CN1812211A - 基于二维光子晶体的光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于二维平面薄膜光子晶体的光二极管及其制备方法。属于光二极管技术领域。该光二极管包括一二维光子晶体和一可实现频率转换的晶体，二维光子晶体和实现频率转换的晶体通过波导连接。实现频率转换的晶体可以是普通的非线性倍频晶体，也可以是另一个二维光子晶体。如果入射激光正向传输，则入射光首先在现频率转换的晶体中发生倍频效应，产生的二倍频光可通过波导进入光子晶体，如果入射光反向传输，则入射激光首先进入光子晶体，由于光子带隙的作用，入射激光被全部反射回来而不能通过光子晶体，由此实现单向导通的光二极管。本发明制备简单、使用和测量方便，易于集成。

Description

基于二维光子晶体的光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于光二极管技术领域，具体涉及一种基于二维光子晶体的光二极管及其制备方法。

背景技术

光子晶体类似于半导体材料具有电子能带，也具有导带和禁带(光子带隙)。光子晶体又称光子带隙材料，是由一种或者多种介电材料所构成的、介电常数在空间周期性变化的一种人工设计的晶体。空间周期性分布的介电常数对入射光波的调制作用就形成了光子带隙(禁带)，波长(或者频率)落入光子带隙内的光将被全部反射回去而不能透过光子晶体。利用光子晶体的光子带隙，能够实现对光的传输过程进行有效的人为控制，因而在集成光子器件和光通信领域具有非常广泛的应用。基于光子晶体的光二极管是一种重要的集成光子器件，在光通讯、光计算和光信息处理等领域有着非常重要的应用。因此，早在1994年，M.Scalora就提出了一种利用一维光子晶体来实现光二极管的思想，提出把多种介电薄膜材料周期性排列形成一维光子晶体，并且使这些介电薄膜材料的介电常数依次递增0.01，就可以实现对光的单向导通的控制作用(文献1，M.Scalora，J.P.Dowling，C.M.Bowden，and M.J.Bloemer，“The Photonic Band Edge Optical Diode”，J.Appl.Phys.1994，76(4)：2023-2026；文献2，M.Scalora，and M.E.Crenshaw，“A BeamPropagation Method that Handles Reflections”，Opt.Commun.1994，108(1)：191-196)。随后，M.D.Tocci提出可以利用半导体搀杂技术来实现多种半导体薄膜材料的折射率依次相差0.1的思想，并模拟计算了这种一维光子晶体光二极管对光传输的控制作用(文献3，M.D.Tocci，M.J.Bloemer，M.Scalora，and J.P.Dowling，“Thin-FilmNonlinear Optical Diode”，Appl.Phys.Lett.1995，66(18)：2324-2326)。但是，在实验上实现具有相同的介电特性和微小折射率差别的多层介质膜是非常困难的。因此，到目前为止，对光子晶体光二极管的研究工作仍主要集中在理论研究方面(文献4，A.Huttunen，P.Torma，“Band Structure for Nonlinear Photonic Crystals”，J.Appl.Phys.，2002，91(7)：3988-3991；文献5，B.S.Song，T.Asano，Y.Akahane，Y.Kanaka，and S.Noda，“Transmission and Reflection Characteristics of in-Plane HeteroPhotonic Crystals”，Appl.Phys.Lett.，2004，85(20)：4591-4593)。最近，S.O.Konorov依据光子晶体光纤的自相位调制效应，利用两段光子晶体光纤实现了全光二极管(文献6，S.O.Konorov，D.A.S.Biryukov，I.Bugar，M.J.Bloemer，V.I.Beloglazov，N.B.Skibina，D.Chorvatjr.D.Chorvat，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Experimental Demonstration of a Photonic-Crystal-Fiber Optical Diode”，Appl.Phys.B，2004，34(4)：1417-1420；文献7，D.A.S.Biryukov，A.B.Fedotov，S.O.Konorov，V.P.Mitrokhin，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Photonic CrystalFiber Optical Diode”，Laser Phys.2004，14(5)：764-766)。但是，这种方法存在很大的缺陷：一是对光子晶体光纤参数的精度要求非常严格；二是光子晶体光纤的拉制过程不易调控，很难制备出符合设计参数要求的样品；三是需要较长尺寸的光子晶体光纤，其长度通常在几十厘米、甚至米的量级，难以集成化。这就极大地限制了光子晶体光二极管的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中光二极管制备过程复杂、难以调控的缺点，提供一种基于二维光子晶体的光二极管，制备简单、使用和测量方便，易于集成。

本发明的技术内容：一种基于二维光子晶体的光二极管，包括一二维光子晶体和一可实现频率转换的晶体，二维光子晶体为一刻蚀有周期性分布空气孔的一层介电薄膜，二维光子晶体和实现频率转换的晶体通过波导连接。

实现频率转换的晶体可以是普通的非线性倍频晶体。

实现频率转换的晶体可以是二维光子晶体。

对于入射光位于可见光波段时，选用铌酸锂(LiNbO₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、掺鈰钛酸钡(Ce:BaTiO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)等对可见光透明的材料作为光子晶体的介电薄膜；入射光位于红外波段时，选用砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)等对红外光透明的材料作为光子晶体的介电薄膜。

一种基于二维光子晶体的光二极管的制备方法，其步骤包括：

(1)在一层介电薄膜上分别刻蚀出两个二维光子晶体的周期性分布空气孔；

(2)一个光子晶体的周期性孔的晶格常数为入射光的波长比两倍的有效折射率，孔的半径为1/3晶格常数；

(3)另一个光子晶体的周期性孔的晶格常数 $a=\frac{\mathrm{m\λ}}{2(n_2-n_1)}$

其中，m为准相位匹配的阶数，λ为基频光波长，n₁为基频光的折射率，n₂为倍频光的折射率，孔的半径 $r=\frac{1}{4}a.$

介电薄膜的厚度可为200-600nm。

所述周期性空气孔可为正方形分布。

本发明的技术效果：利用二维光子晶体的半导体材料(或者铌酸锂LiNbO₃)自身的二阶非线性光学效应，使得正向(从左向右)传输的光首先在实现频率转换的晶体中发生倍频效应，其倍频光能够通过光子晶体，而反向(从右向左)传输的光不能通过二维光子晶体，直接被光子晶体全反射回来。由此，实现对传输光的单向导通的控制作用，从而提供一种二维光子晶体作为光二极管的应用。其具有以下优点：

1、通过改变晶格常数、微腔半径等结构参数，采用微加工技术制备不同波段的二维非线性光子晶体，可以实现从可见光到光通讯波段的二维光子晶体光二极管。

2、光子晶体倍频效应的响应速度在fs量级。

3、本发明的光子晶体制备简单，使用和测量方便，非常利于集成。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1是本发明的二维光子晶体示意图；

图2是本发明光二极管应用的装置示意图；

图3是本发明实施例1中的光子晶体II透过谱曲线；

图4是本发明实施例3中的光子晶体II透过谱曲线。

图面说明：

1-二维平介电面薄膜；2-光子晶体I中的孔；3-光子晶体I的晶格常数；4-光子晶体II的晶格；5-光子晶体II中的孔；6-波导；7-激光器；8-会聚透镜；9-会聚透镜；10-收集透镜；11-单色仪；12-光电倍增管；13-示波器；14-激光二极管；15-锁相放大器；16-斩波器；17-计算机。

具体实施方式

本发明基于二维光子晶体的光二极管是由一二维光子晶体和一可实现频率转换的晶体组成，二维光子晶体和实现频率转换的晶体通过波导连接。二维光子晶体由一二维介电薄膜构成，在薄膜上刻蚀有呈周期性分布的空气孔，空气孔之间的距离由晶格常数确定；介电薄膜为半导体材料，包括GaAs、AlGaAs、Si；或者铌酸锂LiNbO₃，厚度在200nm～600nm之间，可以通过半导体分子束外延生长技术、脉冲激光淀积技术和化学气相沉积技术等薄膜技术获得。空气孔的半径在200nm～800nm之间，为正方形周期分布，空气孔是通过聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光与反应离子束刻蚀技术制成；可实现频率转换的晶体I可以是另一个二维光子晶体，也可以用普通的非线性倍频晶体来实现，包括偏硼酸钡晶体(β-BaB₂O₄，简称BBO)、磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO₄，简称KTP)、磷酸二氢钾晶体(KH₂PO₄，简称KDP)等，但是要求晶体尺寸在mm量级。通过改变晶体端面相对于入射光的角度，就可以直接利用相位匹配条件来实现频率变换。没有其他的参数要求。

激光束正向(从左向右)传输时，首先进入实现频率转换的晶体I，入射激光在晶体I中满足准相位匹配条件，由于非线性倍频效应，入射激光转变成其二倍频激光，而倍频激光的波长位于光子晶体II的导带，能够通过光子晶体。激光束反向(从右向左)传输时，首先进入光子晶体II，而入射激光波长位于光子晶体II的光子带隙中，由于光子带隙的作用，入射激光束被全反射回来而不能通过光子晶体。由此实现单向通过的光二极管作用，使正向传输的光能够通过，而反向传输的光不能通过。

本发明利用二维光子晶体的非线性半导体材料或者铌酸锂自身的二阶非线性光学倍频效应，以及二维光子晶体的光子带隙特性来实现光二极管。非线性倍频效应要求基频光和倍频光满足相位匹配条件。而半导体材料不具有双折射特性，不能利用材料的双折射来实现相位匹配，但是可以将材料做成周期性结构，利用倒格空间的一个倒格矢来实现准相位匹配。铌酸锂是双折射材料，利用准相位匹配可以实现高转换效率的倍频效应。光子带隙特性的作用是，波长落入光子带隙中的入射光束，将被光子晶体全反射回来。

如光二极管是由两个二维光子晶体组成，入射光束的频率位于光子晶体II的禁带(光子带隙)中，入射光束不能通过光子晶体II。光子晶体I满足准相位匹配条件，入射光束在光子晶体中传输时发生频率转换，入射光束转换成其倍频光(光束的频率变为原来的一半)，这样，倍频光的频率就位于光子晶体II的导带中。

准相位匹配条件要求：

ω₁+ω₁＝ω₂                         (2)

${\stackrel{\→}{k}}_2-2{\stackrel{\→}{k}}_1-{\stackrel{\→}{G}}_i=0---\left(3\right)$

其中，ω₁为入射的基频光角频率，ω₂为二倍频光的角频率， 为基频光的波矢，

为二倍频光的波矢，

为光子晶体I的一个倒格矢。就会产生频率为ω₂＝2ω₁的倍频光。准相位匹配的转换效率：

η∝(x⁽²⁾L/m)²                       (4)

其中x⁽²⁾为二阶非线性极化率，L为入射光束穿过光子晶体I的路径的长度，m为准相位匹配的阶数。准相位匹配条件可以用下图表示：

依据准相位匹配条件，光子晶体I的晶格常数由以下条件决定：

a＝mλ/(2n₂-2n₁)                         (4)

其中，m为准相位匹配的阶数，λ为基频光波长，n₁为基频光的折射率，n₂为倍频光的折射率。

这样，激光束正向传输时，光子晶体I满足准相位匹配条件，由于倍频效应，入射激光束转换成其二倍频激光。而倍频光的波长位于光子晶体II的导带，可以通过光子晶体II。因此，正向传输的光可以通过二维光子晶体。

激光束反向入射时，激光首先进入光子晶体II，因其波长位于光子晶体II的光子带隙中，所以被全反射回来而不能通过光子晶体，这样，就实现了对光传输过程的单向导通的控制功能。

本发明提供一种由两个二维光子晶体组成的光二极管的制备方法，其为在一层介电薄膜上分别刻蚀出两个二维光子晶体的周期性分布空气孔。

光子晶体II的参数主要根据入射光的波长来设计：

(1)对材料的要求：入射光位于可见光波段时，要选择在可见光波段吸收很小的、对可见光透明的材料，如铌酸锂(LiNbO₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、掺鈰钛酸钡(Ce:BaTiO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)等。入射光位于红外波段时，要选择在红外波段吸收很小的、对红外光透明的材料，如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)等。

(2)周期性正方晶格空气孔的晶格常数(孔与孔之间的距离)：可以根据布拉格公式计算出来：λ＝2 na，其中λ是入射光的波长， n是有效折射率，a是晶格常数。空气孔的半径 $r=\frac{1}{3}a.$ 更详细的晶格常数和孔半径的数据，可以通过多重散射方法或者时域有限差分方法，利用计算机模拟计算获得。

(3)光子晶体的厚度通常取200nm-600nm，保证基模TE₀模式能在光子晶体中传输。光子晶体I的参数主要根据入射光的波长和准相位匹配条件来设计：

(1)对材料的要求：入射光位于可见光波段时，要选择在可见光波段吸收很小的、对可见光透明的材料，如铌酸锂(LiNbO₃)等。入射光位于红外波段时，要选择在红外波段吸收很小的、对红外光透明的材料，如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铝镓砷(AlGaAs)等。

(2)周期性正方晶格空气孔的晶格常数(孔与孔之间的距离)：

$a=\frac{\mathrm{m\λ}}{2(n_2-n_1)}---\left(1\right)$

其中，m为准相位匹配的阶数，λ为基频光波长，n₁为基频光的折射率，n₂为倍频光的折射率。光子晶体I中微腔的半径 $r=\frac{1}{4}a.$

(3)光子晶体的厚度通常取200nm-600nm。同样保证基模TE₀模式能在光子晶体中传输。

参考图1，光二极管包括一在二氧化硅基片上外延生长的厚度为300nm的GaAs介电薄膜1，在薄膜1上刻蚀有正方形周期分布的空气孔2和空气孔5，分别形成二维光子晶体I和二维光子晶体II。空气孔2的半径为202nm，空气孔5的半径为190nm，周期性孔的晶格常数3为800nm，周期性孔的晶格常数4为500nm，所述的空气孔是采用常规聚焦离子束刻蚀技术制备的。光子晶体I满足光通讯波长1550nm的一阶准相位匹配要求。光子晶体II的光子带隙如图3所示，1550nm的波长位于光子带隙中。

介电薄膜1也可根据要求使用商品化的GaAs材料薄膜。

图2是本发明实施例中的光二极管应用的装置示意图。

其中激光器7为半导体激光器(美国Melles Griot公司制造，波长1550nm，输出功率15mW)，发出的准连续激光被斩波器16斩波后，由会聚透镜8通过端面耦合的方式耦合到二维平面薄膜光子晶体1中，透过薄膜光子晶体1的激光束由会聚透镜9进行会聚后，经过收集透镜10射入单色仪11的入射狭缝，单色仪11的输出信号经过光电倍增管12放大后，输入锁相放大器15的信号输入端，斩波器16发出的信号输入锁相放大器15的参考输入端，最后由计算机17进行数据的采集和处理。

激光束正向射入二维薄膜光子晶体，入射激光强度5KW/cm²，从光子晶体II透过的激光强度为12μW/cm²。激光束反向射入二维薄膜光子晶体，入射激光强度5KW/cm²，从光子晶体I透过的激光强度为0。实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。

由此，实现了二维薄膜光子晶体作为光通讯波段光二极管的应用。

本发明还提供另一基于二维薄膜光子晶体的光二极管的具体实施例，与上述实施例中的光子晶体相似，二维光子晶体为周期晶格的光子晶体，不同之处在于，MgO基片上通过脉冲激光淀积技术获得的厚度为300nm的铌酸锂薄膜，二维光子晶体通过聚焦粒子束刻蚀或者电子束刻蚀方式获得，二维光子晶体I空气孔的半径为102nm，晶格常数为420nm，二维光子晶体II的空气孔半径为53nm，晶格常数为160nm。光子晶体I满足波长为630nm的激光束的一阶准相位匹配要求。光子晶体II的光子带隙如图4所示，波长630nm的激光位于光子带隙中。

使用与实施例1相似的装置，不同之处在于采用由YAG激光器(美国光谱公司制造，重复频率10Hz，脉冲宽度为35ps)泵浦的OPA激光器(中科院物理所OPA-714)发出的630nm的激光，锁相放大器15换成示波器13，斩波器16换成激光二极管14。激光器发出的630nm的脉冲激光经过会聚透镜8通过端面耦合方式耦合到二维平面薄膜光子晶体1中，透过薄膜光子晶体1的激光束由会聚透镜9进行会聚后，经过收集透镜10射入单色仪11的入射狭缝，单色仪11的输出信号经过光电倍增管12放大后，输入示波器13，最后由计算机17进行数据的采集和处理，激光二极管14发出的信号作为测试系统的同步触发信号。激光束正向射入二维薄膜光子晶体，入射激光强度15GW/cm²，从光子晶体II透过的激光强度为3KW/cm²。激光束反向射入二维薄膜光子晶体，入射激光强度15GW/cm²，从光子晶体I透过的激光强度为0。实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。

Claims (7)

1、一种基于二维光子晶体的光二极管，包括一二维光子晶体，二维光子晶体为一刻蚀有周期性分布空气孔的一层介电薄膜，其特征在于：还包括一可实现频率转换的晶体，二维光子晶体和实现频率转换的晶体通过波导连接。

2、如权利要求1所述的基于二维光子晶体的光二极管，其特征在于：实现频率转换的晶体是非线性倍频晶体。

3、如权利要求1所述的基于二维光子晶体的光二极管，其特征在于：实现频率转换的晶体是二维光子晶体。

4、如权利要求1或3所述的基于二维光子晶体的光二极管，其特征在于：对于入射光位于可见光波段时，选用铌酸锂、钛酸钡、掺鈰钛酸钡、钛酸锶等对可见光透明的材料作为介电薄膜；入射光位于红外波段时，选用砷化镓、氮化镓、铝镓砷、硅等对红外光透明的材料作为介电薄膜。

5、一种基于二维光子晶体的光二极管的制备方法，其步骤包括：

(1)在一层介电薄膜上分别刻蚀出两个二维光子晶体的周期性分布空气孔；

(2)一个光子晶体的周期性孔的晶格常数为入射光的波长比两倍的有效折射率，孔的半径为1/3晶格常数；

(3)另一个光子晶体的周期性孔的晶格常数 $a=\frac{\mathrm{m\λ}}{2(n_2-n_1)}$

其中，m为准相位匹配的阶数，λ为基频光波长，n₁为基频光的折射率，n₂为倍频光的折射率，孔的半径 $r=\frac{1}{4}a.$

6、如权利要求5所述的基于二维光子晶体的光二极管的制备方法，其特征在于：介电薄膜的厚度为200-600nm。

7、如权利要求5或6所述的基于二维光子晶体的光二极管的制备方法，其特征在于：所述周期性空气孔为正方形分布。

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