CN1955768A - 三维光子晶体和包含三维光子晶体的功能器件 - Google Patents

Abstract

根据本发明的三维光子晶体在宽波长区域中具有完全光子带隙，并可容易地制造。周期性地堆叠了包括周期性折射率结构的多个层的三维光子晶体包括：具有设在第一矩形晶格和第二矩形晶格的晶格点处的孔的第一层；在面心矩形晶格的晶格点处具有柱状结构的第二层；具有与第一层的周期性结构相同的周期性结构、并被设在偏移位置处的第三层；以及具有与第二层的周期性结构相同的周期性结构的第四层。

Description

三维光子晶体和包含 三维光子晶体的功能器件

技术领域

本发明涉及包括三维折射率周期性结构的三维光子(photonic)晶体以及包括所述三维光子晶体的功能器件，例如光波导管、光谐振器、光学过滤器以及偏光器。

背景技术

Yablonovitch已提出这样一种概念，即，可使用小于电磁波波长的结构控制所述电磁波的透射和反射特性(Physical Review Letters，卷58，第2059页，1987)。依照该文献，可使用小于波长的周期性结构控制电磁波的透射和反射特性。

具体地，当电磁波的波长减小到大约可见光的波长时，可控制可见光的透射和反射特性。这样一种结构被称为光子晶体。已提出可制造出在特定波长区域中具有100％反射率的反射镜。

因此，与半导体中的能隙相对照，在其中可实现接近100％反射率的特定波长范围可称作光子带隙。

另外，三维精细周期性结构可提供针对来自于任何方向的入射光的光子带隙。在下文中称之为完全光子带隙。

完全光子带隙可具有各种应用(例如，减少发光器件中的自发发射)。可在更宽波长区域中获得完全光子带隙的结构可有助于延伸所述功能器件的操作波长区域。

已提出了具有完全光子带隙的一些结构(例如，见美国专利No.5,335,240、美国专利No.5,440,421、和美国专利No.6,597,851)。

图14A示出了美国专利No.5,335,240中提出的木料堆状结构。在该结构中，堆叠有平行设置的多个柱状结构，每层的排列相对于相邻层转动90度。

图14B是显示了美国专利No.5,440,421中披露的光子带隙的结构的示意图。在该结构中，已沿垂直于多个柱状结构的方向形成了多个孔，所述多个柱状结构被平行设置以使得柱状结构的部分沿堆叠方向交叠。

图14C是显示了美国专利No.6,597,851中披露的光子带隙的结构的示意图。在该结构中，具有以三角形晶格形式提供的孔和以三角形晶格形式提供的柱状结构的层以在相邻层之间具有1/3基本周期的偏移的方式堆叠。

在美国专利No.5,335,240中披露的木料堆状结构中，由于四层构成一个周期，因此所述结构简单并且易于制造。然而，所述结构具有强的各向异性，从而导致光子带隙的强方向依赖性。

美国专利No.5,440,421中披露的结构也具有完全光子带隙。然而，必须形成多个非常深的孔，并且制造所述结构是非常困难的。

美国专利No.6,597,851中披露的结构具有比木料堆状结构小的各向异性并且具有相对较大的光子带隙。然而，由于六层构成一个周期，因此制造工艺复杂，例如，对于层的排列来说需要高精确度。因此，难于制造所述结构。

发明内容

因此，本发明提供了一种在宽波长区域中具有完全光子带隙并且可容易地制造的三维光子晶体。本发明还提供了一种包括该三维光子晶体的功能器件。

依照本发明的三维光子晶体，周期性地堆叠了包括周期性折射率结构的多个层的三维光子晶体包括：具有周期性结构的第一层，在第一层的周期性结构中，在沿层的面内方向中的第一轴的周期为A而沿层的面内方向中垂直于第一轴的第二轴的周期为B的第一矩形晶格的晶格点处、以及设在相对于第一矩形晶格的位置沿第一轴偏移A/2并沿第二轴偏移B/4的位置处的第二矩形晶格的晶格点处设置了填充有第二介质的孔，并且除孔以外的区域填充有第一介质；具有周期性结构的第二层，在第二层的周期性结构中，在面心(face-centered)矩形晶格的晶格点处设置了由第三介质构成并且具有沿堆叠方向的纵向轴的柱状结构，并且除柱状结构以外的区域填充有第二介质，所述面心矩形晶格设在相对于第一矩形晶格的位置沿第二轴偏移+3B/8的位置处，并且沿第一轴的周期为A而沿第二轴的周期为B；第三层，具有与包含在第一层中的周期性结构相同、并被设在相对于包含在第一层中的周期性结构的位置在层的面内方向中沿第一轴偏移A/2并沿第二轴偏移B/2的位置处的周期性结构；以及第四层，具有与包含在第二层中的周期性结构相同、并被设在层的面内方向中与包含在第二层中的周期性结构相同的位置处的周期性结构。在该三维光子晶体中，第一层、第二层、第三层和第四层按所述顺序周期性地堆叠。

从以下对于示例性实施例的描述(参照附图)中可明白本发明的其他特征。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的三维光子晶体的示意图。

图2A到2D是根据本发明第一实施例的三维光子晶体的每层的示意图。

图3是根据本发明第一实施例的三维光子晶体的光子带结构的示意图。

图4A到4D是根据本发明第二实施例的三维光子晶体的每层的示意图。

图5是根据本发明第二实施例的三维光子晶体的光子带结构的示意图。

图6A是根据本发明第二实施例的三维光子晶体的另一个第二层的示意图。

图6B是根据本发明第二实施例的三维光子晶体的另一个第二层的示意图。

图7A是根据本发明第二实施例的三维光子晶体的另一个第二层的示意图。

图7B是根据本发明第二实施例的三维光子晶体的另一个第二层的示意图。

图8A到8D是根据本发明第三实施例的三维光子晶体的每层的示意图。

图9A到9I是示出了根据本发明第四实施例制造三维光子晶体的方法的横截面图。

图10是根据本发明第四实施例的三维光子晶体的横截面图。

图11A到11K是示出了根据本发明第五实施例制造三维光子晶体的方法的横截面图。

图12是根据本发明第五实施例的三维光子晶体的横截面图。

图13A到13C是根据本发明第六实施例的包含三维光子晶体的功能器件的横截面图。

图14A到14C是示出了已知三维光子晶体的视图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的三维光子晶体的相关部分的示意图。在图1中，构成三维光子晶体的层110到140堆叠的方向被限定为z轴，垂直于z轴并且是层的面内方向的方向被限定为x轴，在层的平面中垂直于x轴的方向被限定为y轴。在三维光子晶体中，每一层都具有周期性折射率结构的四层110到140一起形成堆叠方向上的基本周期。多个基本周期被堆叠，从而形成三维光子晶体。

第一实施例

图2A到2D是本发明第一实施例的三维光子晶体的每层的示意图。各图分别示出了层110到140中一个的x-y横截面的一部分。

图2A是第一层110的x-y横截面图。在图2A中，矩形晶格111在x轴方向上的周期为A而y轴方向上的周期为B。矩形晶格113具有与矩形晶格111相同的形状并且被设在相对于矩形晶格111的位置沿x轴方向偏移A/2并沿y轴方向偏移B/4的位置处。第一层110具有由两个矩形晶格111和113限定的周期性折射率结构。更具体地说，半径为R1并填充有第二介质(具有低折射率N2)的圆形孔112和圆形孔114被设在矩形晶格111和矩形晶格113的每个晶格点上。除圆形孔112和圆形孔114以外的区域被填充以第一介质(具有高折射率N1)。

图2B是第二层120的x-y横截面图。图2B中所示的第二层120具有由面心矩形晶格121限定的周期性折射率结构，面心矩形晶格121在x轴方向上的周期为A而y轴方向上的周期为B。面心矩形晶格121具有与第一层110中的矩形晶格111相同的形状并且被设在相对于矩形晶格111的位置沿y轴方向偏移+3B/8的位置处。具有沿z轴方向的纵向轴的柱状结构(例如，六棱柱122)被设在面心矩形晶格121的晶格点上。除柱状结构122以外的区域被填充以第二介质。柱状结构122由半径为R2的外接圆限定并且由第三介质(具有高折射率N3)制成。第二层120中的每个柱状结构122被设在这样一个位置处，在该位置中与第一层110中的相邻圆形孔的距离等于与第三层130中的相邻圆形孔的距离。

图2C是第三层130的x-y横截面图。在图2C中，矩形晶格131和矩形晶格133分别被设在相对于第一层110中的矩形晶格111和矩形晶格113的位置沿x轴方向偏移A/2并沿y轴方向偏移B/2的位置处。半径为R1并填充有第二介质的圆形孔132和圆形孔134被设在矩形晶格131和矩形晶格133的每个晶格点上。除圆形孔132和圆形孔134以外的区域被填充以第一介质。

图2D是第四层140的x-y横截面图。图2D中所示的第四层140具有由面心矩形晶格141限定的周期性折射率结构，面心矩形晶格141被设在沿x和y方向与第二层120中的面心矩形晶格141相同的位置处。由第一介质构成的柱状结构142被设在面心矩形晶格141的每个晶格点上。除柱状结构142以外的区域143被填充以第二介质。

在第一实施例中，使得以下参数最优化以在期望的频率(波长)区域内提供完全光子带隙，所述参数为：第一介质、第二介质和第三介质的折射率N1、N2和N3、第一层110和第三层130中的圆形孔的半径R1、第二层120和第四层140中的六棱柱的外接圆的半径R2、层110到140的厚度、以及晶格周期A和B。

表1示出了这些参数的示例。图3示出了通过平面波展开方法计算的表1中所示的三维光子晶体的光子带结构。

横坐标表示波数向量，即，入射到光子晶体上的电磁波的入射方向。例如，点K表示平行于z轴的波数向量，以及点X表示在x-z平面中相对于z轴(或x轴)具有45°斜度的波数向量。纵坐标表示通过晶格周期A归一化的频率(归一化频率)。在由图3中的阴影示出的范围从0.44的归一化频率到0.48的归一化频率的区域中，无论光线的入射方向如何，都不可能存在光线，从而形成完全光子带隙。当完全光子带隙的中心(归一化)频率由ω₀表示，并且完全光子带隙的(归一化)频率带宽由Δω表示时，该结构中的完全光子带隙比率Δω/ω₀为0.082。该数值大约为由具有相同折射率(构成矩形柱的介质的折射率为2.4，而构成除矩形柱以外区域的介质的折射率为1.0)的介质构成的木料堆结构的完全光子带隙比率的1.2倍。

作为具有表1中所示参数的结构的具体示例，当晶格周期A为250nm时，半径R1为107.5nm、半径R2为65nm、晶格周期B为353.6nm，厚度H1为77.5nm，以及厚度H2为47.5nm。该结构具有543.3nm的完全光子带隙中心波长和522.0nm到566.5nm的完全光子带隙波长区域。

在根据第一实施例的三维光子晶体中，如图2A和2C中所示的，由沿x轴延伸的高折射率(N1)介质形成的区域比木料堆结构更平滑地弯曲。该弯曲增加了各个层中以及结构的层之间的各向同性。这有助于在沿x轴传播的电磁波中产生在高折射率(N1)介质中具有集中能量的驻波。此外，弯曲中的突出部分还增加了该结构在yz截面上沿倾斜方向的各向同性，如图2A和2C中所示的。这有助于产生在具有低折射率的介质中具有集中能量的驻波。这增加了主要集中在高折射率介质中的驻波与主要集中在低折射率介质中的驻波之间在能量上的差异。该增加的能量差可加宽获得完全光子带隙的频带。

为了获得上述效果，虽然在第一实施例中使用图2B中所示的第二层120中的六棱柱122和图2D中所示的第四层140中的六棱柱142，但是作为替换也可使用除六棱柱以外的柱，例如多棱柱、圆柱或椭圆柱。

表1

第一介质的折射率(N1)	2.4
		第二介质的折射率(N2)	1.0
第三介质的折射率(N3)	2.4
		半径R1	0.430×A
半径R2	0.260×A
		晶格周期B	×A
第一层110和第三层130的厚度H1	0.310×A
		第二层120和第四层140的厚度H2	0.190×A

如上所述的，在该实施例中，具有周期性折射率结构的层被堆叠以形成光子晶体。根据第一实施例的三维光子晶体可包括该堆叠结构的部分。

第一层110和第三层130中形成的孔具有从圆形、椭圆形和多边形中选择的至少一个面内截面。

第二实施例

图4A到4D是本发明第二实施例的三维光子晶体的每层的示意图。

图4A是第一层510的x-y横截面图。在图4A中，矩形晶格511在x轴方向上的周期为A而y轴方向上的周期为B。矩形晶格513具有与矩形晶格511相同的形状并且被设在相对于矩形晶格511的位置沿x轴方向偏移A/2并沿y轴方向偏移B/4的位置处。第一层510具有由两个矩形晶格511和513限定的周期性折射率结构。更具体地说，半径为R1并填充有第二介质(具有低折射率N2)的圆形孔512和圆形孔514被设在矩形晶格511和矩形晶格513的每个晶格点上。除圆形孔512和圆形孔514以外的区域被填充以第一介质(具有高折射率N1)。

图4C是第三层530的x-y横截面图。在图4C中，矩形晶格531和矩形晶格533分别被设在相对于第一层510中的矩形晶格511和矩形晶格513的位置沿x轴方向偏移A/2并沿y轴方向偏移B/2的位置处。半径为R1并填充有第二介质的圆形孔532和圆形孔534被设在矩形晶格531和矩形晶格533的每个晶格点上。除圆形孔532和圆形孔534以外的区域被填充以第一介质。

图4B是第二层520的x-y横截面图。在图4B中，矩形晶格521和523被设在与第一层510中的矩形晶格511和513相同的横向位置处。半径为R2的圆形孔522和524被设在矩形晶格521和矩形晶格523的晶格点处并被填充以第二介质。

第二层520中的矩形晶格525和527被设在与第三层530中的矩形晶格531和533相同的横向位置处。半径为R2的圆形孔526和528被设在矩形晶格525和527的晶格点处并被填充以第二介质。第二层520中除圆形孔522、524、526和528以外的区域被填充以第三介质(具有高折射率N3)。

图4D是第四层540的x-y横截面图。第四层540包括具有与第二层520中形成的圆形孔522、524、526和528相同形状并被设在与这些圆形孔相同的横向位置处的圆形孔542、544、546和548。圆形孔542、544、546和548被填充以与圆形孔522、524、526和528相同的介质。

第四层540中除圆形孔542、544、546和548以外的区域被填充以第三介质(具有高折射率N3)。

在第二实施例中，图4B和4D中所示的第二层520和第四层540中的柱状结构是如下所述那样形成的。

第二层520包括在矩形晶格521、523、525和527的晶格点处填充有第二介质的孔。

通过用第三介质填充除这些孔以外的区域而形成柱状结构122a。

第四层540中的柱状结构与第二层520中的相同。

在第二实施例中，使得以下参数最优化以在期望的频率区域(波长区域)内提供完全光子带隙，所述参数为：第一介质、第二介质和第三介质的折射率N1、N2和N3、第一层510和第三层530中的圆形孔的半径R1、第二层520和第四层540中的圆形孔的半径R2、层510到540的厚度、以及晶格周期A和B。

表2示出了这些参数的示例。图5示出了通过平面波展开方法计算的表2中所示的三维光子晶体的光子带结构。

在图5中所示的阴影部分归一化频带中，形成了完全光子带隙。该结构的完全光子带隙比率Δω/ω₀为0.092。

该数值大约为由具有相同折射率(构成矩形柱的介质的折射率为2.4，而构成除矩形柱以外区域的介质的折射率为1.0)的介质构成的木料堆结构的完全光子带隙比率的1.3倍。

因此，由第二层520和第四层540中的孔形成的柱状结构具有更高程度的各向同性。

尽管周期性地堆叠仅四个基本层以形成光子晶体，也可获得更宽的光子带隙。

在第二实施例中，通过在第二层520和第四层540中形成圆形孔而限定出柱状结构。如图6A和6B中所示的，可取代第二层520和第四层540中的圆形孔使用椭圆形孔以获得相同的效果。或者，如图7A和7B中所示的，可取代第二层520和第四层540中的圆形孔使用多边形孔(例如，六边形孔或八边形孔)以获得相同的效果。

通过平面波展开方法计算表3中所示的三维光子晶体的光子带结构。该结构的完全光子带隙比率Δω/ω₀为0.230。

该数值大约为由具有相同折射率(构成矩形柱的介质的折射率为3.3，而构成除矩形柱以外区域的介质的折射率为1.0)的介质构成的木料堆结构的完全光子带隙比率的1.3倍。

因此，即使当形成三维光子晶体的介质具有不同的折射率时也可获得本发明的效果。

尽管周期性地堆叠仅四个基本层以形成光子晶体，也可获得更宽的光子带隙。

通过平面波展开方法计算表4中所示的三维光子晶体的光子带结构。该结构的完全光子带隙比率Δω/ω₀为0.119。

当第三介质的折射率N3大于第一介质的折射率N1时，折射率的对比率增加。这增加了集中在高折射率介质中的驻波与集中在低折射率介质中的驻波之间在能量上的差异。该增加的能量差可加宽获得完全光子带隙的频带。

虽然在表4中第一介质的折射率N1小于第三介质的折射率N3，但是第一介质的折射率N1也可大于第三介质的折射率N3以获得相同的效果。

表2

第一介质的折射率(N1)	2.4
		第二介质的折射率(N2)	1.0
第三介质的折射率(N3)	2.4
		半径R1	0.435×A
半径R2	0.340×A
		晶格周期B	×A
第一层510和第三层530的厚度H1	0.280×A
		第二层520和第四层540的厚度H2	0.220×A

表3

第一介质的折射率(N1)	3.3
		第二介质的折射率(N2)	1.0
第三介质的折射率(N3)	3.3
		半径R1	0.470×A
半径R2	0.360×A
		晶格周期B	×A
第一层510和第三层530的厚度H1	0.250×A
		第二层520和第四层540的厚度H2	0.250×A

表4

第一介质的折射率(N1)	2.4
		第二介质的折射率(N2)	1.0
第三介质的折射率(N3)	3.3
		半径R1	0.440×A
半径R2	0.370×A
		晶格周期B	×A
第一层510和第三层530的厚度H1	0.340×A
		第二层520和第四层540的厚度H2	0.160×A

第三实施例

图8A到8D是本发明第三实施例的三维光子晶体的每层的示意图。

图8A是第一层910的x-y横截面图。在图8A中，矩形晶格911在x轴方向上的周期为A而y轴方向上的周期为B。矩形晶格913具有与矩形晶格911相同的形状并且被设在相对于矩形晶格911的位置沿x轴方向偏移A/2并沿y轴方向偏移B/4的位置处。第一层910具有由两个矩形晶格911和913限定的周期性折射率结构。更具体地说，填充有第二介质(具有低折射率N2)的长半径为R1a而短半径为R1b的椭圆形孔912和长半径为R1a而短半径为R1b的椭圆形孔914被设在矩形晶格911和矩形晶格913的每个晶格点上。除椭圆形孔912和椭圆形孔914以外的区域被填充以第一介质(具有高折射率N1)。

图8C是第三层930的x-y横截面图。在图8C中，矩形晶格931和矩形晶格933分别被设在相对于第一层910中的矩形晶格911和矩形晶格913的位置沿x轴方向偏移A/2并沿y轴方向偏移B/2的位置处。长半径为R1a而短半径为R1b的椭圆形孔932和934被设在矩形晶格931和矩形晶格933的晶格点处。椭圆形孔932和934被填充以第二介质。

第三层930中除椭圆形孔932和934以外的区域被填充以第一介质(具有高折射率N1)。

图8B是第二层920的x-y横截面图。矩形晶格921和923被设在与第一层910中的矩形晶格911和913相同的横向位置处。半径为R2的圆形孔922和924被设在矩形晶格921和923的晶格点处并被填充以第二介质。

第二层920中的矩形晶格925和927被设在与第三层930中的矩形晶格931和933相同的横向位置处。半径为R2的圆形孔926和928被设在矩形晶格925和927的晶格点处并被填充以第二介质。第二层920中除圆形孔922、924、926和928以外的区域被填充以第三介质(具有高折射率N3)。

图8D是第四层940的x-y横截面图。第四层940包括具有与第二层920中形成的圆形孔922、924、926和928相同形状并被设在与这些圆形孔相同的横向位置处的圆形孔942、944、946和948。圆形孔942、944、946和948被填充以与圆形孔922、924、926和928相同的介质。

第四层940中除圆形孔942、944、946和948以外的区域被填充以第三介质(具有高折射率N3)。

在第三实施例中，使得以下参数最优化以在期望的频率(波长)区域内提供完全光子带隙，所述参数为：第一介质、第二介质和第三介质的折射率N1、N2和N3、第一层910和第三层930中的椭圆形孔的长半径R1a和短半径R1b、第二层920和第四层940中的圆形孔的半径R2、层910到940的厚度、以及晶格周期A和B。

通过平面波展开方法计算表5中所示的三维光子晶体的光子带结构。该结构的完全光子带隙比率Δω/ω₀为0.092。

这些结果示出，当第一层910和第三层930中的折射率周期性结构由椭圆形孔形成时，完全光子带隙也显示出较小的各向异性。尽管周期性地堆叠仅四个基本层以形成光子晶体，也可获得更宽的光子带隙。

为了获得上述效果，虽然在图8A中所示的第一层910中以及在图8C中所示的第三层930中形成了椭圆形孔，但是用多边形孔也可获得相同的效果。

表5

第一介质的折射率(N1)	2.4
		第二介质的折射率(N2)	1.0
第三介质的折射率(N3)	2.4
		长半径R1a	0.440×A
短半径R1b	0.420×A
		半径R2	0.340
晶格周期B	×A
		第一层910和第三层930的厚度H1	0.280×A
第二层920和第四层940的厚度H2	0.220×A

下面将描述用于制造三维光子晶体的方法的具体示例。

第四实施例

图9A到9I是示出了用于根据本发明第四实施例制造三维光子晶体的方法的横截面图。

首先，在第一衬底1001上例如通过晶体生长或汽相沉积形成由介质1构成的第一薄膜1002(图9A)。之后，将抗蚀剂1003施于第一薄膜1002上(图9B)。接着，例如通过电子束光刻形成周期性抗蚀图1004(图9C)。使用周期性抗蚀图1004作为掩模通过蚀刻在第一薄膜1002中形成孔。

之后，去除残余抗蚀剂1003以在第一层中形成具有周期性折射率分布的折射率周期性结构1005(图9D)。

然后，在第二衬底1006上例如通过晶体生长或汽相沉积形成由介质3构成的第二薄膜1007(图9E)。

接着，将折射率周期性结构1005的图案化表面和第二薄膜1007相互熔接(图9F)，并且例如通过剥离或蚀刻去除第二衬底1006(图9G)。通过上述步骤，在折射率周期性结构1005上形成第二薄膜1007。作为用于在折射率周期性结构上形成第二薄膜的替换方法，折射率周期性结构中的气孔可被填充以介质2或可在后工序中选择性地蚀刻掉的介质，之后可通过晶体生长或汽相沉积在折射率周期性结构上形成第二薄膜。

之后，将抗蚀剂施于第二薄膜1007。例如通过电子束光刻形成周期性抗蚀图1008(图9H)。

在使用周期性抗蚀图1008作为掩模蚀刻第二薄膜1007之后，去除残余抗蚀剂以在第一层上的第二层中形成折射率周期性结构1009(图9I)。

重复上述步骤以形成包括多层的三维光子晶体。

图10是根据本发明第四实施例的三维光子晶体的局部截面图。

可通过干涉曝光法、纳米刻印工艺、使用通过超短光脉冲的多光子吸收的方法、以及(使用X-射线曝光、UV曝光或近场曝光的)光刻和蚀刻的结合形成层中的折射率周期性结构。

构成根据本实施例的三维光子晶体的介质1和介质3可为化合物半导体，例如GaAs、InP、GaN或ZnO；半导体，例如Si；电介质，例如TiO₂；或金属。

介质1和介质3可以相同。当介质1和介质3相同时，可在折射率周期性结构上容易地执行晶片熔接或晶体生长。这样，可更容易地制造三维光子晶体。

介质2(除介质1或介质3以外的区域)可为空气；电介质，例如SiO₂；或高分子有机材料，例如PMMA。

在第四实施例中，在第一层1005上形成第二薄膜1007之后，通过电子束光刻和蚀刻的结合形成第二层1009。

或者，可在第二衬底1006上的第二薄膜1007中形成折射率周期性结构，之后可将第一层1005和第二薄膜1007相互熔接。随后可通过剥离或蚀刻移除第二衬底1006。

第五实施例

下面将描述用于制造三维光子晶体的另一种方法。

在该实施例中，使用孔在第二层和第四层中形成柱状结构。四层中形成的孔具有相同的面内截面。例如，在图4A到4D中所示的三维光子晶体的xy截面中，第一层510和第三层530中的圆形孔的半径R1等于第二层520和第四层540中的圆形孔的半径R2。

如图11A中所示的，通过晶体生长或汽相沉积将介质1构成的第一薄膜1202形成在第一衬底1201上。

之后，将抗蚀剂1203施于第一薄膜1202(图11B)。

接着，通过电子束光刻在抗蚀剂中形成周期性图案。随后，通过使用周期性抗蚀图作为掩模进行蚀刻在第一薄膜1202中形成孔1204(图11C)。

之后去除残余抗蚀剂1203以在第一衬底1201上的第一薄膜1202中形成折射率周期性结构(图11D)。

接着，如图11E中所示的，在第二衬底1205上形成介质1构成的第二薄膜1206。将第二薄膜1206与第一薄膜1202中的折射率周期性结构(第一折射率周期性结构)的图案化表面相互熔接(图11F)。通过剥离或蚀刻移除第二衬底1205(图11G)。

作为用于在折射率周期性结构上形成第二薄膜的替换方法，第一薄膜1202中的折射率周期性结构中的通孔(孔1204)可以被填充以介质2或可在后工序中选择性地蚀刻掉的介质，之后可通过晶体生长或汽相沉积在折射率周期性结构上形成第二薄膜1206。

之后，将抗蚀剂1207施于第二薄膜1206。在通过电子束光刻形成周期性抗蚀图之后，通过使用周期性抗蚀图作为掩模进行蚀刻在第二薄膜1206中形成折射率周期性结构(第二折射率周期性结构)。

通过蚀刻形成孔1208(图11H)。所述孔具有大于第二薄膜1206厚度的深度。随后，移除残余抗蚀剂1207以同时在三维光子晶体的第一层上形成第二层和第三层(图11I)。

之后，使用与图11F中所示的在第一薄膜1202上形成第二薄膜1206相同的步骤，在具有折射率周期性结构的第二薄膜1206上形成介质1构成的第三薄膜1209(图11J)。

之后，使用与图11H中所示的在第二薄膜1206中形成折射率周期性结构相同的步骤，在第三薄膜1209中形成孔1210。

通过上述步骤，形成了三维光子晶体的第一层、第二层、第三层和第四层(图11K)。

图12是包括通过重复上述步骤制造的多层的三维光子晶体的局部截面图。

可通过干涉曝光法、纳米刻印工艺、使用通过超短光脉冲的多光子吸收的方法、以及(使用X-射线曝光、UV曝光或近场曝光的)光刻和蚀刻的结合形成层中的折射率周期性结构。

形成根据本实施例的三维光子晶体的介质1可为化合物半导体，例如GaAs、InP、GaN或ZnO；半导体，例如Si；电介质，例如TiO₂；或金属。介质2可为空气；电介质，例如SiO₂；或高分子有机材料，例如PMMA。依照上述方法，可在根据本实施例的三维光子晶体中同时形成相邻层。因此，可使用更少数量的步骤更容易地制造三维光子晶体。

第六实施例

该实施例描述了包括根据本发明的三维光子晶体的功能器件。图13A和13B是包含根据本发明的三维光子晶体的功能器件的横截面图。这些三维光子晶体包括波导管1400或1401，所述波导管1400或1401是使晶体结构无序化的线性缺陷。

具有三维光子晶体的完全光子带隙的波长区域内的波长的电磁波可仅存在于缺陷1400或1401中。

这样一种晶体结构可提供急剧弯曲的低损耗波导管。图13A是包括直波导管1400的功能器件的横截面图，所述直波导管1400是通过在根据本发明的三维光子晶体中的预定区域中提供线性缺陷形成的。图13B是包括弯曲波导管1401的功能器件的横截面图，所述弯曲波导管1401是通过在根据本发明的三维光子晶体中的预定区域中提供线性缺陷形成的。可通过去除晶体结构的部分、改变晶体结构的部分的位置或形状、或者用具有与形成晶体结构的介质不同的折射率的介质替换晶体结构的部分而形成线性缺陷，以使得波导管可具有期望的性能，例如期望的波长区域。

图13C是在根据本发明的三维光子晶体中包括了使晶体结构无序化的点缺陷1402的谐振器的横截面图。波长在三维光子晶体的完全光子带隙的波长区域内的电磁波可仅存在于点缺陷1402中。

谐振器可在该非常小的区域中有效地俘获电磁波。该谐振器可用于提供波长选择过滤器，所述波长选择过滤器从入射波中提取与谐振器的谐振波长相对应的非常窄的波长区域中的电磁波。

可通过去除晶体结构的部分或改变晶体结构的部分的位置或形状而形成点缺陷，以使得谐振器可具有期望的性能，例如期望波长的选择。使用通过根据本发明的方法制造的三维光子晶体，可更容易地制造在期望的波长区域操作的谐振器。

当图13C中所示的谐振器被填充以活性介质(例如发光活性介质)，并使用来自于谐振器外部的电磁波或电流对其供应能量时，可提供高效发光器件，例如激光器或LED。

例如，当谐振器的谐振波长与红外通信频带(800nm到1800nm)相对应时，谐振器可用在用于光通信的光源中。当谐振器的谐振波长与光的三基色(即，红(R)、绿(G)和蓝(B))相对应时，该谐振器可用于可视显示器的光源中。

此外，谐振器可用于光学装置(例如CD或DVD播放器)的光学拾取器的光源中。

另外，可以组合各种功能器件，例如图13A和13B中所示的波导管、图13C中所示的谐振器、发光器件、以及使用光子带中的反常色散的偏光器，以提供高性能集成微型电路。

如上所述的，由于根据这些实施例的三维光子晶体仅包括四层，因此易于制造。另外，由于折射率周期性结构具有较小的方向依赖性，因此该三维光子晶体具有比已知三维光子晶体更宽的完全光子带隙。

可容易地制造包括根据这些实施例的三维光子晶体的功能器件，并且所述功能器件可在更宽波长带下操作。

因此，依照本发明实施例，三维光子晶体可由每个周期都由减少数量的层构成的多个周期构成，因此可容易制造。另外，该三维光子晶体在更宽波长区域下具有完全光子带隙。也可制造包括该三维光子晶体的功能器件。

虽然已结合示例性实施例描述了本发明，但是可以理解的是，本发明不局限于所披露的示例性实施例。所附权利要求的范围应依照最广义的解释，以使其包含所有修正、等价结构和功能。

Claims (15)

1.一种三维光子晶体，其中周期性地堆叠了包括周期性折射率结构的多个层，所述三组光子晶体包括：

具有周期性结构的第一层，在第一层的周期性结构中，在沿层的面内方向中的第一轴的周期为A而沿层的面内方向中垂直于第一轴的第二轴的周期为B的第一矩形晶格的晶格点处、以及设在相对于第一矩形晶格的位置沿第一轴偏移A/2并沿第二轴偏移B/4的位置处的第二矩形晶格的晶格点处设置了填充有第二介质的孔，并且除孔以外的区域填充有第一介质；

具有周期性结构的第二层，在第二层的周期性结构中，在面心矩形晶格的晶格点处设置了由第三介质构成并且沿堆叠方向具有纵向轴的柱状结构，并且除柱状结构以外的区域填充有第二介质，所述面心矩形晶格设在相对于第一矩形晶格的位置沿第二轴偏移+3B/8的位置处，并且沿第一轴的周期为A而沿第二轴的周期为B；

第三层，具有与包含在第一层中的周期性结构相同、并被设在相对于包含在第一层中的周期性结构的位置在层的面内方向中沿第一轴偏移A/2并沿第二轴偏移B/2的位置处的周期性结构；以及

第四层，具有与包含在第二层中的周期性结构相同、并被设在层的面内方向中与包含在第二层中的周期性结构相同的位置处的周期性结构，

其中，第一层、第二层、第三层和第四层按所述顺序周期性地堆叠。

2.根据权利要求1所述的三维光子晶体，其特征在于，形成在第一层和第三层中的孔具有圆形或椭圆形的面内截面。

3.根据权利要求1所述的三维光子晶体，其特征在于，在第二层和第四层中，第三介质构成的柱状结构是由在层的面内方向上设在与第一层中的孔和第三层中的孔相同位置处并填充有第二介质的多个孔以及除所述多个孔以外的区域形成的。

4.根据权利要求3所述的三维光子晶体，其特征在于，形成在第二层和第四层中的孔具有圆形或椭圆形的面内截面。

5.根据权利要求4所述的三维光子晶体，其特征在于，形成在第一层和第三层中的孔具有圆形或椭圆形的面内截面。

6.根据权利要求5所述的三维光子晶体，其特征在于，形成在第二层和第四层中的孔具有与形成在第一层和第三层中的孔相同的面内截面。

7.根据权利要求3所述的三维光子晶体，其特征在于，形成在第二层和第四层中的孔具有与形成在第一层和第三层中的孔相同的面内截面。

8.根据权利要求1所述的三维光子晶体，其特征在于，所述柱状结构具有多边形面内截面。

9.根据权利要求1所述的三维光子晶体，其特征在于，第一介质和第三介质是不同的。

10.根据权利要求1所述的三维光子晶体，其特征在于，第一介质和第三介质是相同的。

11.一种包括根据权利要求1所述的三维光子晶体和所述三维光子晶体中的缺陷的功能器件。

12.根据权利要求11所述的功能器件，其特征在于，所述缺陷为构成波导管的线性缺陷。

13.根据权利要求11所述的功能器件，其特征在于，所述缺陷为构成谐振器的点缺陷。

14.根据权利要求13所述的功能器件，其特征在于，所述谐振器包括发光活性介质。

15.一种制造三维光子晶体的方法，包括以下步骤：

在衬底上形成具有第一周期性折射率结构的层；

在具有第一周期性折射率结构的层上形成薄膜；

通过蚀刻所述薄膜在薄膜中形成第二周期性折射率结构，以使得通过蚀刻形成的孔的深度大于薄膜的厚度，从而制造根据权利要求1所述的三维光子晶体。

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