的一种90度弯头紧致器件。因为该结构是基于安排成正方形晶格的高折射率杆，间距和空气充填比例可以很大，因此，可以进一步缓和利用高折射率材料充填空气杆。因为Si杆与模的有效折射率之间对比度很大，并提供所有传播方向的完全带隙，这种结构是可以实现的，正如普通的PC那样。

由于高的介电常数对比度，可以出现更多高级带隙，这在图4B所示空气杆CPC中是看不见的。

引入缺陷可以导致各种有成果的应用。如在现有技术讨论中所指出的，有许多用于引入缺陷到PC中的方法，其中大部分也适用于CPC。可以改变单个空气或硅杆的尺寸或全部去除掉(图17表示后一种情况)。还可以改变一个杆的蚀刻深度，从而提供另一种引入缺陷的方法(图18所示)。可以利用活性材料填充空气杆以引入可调谐性：活性材料包括液晶和染料。

利用多个杆可以在几个缺陷区之间形成谐振耦合。

叠加有不同间距，充填比例或晶格几何形状的规则晶格也可用于引入缺陷。

若包层足够厚，则接触垫片可以沉积在该结构的顶部(没有引入损耗)，它提供电接触点以便局部改变特定区域中介电常数，从而引入可调谐性(图19)。或者，接触点可以做得非常薄(2nm的数量级)。

通过引入第三媒体到一个空气杆以便局部改变介电常数，也可以调谐缺陷态。这可以利用AFM尖头(图20)实现。通过引入晶体到孔中以形成可调谐性，也可以实现缺陷态的调谐。或者，在孔中可以沉积染料或聚合物。诸如液晶或染料的活性材料可以使包层PC嵌入在激光中，它设计成禁止特定的激光谱线并增强其他的谱线。

可以引入缺陷以增强发射特定狭窄谱线宽度的激光。

在有包层和缓冲层子区域的实施例中，子区域不限制于有对称或相关的特性。本发明不局限于图10至13中所示包层和缓冲层子区域的置换。例如，包层子区域的间距不必与缓冲层子区域的间距基本相同；不要求包层子区域与缓冲层子区域垂直对准；也不要求缓冲层的充填比例与包层区的充填比例总是相等。的确，包层子区域或缓冲层子区域可以形成为孔或杆的阵列，而其他层子区域可以形成为互相平行沟道的阵列。或者，包层子区域可以由不同于缓冲层子区域的材料制成。

图11和13各自表示这样的方案，其中包层子区域的间距与缓冲层子区域的间距基本相同和其中包层子区域与缓冲层子区域垂直对准。还可以设想有不同间距和/或偏移间距的缓冲层子区域和包层子区域。

图21表示包层子区域和缓冲层子区域有基本相同间距的实施例。如同图11，图21表示所示的平面波导结构2100包括：基片2112，缓冲层2108，芯层2110和包层2106。波导结构的芯层2110设置在包层2106与缓冲层2108之间。在包层2106中形成互相平行沟道2102的阵列，沟道2102垂直对准光信号通过波导2100的传播方向。沟道(或缝隙)2102是由高于空气介电常数的充填材料制成。在这个实施例中，在缓冲层2108的上部2116形成互相平行沟道2114的另一个阵列。同样地，沟道2114垂直对准光信号的传播方向，且沟道(或缝隙)2114同样是由高于空气介电常数的充填材料制成。

然而，子区域2102，2114是沿光通过波导的传播方向互相偏移，偏移的距离为X。

图22表示图11和21所示波导的透射率频谱曲线。该曲线图画出透射率与归一化频率之间的关系。

图23表示包层子区域和缓冲层子区域有基本相同间距的另一个实施例，而这两个子区域互相偏移。在这种情况下，包层子区域和缓冲层子区域形成为充填材料的孔或杆。如同图13，图23所示的平面波导结构2300包括：基片2312，缓冲层2308，芯层2310和包层2306。波导结构的芯层2310设置在包层2306与缓冲层2308之间。在包层2306中形成孔或杆2302的阵列。孔或杆2302是由高于空气介电常数的充填材料制成。在这个实施例中，在缓冲层2308的上部2316形成孔或杆2314的另一个阵列。同样地。孔或杆2314是由高于空气介电常数的充填材料制成。

正如图21中一样，图23中的子区域2302，2314是沿光通过波导的传播方向互相偏移，偏移的距离为Y。

图24表示包层子区域和缓冲层子区域有不同间距的实施例。此处，平面波导结构2400包括：基片2412，缓冲层2408，芯层2410和包层2406。波导结构的芯层2410设置在包层2406与缓冲层2408之间。在有第一间距ρ₁(沟道之间特征距离)的包层2406中形成互相平行沟道2402的阵列，沟道2402垂直对准光信号通过波导2400的传播方向。沟道(或缝隙)2402是由高于空气介电常数的充填材料制成。在这个实施例中，在缓冲层2408的上部2416形成有第二间距ρ₂的互相平行沟道2414的另一个阵列。同样地，沟道2414垂直对准光信号的传播方向，且沟道(或缝隙)2414同样是由高于空气介电常数的充填材料制成。

图25表示包层子区域和缓冲层子区域有不同间距的另一个实施例。在这个实施例中，包层子区域和缓冲层子区域形成为充填材料的孔或杆。如同在图13，图25所示的平面波导结构2500包括：基片2512，缓冲层2508，芯层2510和包层2506。波导结构的芯层2510设置在包层2506与缓冲层2508之间。在包层2506中形成有第一间距ρ₁的孔或杆2502阵列。孔或杆2502是由高于空气介电常数的充填材料制成。在缓冲层2508的上部2516形成有第二间距ρ₂的孔或杆2514的另一个阵列。同样地，孔或杆2514是由高于空气介电常数的充填材料制成。

容易理解，不同的间距允许波导接收两个滤出波长，可以有效地把两个不同的PC组合成一个PC。

图26和27表示分别有互相平行沟道子区域和杆阵列子区域的“包层和缓冲层PC”波导，其中相当于子区域体积与周围层体积比率的充填比例是不同的。

图26表示包层子区域和缓冲层子区域有不同充填比例的实施例。此处，平面波导结构2600包括：基片2612，缓冲层2608，芯层2610和包层2606。波导结构的芯层2610设置在包层2606与缓冲层2608之间。在有第一充填比例的包层2606中形成互相平行沟道2602的阵列，沟道2602垂直对准光信号通过波导2600的传播方向。沟道(或缝隙)2602是由高于空气介电常数的充填材料制成。在缓冲层2608的上部2616形成有第二充填比例的互相平行沟道2614的另一个阵列。同样地，沟道2614垂直对准光信号的传播方向，且沟道(或缝隙)2614同样是由高于空气介电常数的充填材料制成。

图27表示包层子区域和缓冲层子区域有不同充填比例的另一个实施例，且其中包层子区域和缓冲层子区域形成为充填材料的孔或杆。如同图13，图27所示的平面波导结构2700包括：基片2712，缓冲层2708，芯层2710和包层2706。波导结构的芯层2710设置在包层2706与缓冲层2708之间。在包层2706中形成有第一充填比例的孔或杆2702阵列。孔或杆2702是由高于空气介电常数的充填材料制成。在缓冲层2708的上部2716形成有第二充填比例的孔或杆2714的另一个阵列。同样地，孔或杆2714是由高于空气介电常数的充填材料制成。

在本发明的另一个置换中，包层和缓冲层的阵列可以是不同类型的阵列。图28表示包层子区域形成为孔或杆的阵列和缓冲层子区域形成为互相平行沟道阵列的一个实施例。

图28中实施例的所示平面波导结构2800包括：基片2812，缓冲层2808，芯层2810和包层2806。波导结构的芯层2810设置在包层2806与缓冲层2808之间。在包层2806中形成有第一间距ρ₁的孔或杆2802的阵列。孔或杆2802是由高于空气介电常数的充填材料制成。在缓冲层2808的上部2816形成有第二间距距ρ₂的互相平行沟道2814的另一个阵列。沟道2814垂直对准光信号的传播方向，并由高于空气介电常数的充填材料制成。

根据以下描述的例子，可以进一步理解本发明的各个方面。

如以上所解释的，可以对光在多层平面波导中的垂直限制做模型。利用波导中每层折射率和厚度的数值，可以导出垂直限制导模的频率与波数之间关系，并可以导出有效模折射率n_eff的数值。然后，可以计算有效折射率变化(％_eff)作为包层和/或缓冲层中存在子区域的有效模折射率(即，垂直通过多层波导的直线下降遇到包层和/或缓冲层中的子区域)与子区域之外波导区中有效模折射率之间百分比变化。

例1表示在包层中存在空气杆时的百分比有效折射率变化。

表1

层	材料	折射率	厚度(μm)
层	材料	折射率	厚度(μm)	包层	二氧化硅	1.46	1.0
芯层	氮化硅	2.02	0.25	包层	二氧化硅	1.46	1.0
芯层	氮化硅	2.02	0.25	缓冲层	二氧化硅	1.46	15.0
基片	硅	3.46	N/A	缓冲层	二氧化硅	1.46	15.0

采用表1中给出的典型数值和材料，在λ＝1.55μm和蚀刻深度为900nm的情况下，波导区中TE0模的有效折射率是1.65277，而在杆区中是1.62335，给出的有效折射率变化％_eff是1.78％。

存在一个可能的厚度和材料置换范围，它给出所需的有效折射率变化值。也可以设想单独改变蚀刻深度。在蚀刻深度为820nm时，有效折射率变化是％_eff＝1.02％，而在蚀刻深度为445nm时，有效折射率变化是％_eff＝0.1％。

选取包层厚度正好为200nm和蚀刻深度为150nm，TE0模有效折射率在波导区是1.63802，而在杆区是1.6109，在λ＝1.55μm时给出的有效折射率变化％_eff＝1.68％。

利用充填杆，例如，硅充填杆，可以增大有效折射率变化。

例2表示在氧氮化硅制成的包层中有充填杆和缓冲层是由二氧化硅制成情况下的百分比有效折射率变化。这给出导模光信号的非对称功率分布，它在表2中表示为TE0模倏逝场的百分比(％TE0)。此处，λ＝1.55μm。

表2

层	材料	折射率	厚度(μm)	％TE0
层	材料	折射率	厚度(μm)	％TE0	保护层	二氧化硅	1.46	0.6	0.39

包层	氧氮化硅	1.55	0.8	41.85
包层	氧氮化硅	1.55	0.8	41.85	芯层	氮化硅	2.02	0.25	28.98
缓冲层	二氧化硅	1.46	15	1.68	芯层	氮化硅	2.02	0.25	28.98

为了比较，52.43％的TM0模倏逝场被限制在包层中。通过求解以下的公式1和公式2，可以计算最大的包层折射率。

公式1：TE0模

\tan (2 * \frac{2 π}{λ} * \frac{t_{core}}{2} * \sqrt{n_{core}^{2} - n_{cladding}^{2}} * (n_{core}^{2} - n_{cladding}^{2}) - (n_{cladding}^{2} - n_{buffer}^{2})) = 0

公式2：TM0模

\tan (2 * \frac{2 π}{λ} * \frac{t_{core}}{2} * \sqrt{n_{core}^{2} - n_{cladding}^{2}} * (n_{core}^{2} - n_{cladding}^{2}) * n_{buffer}^{2} - (n_{cladding}^{2} - n_{buffer}^{2}) * n_{core}^{2}) = 0

其中

λ＝工作波长

t_core＝芯层的厚度

n_coree＝芯层的折射率

n_cladding＝包层的折射率

n_buffer＝缓冲层的折射率

利用根求解算法(例如，下坡方法，Newton Raphson或半分析图解零搜索法)，可以预测最大折射率n_cladding。任何材料具有足以提供非对称模的折射率，该模在包层中形成倏逝场。若包层的折射率大于该最大值，则该包层开始引导一些光。

我们导出的公式1和公式2适用于仅有包层，芯层和缓冲层的理想结构。在这种理想结构中，平面波导结构基本上是无损耗的，且(若包层折射率保持在最大值以下)，则芯层可以限制导模。应用这两个公式到较实际的结构，其中假设基片不与有足够厚度缓冲层的芯层发生大的干涉。引入基片必然导致损耗分量。

实际结构中的导模不可避免地有一定的损耗，因为倏逝场延伸到无限远，以及相当量的模式可以耦合到基片中。应当注意，若损耗是在0.002dB/cm左右，则损耗模仍然可以传播很长的距离。

除了存在(高折射率)基片以外，形成在包层上的低折射率保护材料涂层还可以增加复杂性。甚至包层的厚度可以是确定损耗分量大小的因数。倏逝场可以耦合到保护层和/或包层，正如它可以耦合到基片一样。

理想波导结构的公式没有告诉用户所允许的包层厚度。包层的厚度可以改变高级模的性质。若包层太厚，则多余的高级导模开始出现在包层中，即使包层材料折射率低于这两个公式允许的最大折射率值。因此，必须小心地选取包层和/或缓冲层的厚度，为的是减小多余的高级模。

从以上的描述中可以明白，本发明不限于形成单个芯层。通过各层之间的置换，可以容易地设想多层平面波导的模型，其中存在两个薄的波导芯层，而仍然满足无损耗模分布的条件：n_coree＞n_cladding≥n_buffer。

图29表示按照本发明双芯包层PC波导结构2900的例子。波导结构2900包括：缓冲层2908，第一薄芯层2910A，芯层间包层2906，第二薄芯层2910B，和顶盖层2918。在包层2906而不是在芯层2910A，2910B中形成子区域2904。场分布2912的变化是根据沿垂直方向的芯层/包层界面2902或芯层/子区域界面2904。如同在单个芯层的实施例中，存在芯层/子区域界面2904把场更紧密地推入到芯层，而仍然保持强的限制。应当注意，芯层间包层2906可以由与缓冲层，顶盖层或芯层相同的材料制成。或者，芯层间包层2906可以由不同于任何其他层的材料制成。

本发明的实施例可用作许多不同应用中的光子元件。在电信系统，生物传感器装置和光学存储媒体中可以采用包含本发明元件在内的光子元件。

图30表示包含光子元件3002的光子器件3000的一般结构。所示光子器件3000适用于电信系统。光信号通常沿诸如光纤的波导结构3050传播。光子器件3000包括：至少一个Light On Light Off(LOLO)器件3004，3024；至少一个波导元件3006，3026；模式变换器3008；光子元件3002；另一个模式变换器3012；至少另一个波导元件3016，3020；和至少另一个LOLO器件3018，3022。

在把电信波导结构3050(它通常较大，约8mm直径)模变换成很小的(约1-2mm直径)平面波导模过程中，平面波导模可以以最小的损耗沿光子元件3002传播，LOLO器件3004耦合波导结构3050到光子器件3000中的其他元件。在许多情况下，几个信道需要同时处理，并提供多个光纤输入端。

在光从外波导结构3050耦合到光子器件3002之后，通常是由至少一个波导元件3006提供模的水平限制。在高折射率对比度平面材料系统中往往采用诸如肋形或脊形波导的波导元件3006。其他的波导元件包括：波导分束器和弯头。借助于这些波导元件3006(缺陷态波导，肋形波导，脊形波导，分束器和/或弯头)，来自LOLO器件3004的光是从该器件的一个区域传输到另一个区域。

要求模式变换器3008提供光从波导到光子元件3002的有效耦合。模式变换器的例子包括：锥形耦合器，多模干涉条形耦合器，和星形耦合器。有效耦合需要注意光子元件3002中合适的传播模式和角度，为的是减小从光子元件3002界面的反射和损耗。在模式变换之后，光是由光子元件3002处理和传播。

可以按照多种方式改变光子元件3002的运行，其中包括应用光控制信号和/或电控制信号。用于改变光子元件3002运行的装置在该图中是用(任选)的控制元件3010表示。合适控制元件3010的例子包括：光控制信号源，电控制信号源，和光泵，取决于光子元件的功能。

借助于另一个模式变换器3012，该模式被变换回到沿波导传播的模式。任选地，可以插入附加的光子元件3014以提供附加的功能并增大光子器件的集成能力。附加的光子元件3014可以与对应的各种连接光学元件相关，其中包括其他的波导器件和/或分束器。读者可以理解，连接光学元件本身可以制成光子元件以及连接光子元件的普通波导。该图中任选的附加光子元件特征代表至少存在一个光子元件和连接光学元件的伴随元件，为的是制成高度集成的光学器件。

最后，至少另一个波导元件3016(肋形波导，脊形波导，分束器和/或弯头)用于引导光到另一个LOLO器件3018。在这种装置中，光被耦合回到输出波导结构3060。多个波导元件3016，3020和LOLO器件3018，3022可用作去复用器。

还应当注意，另一些波导元件3016，3020和另一些LOLO器件3018，3022可以是与LOLO器件3004，3024和波导元件3006，3026相同的元件和器件。

图31表示包含光子元件3102的另一种光子器件3100的一般结构。所示的光子器件3100适用于生物传感器装置。

光子器件3100包括：至少一个Light On Light Off(LOLO)器件3104，3124；至少一个波导元件3106，3126；模式变换器3108；光子元件3102；另一个模式变换器3112；至少另一个波导元件3116，3120；和至少一个检测器3136，3134，3132。

来自光源3130的光，例如，激光器或发光器件(LED)，经对应的LOLO器件3104发射到每个波导元件3106。光的发射可以是光的端面耦合进入波导3106。同样地，波导元件3106可以包括：弯头，分束器，肋形波导和/或脊形波导。每个波导3106用于引导输入光到光子器件3100中的不同区域，其中完成不同样本的照射。

要求模式变换器3108提供光从波导到光子元件3102的有效耦合。

最好是，每个光子元件3102本身配置至少容纳一个样本的样本槽，并在光子元件3102内部完成照射。或者，光子元件3102安排成发射光进入至少一个外部生物样本3140。在一些生物装置的例子中，样本的测定不是直接照射的结果，而是通过观察光在光子元件3102中传播时与倏逝场的相互作用。

生物和/或生化样本的照射可以导致特征发光性质，例如，荧光或磷光。在优选的装置中，从每个样本发射的光是在光子元件3102的另一个部分被收集；而在外部样本装置中，从每个样本发射的光是在另一个光子元件3142中被收集。

在有其他光子元件3142的情况下，可以按照多种方式改变光子元件3102的运行，其中包括应用光控制信号和/或电控制信号。用于改变光子元件3102，3142运行的装置在该图中是用(任选)的控制元件3110表示。合适控制元件3110的例子包括：光控制信号源，电控制信号源，和光泵。

在收集光之后，该模式被另一个模式变换器3112变换成沿波导传播的模式。利用附加的集成光子元件3114，可以完成滤波和可能的波长分开操作。

然后，处理过的光信号在至少围绕另一个波导元件3116(肋形波导，脊形波导，分束器和/或弯头)被路由，用于引导光沿至少一个集成检测器3134。处理过的光可以在外部被路由，而另一些LOLO器件3118，3122提供与外部检测器3132，3136的接口。许多的应用要求使用多个检测器，为的是跨越不同的波长范围，例如，Raman光谱术，或为了区分不同的样本。

图32表示包含光子元件3202的光子器件3200的一般结构。所示光子器件3200适用于光学拾取单元，例如，光盘读出头。

光子器件3200包括：至少一个Light On Light Off(LOLO)器件3204，3224；至少一个波导元件3206，3226；模式变换器3208；光子元件3202；另一个模式变换器3212；至少另一个波导元件3216，3220；和至少一个集成检测器3234，3238。

来自光源3230的光，例如，调制激光器或LED光源，是由LOLO器件3204发射到光子器件3200。虽然没有说明，光也可以从外部波导结构耦合到光子器件3200，例如，光纤。

来自LOLO器件3204的光耦合到波导元件3206。波导元件3206可以包括：弯头，分束器，肋形波导和/或脊形波导。每个波导元件3206用于引导输入光到光子器件3200中不同区域。

要求模式变换器3208提供光从波导元件3206到光子元件3202的有效耦合。光子元件3202可以处理光，例如，它可以作为滤波器，补偿色散，聚焦，对准或调制输入的光。

在有其他光子元件3214，3244的情况下，可以按照多种方式改变光子元件3202的运行，其中包括应用光控制信号和/或电控制信号。用于改变光子元件3202，3214，3244运行的装置在该图中是用(任选)的控制元件3210表示。合适控制元件3210的例子包括：光控制信号源，电控制信号源，和光泵。

光子元件3202输出处理过的光被另一个模式变换器3212变换成沿波导传播的模式。利用附加的集成光子元件3214，可以完成滤波和可能的波长分开操作。

光传播到LOLO器件3246，其中光被聚焦到光存储媒体3240。该光被另一个LOLO器件3248收集回，其中利用至少另一个集成光子元件3244对它再进行处理。另一个集成光子元件3244包括：“积木块”元件，例如，色散补偿器，聚焦元件，滤波器和放大器。

然后，来自另一个集成光子元件3244的处理过光被耦合到至少一个波导元件3216(肋形波导，脊形波导，分束器和/或弯头)，并投射到检测器3232，3234，3236，3238，它们可以在波导平面内或在波导之外(因此需要LOLO器件3218，3222)。

可以在包层/缓冲层PC与芯层之间引入间隙。一般地说，间隙是蚀刻预定深度通过包层的结果。蚀刻操作可以是干蚀刻或湿蚀刻，虽然干蚀刻是优选的操作。蚀刻深度确定芯层与包层/缓冲层PC子区域之间最终的间隙。增加间隙相当于减小薄芯层经受的有效模折射率扰动。这可以对相同数量的杆提供较窄的带隙和较弱的消光比，从而提供精细调谐色散关系特征的附加因数。

Claims

1.一种有芯层和包层的平面波导结构，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和其中形成的具有第二折射率n_sub的子区域阵列，子区域没有延伸进入芯层，子区域阵列导致光子带结构区，该结构区有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场，其中当光信号传播通过光子带结构区时，作用在该信号上的有效模折射率对比度大于0.1％。

2.按照权利要求1的波导结构，其中第一区是由SiO₂玻璃制成。

3.按照权利要求1的波导结构，其中子区域是充填空气孔。

4.按照权利要求1的波导结构，其中子区域是由硅制成。

5.按照权利要求1的波导结构，其中子区域排列成一维阵列。

6.按照权利要求1的波导结构，其中子区域排列成二维阵列。

7.按照权利要求1的波导结构，该结构还包括：缓冲层；缓冲层包括：具有第三折射率n_buffer的第一缓冲区。

8.按照权利要求7的波导结构，其中缓冲层还包括：具有第四折射率n_fuf-sub的缓冲层子区域阵列，缓冲层子区域没有延伸进入芯层，缓冲层子区域阵列导致缓冲层光子带结构区，该结构区有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场，其中当光信号传播通过光子带结构区时，作用在该信号上的有效模折射率对比度大于0.1％。

9.按照权利要求8的波导结构，其中第一缓冲区是由SiO₂玻璃制成。

10.按照权利要求8的波导结构，其中缓冲层子区域是充填空气孔。

11.按照权利要求8的波导结构，其中缓冲层子区域是由硅制成。

12.按照权利要求8的波导结构，其中缓冲层子区域排列成一维阵列。

13.按照权利要求8的波导结构，其中缓冲层子区域排列成二维阵列。

14.按照权利要求8的波导结构，其中包层是由第一材料制成，而缓冲层是由第二材料制成，且其中第一材料的折射率大于第二材料的折射率。

15.按照权利要求1的波导结构，其中在包层中至少形成一个缺陷区，缺陷区可以传播光子带结构无阻挡的光信号。

16.按照权利要求15的波导结构，其中所述缺陷区包含包层子区域穿透第一深度进入包层的区域，且其中包层子区域穿透第二深度进入所述缺陷区之外包层区中的包层，第一深度基本不同于第二深度。

17.按照权利要求15的波导结构，其中缺陷区基本没有子区域，且其中包层子区域穿透预定深度进入所述缺陷区之外包层区中的包层。

18.按照权利要求15的波导结构，还包括：导电接触点，其中施加电势到所述缺陷区上以调谐缺陷态。

19.一种有芯层和包层的平面波导结构，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和其中第二折射率n_sub子区域形成的二维阵列，子区域没有延伸进入芯层，子区域阵列导致光子带结构，该结构有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场。

20.按照权利要求19的波导结构，其中子区域是充填空气孔。

21.按照权利要求19的波导结构，其中子区域是由硅制成。

22.按照权利要求19的波导结构，该结构还包括：缓冲层；缓冲层包括：第三折射率n_buffer的第一缓冲区。

23.按照权利要求22的波导结构，其中缓冲层包括：第四折射率的缓冲层子区域二维阵列，缓冲层子区域没有延伸进入芯层，缓冲层子区域阵列导致缓冲层光子带结构区，该结构区有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场。

24.按照权利要求23的波导结构，其中缓冲层子区域是充填空气孔。

25.按照权利要求23的波导结构，其中缓冲层子区域是由硅制成。

26.按照权利要求23的波导结构，其中包层是由第一材料制成，而缓冲层是由第二材料制成，且其中第一材料的折射率大于第二材料的折射率。

27.按照权利要求19的波导结构，其中在包层中至少形成一个缺陷区，缺陷区可以传播光子带结构区无阻挡的光信号。

28.按照权利要求27的波导结构，其中所述缺陷区包含包层子区域穿透第一深度进入包层的区域，且其中包层子区域穿透第二深度进入所述缺陷区之外包层区中的包层，第一深度基本不同于第二深度。

29.按照权利要求27的波导结构，其中缺陷区基本没有子区域，且其中包层子区域穿透预定深度进入所述缺陷区之外包层区中的包层。

30.按照权利要求27的波导结构，还包括：导电接触点，其中施加电势到所述缺陷区上以调谐缺陷态。

31.一种有芯层，缓冲层和包层的平面波导结构，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和其中形成的具有第二折射率n_sub的子区域阵列，子区域没有延伸进入芯层，子区域阵列导致光子带结构，缓冲层有第三折射率n_buffer，其中选取的包层和缓冲层材料满足n_cladding＞n_buffer，因此，光信号传播通过芯层的场分布相对于芯层是非对称的，且光子带区域有效地扰动光信号的倏逝场。

32.一种用于制造有芯层和包层的平面波导结构的方法，包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，该方法包括：

在包层内形成具有第二折射率n_sub的子区域的阵列，子区域没有延伸进入芯层，子区域阵列导致光子带结构区，该结构区有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场，其中当光信号传输通过光子带结构区时，作用在该信号上的有效模折射率对比度大于0.1％。

33.按照权利要求32的方法，其中形成子区域阵列的步骤包括：蚀刻子区域。

34.按照权利要求33的方法，其中形成子区域阵列的步骤还包括：允许空气填充蚀刻的子区域。

35.按照权利要求33的方法，其中形成子区域阵列的步骤还包括：利用折射率大于空气的充填材料填充蚀刻的区域。

36.按照权利要求35的方法，其中充填材料是硅。

37.按照权利要求32的方法，其中子区域阵列是一维阵列。

38.按照权利要求32的方法，其中子区域阵列是二维阵列。

39.按照权利要求32的方法，其中波导结构有缓冲层，缓冲层包括：第三折射率n_buffer的第一缓冲区。

40.按照权利要求39的方法，该方法还包括：

在缓冲层的上部形成第四折射率n_buf-sub的缓冲层子区域阵列，缓冲层子区域没有延伸进入芯层，缓冲层子区域阵列导致缓冲层光子带结构区，该结构区有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场，其中当光信号传输通过光子带结构区时，作用在该信号上的有效模折射率对比度大于0.1％。

41.按照权利要求40的方法，其中形成缓冲层子区域阵列的步骤包括：蚀刻缓冲层子区域。

42.按照权利要求41的方法，其中形成缓冲层子区域阵列的步骤还包括：允许空气填充蚀刻的缓冲层子区域。

43.按照权利要求41的方法，其中形成缓冲层子区域阵列的步骤还包括：利用折射率大于空气的充填材料填充蚀刻的缓冲层子区域。

44.按照权利要求43的方法，其中充填材料是硅。

45.按照权利要求40的方法，其中缓冲层子区域阵列是一维阵列。

46.按照权利要求40的方法，其中缓冲层子区域阵列是二维阵列。

47.按照权利要求39的方法，其中包层是由第一材料制成，而缓冲层是由第二材料制成，且其中第一材料的折射率大于第二材料的折射率。

48.按照权利要求32的方法，该方法还包括：在包层中至少形成一个缺陷区的步骤，缺陷区允许传播光子带隙结构区无阻挡的光信号。

49.按照权利要求48的方法，其中至少形成一个缺陷区的步骤包括以下子步骤：

在缺陷区形成第一深度的包层子区域；和

在所述缺陷区之外的包层区形成第二深度的包层子区域，第一深度基本不同于第二深度。

50.按照权利要求48的方法，其中缺陷区基本没有子区域，且其中包层子区域穿透预定深度进入所述缺陷区之外包层区中的包层。

51.按照权利要求40的方法，还包括提供导电接触点的步骤，它施加电势到所述缺陷区上以调谐缺陷态。

52.一种用于引导光信号的方法，包括步骤：传输光信号通过包含芯层和包层的平面光波导结构中波导区，

其中包层包括：第一折射率n_cladding的第一区，和第二折射率n_sub的子区域阵列，子区域没有延伸进入芯层，和

其中子区域阵列在包层内形成光子带结构，其中第一折射率n_cladding与第二折射率n_sub之间对比度可以有效地扰动光信号传播通过芯层的倏逝场尾部。