-
Erfindungsgebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet photonischer
Kristalle und insbesondere eine Vorrichtung mit einem zweidimensionalen
photonischen Kristall.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Photonische
Kristalle („photonic
crystals", PC) sind
periodische dielektrische Strukturen, die die Ausbreitung von Licht
in bestimmten Frequenzbereichen verhindern können. Photonische Kristalle
haben räumlich
periodische Variationen im Brechungsindex, und mit einem ausreichend
hohen Kontrast im Brechungsindex können photonische Bandlücken in dem
optischen Spektrum der Struktur eröffnet werden. Die „photonische
Bandlücke" ist der Frequenzbereich,
in dem die Ausbreitung des Lichts durch den photonischen Kristall
unterbunden ist. Ein photonischer Kristall, der eine räumliche
Periodizität
in drei Dimensionen hat, kann verhindern, daß sich Licht mit einer Frequenz
innerhalb der photonischen Bandlücke
des Kristalls in irgendeiner Richtung ausbreitet. Jedoch ist die
Herstellung solch einer Struktur technisch anspruchsvoll. Eine attraktivere
Alternative besteht darin, Photonischer-Kristall-Platten zu verwenden,
die durch zweidimensionale periodische dielektrische Strukturen
begrenzter Höhe
gebildet werden, die eine Bandlücke
für die
Propagation in der Ebene aufweisen, und in der dritten Dimension
Index-Einsperrung („index-confinement") zu verwenden. Zusätzlich dazu,
daß sie
leichter herzustellen sind, bieten zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten den
Vorteil, daß sie
mit den planaren Technologien herkömmlicher Halbleiter-Verarbeitung
kompatibel sind.
-
Ein
Beispiel einer zweidimensionalen photonischen Kristallstruktur,
die in zwei Richtungen periodisch und in der dritten homogen ist,
kann aus einem Grundmaterial mit einem periodischen Gitter von kreisförmigen luftgefüllten Säulen hergestellt
werden, die sich durch das Grundmaterial in Höhenrichtung erstrecken und
die in der ebenen Richtung periodisch sind. Die Propagation von
Licht in zweidimensionalen photonischen Kristallen wird durch eine
Reihe von Parametern bestimmt, darunter der Radius der zylindrischen
Säulen,
der Gitterab stand, die Symmetrie des Gitters und die Brechungsindizes
des Grundmaterials und des Säulenmaterials.
-
Das
Einfügen
von Defekten bzw. Störstellen in
der periodischen Struktur eines photonischen Kristalls gestattet
die Existenz von lokalisierten elektromagnetischen Zuständen, die
an der Störstelle
gefangen sind und die Resonanzfrequenzen innerhalb der Bandlücke des
umgebenden Photonischer-Kristall-Materials aufweisen. Durch Herstellen
einer Linie von solchen Störstellen
in dem photonischen Kristall kann eine Wellenleitungs-Struktur erzeugt
werden, die verwendet werden kann, um Licht zu steuern und zu führen (siehe
beispielsweise J.D. Joannopoulos, R.D. Meade und J.N. Winn, „Photonic
Crystals", Princeton
University Press, Princeton, NJ, 1995). Licht einer gegebenen Frequenz,
das daran gehindert wird, in dem photonischen Kristall zu propagieren,
kann in dem Störstellenbereich
propagieren.
-
Ein
Wellenleiter aus einer zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platte
umfaßt üblicherweise ein
zweidimensionales periodisches Gitter in Form eines Arrays von dielektrischen
Stäben
oder Luftlöchern,
welches in einem Plattenkörper
aufgenommen ist. Eine hohe Führungseffizienz
kann nur in einem engen Frequenzbereich in der Nähe des oberen bzw. unteren
Randes (für
dielektrische Stäbe
bzw. Luftlöcher)
des Wellenleiterbandes erreicht werden, wo keine leckenden Moden
vorliegen. Typischerweise wird eine hohe Führungseffizienz nur in einem
engen Frequenzbereich erreicht, der lediglich einige Prozent der
Mittenfrequenz des Wellenleiterbandes beträgt, und bereits existierende
Konfigurationen leiden unter niedrigen Gruppengeschwindigkeiten
in dem erlaubten Wellenleiterband. Eine niedrige Gruppengeschwindigkeit
erhöht
die unerwünschten
Effekte von Unordnung und Absorption (siehe S.G. Johnson, S. Fan,
P.R. Villeneuve, L. Kolodziejski und J.D. Joannopoulos, Phys. Rev.
B 60, 5751, 1999 und S.G. Johnson, P.R. Villeneuve, S. Fan und J.D.
Joannopoulos, Phys. Rev. B 62, 8212, 2000).
-
US
2001/026668 offenbart andere mögliche Störstellenformen,
die den Wellenleiter bilden.
-
1 zeigt
eine xy-Ansicht einer zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 100.
Die Photonischer-Kristall-Platte 115 hat kreisförmige Löcher 110,
die in einem periodischen Dreiecksgitter mit einem Gitterabstand
von a angeordnet sind. Die kreisförmigen Löcher 110 sind mit
Luft gefüllt.
Ein Defektbereich 125 wird hergestellt, indem die kreisförmigen Löcher 110 des
Gitters entlang einer Linie in der x-Richtung durch größere kreisförmige Löcher 120 ersetzt
werden. Ein Stegwellenleiter bzw. Ridge-Wellenleiter 175 koppelt
Licht in die Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 100 der
seinen Rand an der Linie A',
der Linie B' oder
der Linie C' in 1 haben
kann.
-
2 zeigt
den Transmissionskoeffizienten für
die zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 100 als
Funktion der Frequenz ausgedrückt
in Bruchteilen von c/a, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und
a der Gitterabstand. Der Radius für die kreisförmigen Löcher 120 beträgt ungefähr 0,45
a und der Radius für
die kreisförmigen
Löcher 110 beträgt ungefähr 0,3 a.
Die Kurve 210 repräsentiert
den ungeführten
Fall, der eine niedrige Transmission in der Bandlücke und
eine hohe Transmission im erlaubten Band hat. Die Kurve 201 repräsentiert
den Fall, in dem der Ridge-Wellenleiter 175 an dem durch
die Linie A in 1 definierten Rand an der Photonischer-Kristall-Platte 115 angebracht
ist. Kurve 202 repräsentiert
den Fall, in dem der Ridge-Wellenleiter 175 an dem durch
die Linie B von 1 definierten Rand mit der Photonischer-Kristall-Platte 115 verbunden
ist. Die Kurve 203 repräsentiert
den Fall, in dem der Ridge-Wellenleiter 175 an dem durch
die Linie C' in 2 definierten
Rand mit der Photonischer-Kristall-Platte 115 verbunden ist.
Die Transmission für
die Kurve 203 ist bei einer Frequenz von ungefähr 0,253
c/a maximal, und das Wellenleitungsband ist eng. Das Vergrößern des
Radius der kreisförmigen
Löcher 120 auf
0,5 a hat zur Folge, daß die
kreisförmigen
Löcher 120 sich
berühren
und beginnen, zu überlappen.
Dies führt
zu einer schnellen Verschlechterung der Transmissionseigenschaften
der zweidimensionalen Kristall-Platten-Vorrichtung 100,
da die Lichtwelle in Folge der Abnahme der durchschnittlichen Di-elektrizitätskonstante
der zweidimensionalen Kristall-Platte 100 weniger stark eingesperrt
wird.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung
werden nicht-kreisförmige
Löcher
wie beispielsweise elliptische Löcher oder
rechteckige Löcher
als Defekte in der Führungsrichtung
der Photonischer-Kristall-Platte
eingeführt, um
breite Wellenleitungsbänder
zu erzeugen, die mehr als 10% des Mittelfrequenzabschnitts des Wellenleiterbands
abdecken. Die elliptischen oder rechteckigen Löcher bilden eine Störstellenlinie
in der Photonischer-Kristall-Platte. Da die niedrigen Gruppengeschwindigkeiten
an den Rändern
des Wellenleiterbandes auftreten, an denen das Band flach wird, steht
ein breiterer Bereich an Frequenzen mit hohen Gruppengeschwindigkeiten
zur Verfügung.
Elliptische und rechteckige Löcher
bieten eine wesentlich breitere Wellenlei ter-Bandbreite und höhere Gruppengeschwindigkeiten
als kreisförmige
Löcher.
Mehr als 10% der Führungsbandbreite
wird für
einen großen
Bereich von elliptischen oder rechteckigen Formen erreicht. Das
Vorliegen eines breiteren Bereichs von Betriebsfrequenzen führt zu einer
weniger strengen Herstellungstoleranz für einen praktischen Wellenleiter
und gestattet eine höhere
Designflexibilität wenn
Stub-Tuner, Add-Drop-Filter, Biegungen und Strahlteiler zugefügt werden.
Eine höhere
Gruppengeschwindigkeit verringert außerdem den Propagationsverlust
des Wellenleiters.
-
Kurzbeschreibung
der Figuren
-
1 zeigt
eine Ansicht einer zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung aus dem
Stand der Technik.
-
2 zeigt
einen Graph der Transmission gegenüber der Frequenz für die Vorrichtung
nach dem Stand der Technik von 1.
-
3 zeigt
eine Ansicht einer zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
4 zeigt
eine Seitenansicht einer zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
5 zeigt
einen Graph der Transmission gegenüber der Frequenz für eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
-
6a zeigt
einen Graph der Transmission gegenüber der Frequenz für eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
-
6b zeigt
einen Graph der Transmission gegenüber der Frequenz für eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
-
6c zeigt
einen Graph der Bandbreite geteilt durch die Bandmitte gegenüber der
kleinen Halbachse für
eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
-
6d zeigt
die Bandbreite geteilt durch die Bandmitte gegenüber einem Verhältnis Hauptachse zu
Nebenachse für
eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
-
7 zeigt
eine Ansicht einer zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
8a zeigt
ein Diagramm der Transmission gegenüber der Frequenz für eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
-
8b zeigt
einen Graph der Bandbreite geteilt durch die Bandmitte gegenüber der
Halbbreite für
eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
-
8c zeigt
einen Graph der Bandbreite geteilt durch die Bandmitte gegenüber einem
Verhältnis aus
Länge und
Breite für
eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
-
9a zeigt
die Bandstruktur für
eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
9b zeigt
die Bandstruktur für
eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
9c zeigt
die Bandstruktur für
eine zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
10a zeigt eine Seitenansicht der Ausgangsstruktur
zum Herstellen einer Ausführungsform gemäß der Erfindung
unter Verwendung von Silizium auf einem Isolatorwafer.
-
10b zeigt eine e-Strahl-Resist-Maskenschicht,
die auf die Ausgangsstruktur von 10a aufgebracht
ist.
-
10c zeigt die Struktur nach der Strukturierung
der e-Strahl-Resist-Schicht.
-
10d zeigt die Struktur nach dem Ätzen der
SiO2-Schicht, um eine Maske für ein nachfolgendes Ätzen der
Siliziumschicht zu bilden.
-
10e zeigt die fertige Struktur nach dem Ätzen gemäß der Erfindung.
-
11a zeigt eine Seitenansicht der Ausgangsstruktur
zum Herstellen einer Ausführungsform gemäß der Erfindung
unter Verwendung eines GaAs-Substrats.
-
11b zeigt eine e-Strahl-Resist-Schicht, die auf
die Ausgangsstruktur von 10a aufgebracht
ist.
-
11c zeigt die Struktur nach der Strukturierung
der e-Strahl-Resist-Schicht.
-
11d zeigt die Struktur nach dem Ätzen der
SiO2-Schicht, um eine Maske für ein nachfolgendes Ätzen der
GaAs-Schicht zu bilden.
-
11e zeigt die Struktur nach dem Ätzen der
GaAs-Schicht.
-
11f zeigt die fertige Struktur nach der Oxidierung
der Aluminium enthaltenden Schicht.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
3 zeigt
die xy-Ansicht einer typischen zweidimensionalen Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 in
einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
Die Photonischer-Kristall-Platte 315 hat
kreisförmige
Löcher 310,
die in einem periodischen Dreiecksgitter angeordnet sind. Es kann
auch ein periodisches hexagonales Gitter verwendet werden. Kreisförmige Löcher 310 sind
durch die Photonischer-Kristall-Platte 315 geätzt und
sind typischerweise mit einem Material mit niedriger dielektrischer Konstante
wie beispielsweise Luft gefüllt.
Typischerweise wird ein hoher dielektrischer Kontrast benötigt, um
eine Bandlücke
in der xy-Ebene
zu eröffnen.
Gemäß der Erfindung
wird ein Störstellenbereich 325 dadurch
erzeugt, daß die
kreisförmigen
Löcher 310 des
Gitters entlang einer Linie durch elliptische Löcher 320 ersetzt werden,
beispielsweise in der x-Richtung. Die elliptischen Löcher 320 werden
typischerweise mit demselben dielektrischer Material gefüllt, wie
die kreisförmigen
Löcher 110.
Ein Ridge-Wellenleiter 375 koppelt Licht in die Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300,
der seinen Rand bzw. seine Kante an der Linie A, der Linie B oder
der Linie C in 3 haben kann.
-
4 zeigt
eine xz-Schnittansicht der Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300.
Die Photonischer-Kristall-Platte 315 liegt zwischen einer
Mantelschicht 422 und einer Mantelschicht 424.
Typischerweise ist die Mantelschicht 422 zwischen der Substratschicht 410 und
der Photonischer-Kristall-Platte 315 angeordnet (siehe 2).
Typischerweise besteht die Photonischer-Kristall-Platte 315 aus
einem Material mit einer im Vergleich zu Luft hohen dielektrischen
Konstante, wie beispielsweise Silizium oder einem III-V-Halbleiter.
Um eine Index-Einsperrung in z-Richtung zu erhalten, bestehen die
Mantelschichten 422 und 424 typischerweise aus
SiO2 oder einem anderen Material, welches
eine geringere Dielektrizitätskonstante
als das Material der Photonischer-Kristall-Platte 315 hat.
Die Substratschicht 410 besteht typischerweise aus demselben
Material wie die Photonischer-Kristall-Platte 315, um eine
mechanische Unterstützung
bereitzustellen, aber sie kann auch durch Luft gebildet sein. Die
Schicht 412, die über
der Mantelschicht 424 angeordnet ist, ist typischerweise Luft.
-
Die
Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 ist in der
Lage, Licht mit einer Frequenz, die innerhalb der Bandlücke der
Photonischer-Kristall-Platte 315 liegt, in einer geraden
Linie zu übertragen.
Das Wellenleitungsband für
die Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 hängt von
einer Reihe von Faktoren ab. Das Vergrößern der Dicke der Photonischer-Kristall-Platte 315 während alle anderen
Parameter konstant gehalten werden, erhöht die effektive Dielektrizitätskonstante
und verschiebt das Wellenleitungsband der Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 in
Richtung niedrigerer Frequenzen. Das Vergrößern des Querschnitts der kreisförmigen Löcher 310 während alle anderen
Parameter konstant gehalten werden senkt die effektive Dielektrizitätskonstante
und verschiebt das Wellenleitungsband der Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 in
Richtung höherer
Frequenzen.
-
Das
Vergrößern der
Dicke der Mantelschichten 422 und 424 verschiebt
die Position des Wellenleitungsbandes. Wenn die Schichten 412 und 410 Luft
sind, bewegt eine Erhöhung
der Dicke der Mantelschichten 422 und 424 die
Position des Wellenleitungsbandes langsam in Richtung niedrigerer
Frequenzen bis zu einer Sättigung,
bei der eine weitere Erhöhung
in der Dicke keine weitere Verschiebung in der Wellenleitungsband-Position
bewirkt. Wenn andererseits die Schicht 410 nicht Luft,
sondern beispielsweise Silizium ist, bewegt sich das Wellenleitungsband
in Richtung höherer
Frequenzen, wenn die Mantelschichten 422 in ihrer Dicke
vergrößert werden,
und es erreicht eine Sättigung,
bei der eine weitere Erhöhung
der Dicke keine weitere Verschiebung in der Position des Wellenleitungsbandes
bewirkt.
-
Ein
Finite-Differenz-Zeitdomänenverfahren („finite
difference time domain method")
wird verwendet, um das Leistungsverhalten der Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 zu
simulieren. In der Simulation koppelt der kantengeführte bzw. Ridge-Wellenleiter 375 das
Licht in die Photonischer-Kristall-Platte 315 ein. Es wird
angenommen, daß die
Photonischer-Kristall-Platte
eine typische Dicke von ungefähr
0,6 a hat. Eine vollständige
Linie von kreisförmigen
Löchern 310 wird
entlang der x-Richtung entfernt und durch elliptische Löcher 320 ersetzt.
Für die
Berechnungen ist die Gitterkonstante fest. Wenn beispielsweise theoretisch
angezeigt wird, daß ein
Wellenleitungsband bei einem Wert von ungefähr a/λ = 0,26 vorliegt und die zu übertragende Wellenlänge ungefähr 1,55
Mikrometer beträgt,
wird eine Gitterkonstante a von ungefähr 0,4 Mikrometer gewählt. Bei
den Berechnungen wird eine dielektrische Platte mit einer Dicke
von 0,6 a und einer Dielektrizitätskonstante
von 12,96 verwendet. Die Platte wird auf einem halb-unendlichdicken
Material mit einer Dielektrizitätskonstante
von 2 plaziert. Der Ridge-Wellenleiter, der verwendet wird, um Licht
in den photonischen Kristall zu koppeln, ist 2,28 a breit.
-
Bei
den in 5 gezeigten Graphen haben die elliptischen Löcher 320 eine
kleine Halbachse von ungefähr
0,33 a und eine große
Halbachse von ungefähr
0,74 a, wobei a die Gitterkonstante ist. Die kreisförmigen Löcher 310 haben
einen Radius von ungefähr
0,3 a. Die Kurve 501 zeigt die Transmission gegenüber der
Frequenz für
den Fall, in dem der Ridge-Wellenleiter 375 mit
der Photonischer-Kristall-Platte 315 an dem linken Rand
in Kontakt ist, der durch die Linie A definiert ist (siehe 3).
Kurve 502 zeigt die Transmission gegenüber der Frequenz für den Fall,
in dem der Ridge-Wellenleiter 375 mit der Photonischer-Kristall-Platte 315 an
einem linken Rand in Kontakt ist, der durch die Linie B (siehe 3)
definiert ist. Die Kurve 503 zeigt die Transmission gegenüber der
Frequenz für
den Fall, bei dem der Ridge-Wellenleiter 375 mit der Photonischer-Kristall-Platte 315 an
einem linken Rand in Kontakt ist, der durch die Linie C (siehe 3)
definiert ist. Aus den Graphen in 5 ist ersichtlich,
daß es
nicht erstrebenswert ist, die Photonischer-Kristall-Platte 315 entlang
eines Randes zu koppeln, der durch die Linie C definiert ist, wenn
die elliptischen Löcher
eine kleine Halbachse von ungefähr
0,33 a haben. Die Wahl, ob der Ridge-Wellenleiter 375 an einer
Linie A oder einer Linie B gekoppelt wird, hängt von der Frequenz des zu übertragenden
Lichts ab.
-
Für Frequenzen
in einem schmalen Band von weniger als ungefähr 0,245 c/a, zeigt die Kurve 502 eine
bessere Transmission an, während
die Kurve 501 eine bessere Transmission für Frequenzen zwischen
ungefähr
0,25 c/a bis ungefähr
0,275 c/a anzeigt. Für
alle diese Fälle
in 5 sind die linke und die rechte Schnittstelle
zwischen dem Ridge-Wellenleiter und dem photonischen Kristall gleich.
-
Bei
den in 6a gezeigten Graphen haben die
elliptischen Löcher 320 eine
kleine Halbachse von ungefähr
0,37 a und eine große
Halbachse von ungefähr
0,738 a, wobei a die Gitterkonstante ist. Die kreisförmigen Löcher 310 haben
einen Radius von ungefähr
0,3 a. Die Breite des Wellenleitungsbandes beträgt ungefähr 0,176 der Band-Mittenfrequenz.
Die Kurve 601 zeigt die Transmission gegenüber der
Frequenz für
den Fall, in dem der Wellenleiter 375 an dem durch die
Linie A (siehe 3) definierten Rand mit der
Photonischer-Kristall-Platte 315 in Kontakt ist und liefert
eine maximale Transmission von ungefähr 0,89 an dem unteren Rand
des Wellenleitungsbandes. Die Kurve 602 zeigt die Transmission
gegenüber
der Frequenz für
den Fall, in dem der Ridge-Wellenleiter 375 an einem durch
die Linie B (siehe 3) definierten linken Rand mit
der Photonischer-Kristall-Platte 315 in Kontakt ist, und
liefert eine maximale Transmission von ungefähr 0,89 an dem oberen Rand
des Wellenleitungsbandes. Kurve 603 zeigt die Transmission
gegenüber
der Frequenz für
den Fall, in dem der Ridge-Wellenleiter 375 an einem durch die
Linie C (siehe 3) definierten linken Rand mit der
Photonischer-Kristall-Platte 315 in Kontakt ist und liefert
eine maximale Transmission von ungefähr 0,5. Wie aus den Graphen
in 6a ersichtlich ist, ist es nicht vorteilhaft,
im Falle elliptischer Löcher 320, die
eine kleine Achse von ungefähr
0,37 a aufweisen, eine Kopplung mit der Photonischer-Kristall-Platte 315 entlang
eines Randes vorzunehmen, der durch die Linie C definiert ist, da
dies typischerweise eine geringe Transmission liefert.
-
Das
Koppeln des Ridge-Wellenleiters 375 an der Linie B liefert
einen Transmissionskoeffizienten, der größer als ungefähr 0,5 ist,
in dem Frequenzband von ungefähr
0,24 c/a bis ungefähr
0,28 c/a. Das Koppeln des Ridge-Wellenleiters 375 an Linie
A liefert einen Transmissionskoeffizienten, der größer als ungefähr 0,5 ist,
in dem Frequenzband von ungefähr 0,26
c/a bis ungefähr
0,285 c/a. Das Koppeln des Ridge-Wellenleiters 375 an der
Linie C führt
zu einem Transmissionskoeffizienten von ungefähr 0,5 oder weniger für alle interessierenden
Frequenzen, wie durch die Kurve 603 gezeigt ist.
-
6b zeigt
den negativen Effekt auf die Transmission, der auftritt, wenn elliptische
Löcher 320 mit
kreisförmigen
Löchern 310 in
Kontakt kommen und überlappen.
Die Kurve 651 zeigt die Transmission für elliptische Löcher 320 mit
einer kleinen Halbachse von ungefähr 0,39 a und einer großen Halbachse
von ungefähr
0,872 a. Die Kurve 652 zeigt die Transmission für elliptische
Löcher 320 mit
einer kleinen Halbachse von ungefähr 0,41 a und einer großen Halbachse
von ungefähr
0,917 a. In beiden Fällen
berühren
die elliptischen Löcher 320 die
kreisförmigen
Löcher 310 und überlappen
mit diesen. Es ist ersichtlich, daß die Transmission mit zunehmenden Überlapp
zwischen den elliptischen Löchern 320 und
den kreisförmigen
Löchern 310 (mit
einem Anwachsen der kleinen Halbachse) rapide absinkt, aufgrund
einer geringeren Einsperrung der Welle.
-
6c zeigt
die Breite des Wellenleitungsbandes über der Band-Mittenfrequenz
gegenüber der
kleinen Halbachse in Einheiten der Gitterkonstante a, wobei das
Verhältnis
zwischen der großen Achse
und der kleinen Achse für
die elliptischen Löcher 320 bei
ungefähr
2,236 festgehalten ist. Die Kurve 654 zeigt, daß die maximale
Breite der Mittelbandfrequenz ungefähr 0,176 beträgt.
-
6d zeigt
die Breite des Wellenleitungsbandes geteilt durch die Bandmittenfrequenz
gegenüber
dem Verhältnis
zwischen der großen
und der kleinen Achse wenn die kleine Halbachse bei ungefähr 0,37
a festgehalten ist. Das Erhöhen
des Verhältnisses
zwischen der großen
und der kleinen Achse erhöht
die Bandbreite, wie durch die Kurve 656 gezeigt ist. Sowohl
in 6c als auch in 6d nimmt die
Transmission der Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 nachdem die
gezeigt maximale Bandbreite erreicht wurde rapide ab, sobald die
elliptischen Löcher 320 beginnen,
mit den kreisförmigen Löchern 310 zu überlappen,
wie beispielsweise in 6b angezeigt ist.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung elliptisch geformter
Löcher
beschränkt. Beispielsweise
können
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung die elliptischen Löcher 320 durch Rechtecke 720 ersetzt
werden, um eine Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 700 herzustellen, wie
er in 7 gezeigt ist. Die kreisförmigen Löcher 710 haben einen
Radius von 0,3 a. 8a zeigt die Transmission gegenüber der
Frequenz für
den Fall, daß der
Ridge-Wellenleiter 375 entlang des durch die Linie B'' definierten Randes mit der Photonischer-Kristall-Platte 715 gekoppelt
ist, für
die Kurven 812 und 815. Die Kurve 812 zeigt
die Transmission gegenüber
der Frequenz für
Rechtecke 720 mit einer kurzen Seite von ungefähr 0,58
a und einer langen Seite von ungefähr 1,3 a. Die Kurve 815 zeigt
die Transmission gegenüber
der Frequenz für
Rechtecke 720 mit einer kurzen Seite von ungefähr 0,62
a und einer langen Seite von ungefähr 1,38 a. Die Transmissionskurve 815 ist
schlechter, weil die Rechtecke 720 beginnen, die kreisförmigen Löcher 710 zu
berühren
und mit ihnen zu überlappen.
-
8b zeigt
die Breite des Wellenleitungsbandes geteilt durch die Mittenfrequenz
gegenüber der
halben Breite des Rechtecks 720 in Einheiten der Gitterkonstante
a, wobei das Verhältnis
zwischen Länge
und Breite des Rechtecks bei ungefähr 2,236 festgehalten ist.
Wie die Kurve 821 zeigt, beträgt die maximale Bandbreite
ungefähr
0,164.
-
8c zeigt
die Breite des Wellenleitungsbandes geteilt durch die Mittenfrequenz
gegenüber dem
Verhältnis
zwischen der Länge
und der Breite des Rechtecks 720 bei einer halben Breite
des Rechtecks von ungefähr
0,29 a.
-
9a zeigt
die Bandstruktur für
die in 3 gezeigte Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300.
Die durchgezogenen Linien 910 und 920 repräsentieren
die Bandränder
während
die Linie 905 die Grenze des Lichtkegels markiert. Für die Linie
aus elliptischen Störstellen
von 3 gibt es drei gerade Moden 938, 939 und 940.
Die gerade Mode 939 hat niedrige Gruppengeschwindigkeiten,
während
die geraden Moden 940 und 939 höhere Gruppengeschwindigkeiten
hat.
-
9b zeigt
die Bandstruktur für
die Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 700 für Rechtecke 720 von 7,
die eine kurze Seite von ungefähr 0,58
a und eine lange Seite von ungefähr
1,3 a haben. Für
eine Linie aus rechteckigen Störstellen überlappen
eine gerade Mode 948 und eine gerade Mode 949 in
der Nähe
der Frequenz von ungefähr
0,27 c/a, was anzeigt, daß eine
Modenvermischung vorliegt, die bei Einmoden-Anwendungen nicht erstrebenswert
ist. Die gerade Mode 950 ist mit der geraden Mode 940 von 9a vergleichbar.
-
9c zeigt
die Bandstruktur für
die Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 700 mit Rechtecken 720 von 7,
die eine kurze Seite von ungefähr
0,62 a und eine lange Seite von ungefähr 1,38 a haben. Wiederum gibt
es drei gerade Moden, 960, 959 und 958.
Jedoch ist die Transmission für
die Konfiguration von 9c weniger effektiv.
-
Gemäß der Erfindung
liefern elliptische Löcher 320 und
rechteckige Löcher 720 viel
breitere Wellenleitungsbänder
als kreisförmige
Löcher 120.
In allen Fällen
nimmt die Transmission rapide ab, wenn es einen Überlapp zwischen den nicht-kreisförmigen Löchern, wie
beispielsweise elliptischen Löchern 320 oder
rechteckigen Löchern 720 gibt.
Die Transmission nimmt ebenfalls rapide ab, wenn es einen Überlapp
zwischen nicht kreisförmigen
Löchern
und den kreisförmigen
Löchern 310 oder 710 gibt.
Jedoch wird eine Führungsbandbreite
von mehr als 10% für einen
weiten Bereich von elliptischen und rechteckigen Formen erhalten.
Rechteckähnliche
Löcher
mit abgerundeten Formen in der Nähe
von benachbarten Löchern
führen
ebenfalls zu breiten Wellenleitungsbändern.
-
Die
Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 oder die
Photonische-Kristall-Platten-Vorrichtung 700 können wie
in 10a bis 10e gezeigt
hergestellt werden. Die Ausgangsstruktur ist eine Silizium-auf-Isolator
(„silicon
on insulator", SOI)-Struktur
mit einer Siliziumschicht 1010 und einer SiO2 Schicht 1012.
Eine Photonischer-Kristall-Struktur wird in der Si-1010 hergestellt.
Typischerweise wird eine dünne
SiO2-Schicht 1015 über der
Si-Schicht 1010 abgelagert, um als eine Maskenschicht für nachfolgendes Ätzen der
Si-Schicht 1010 zu dienen, wie in 10a gezeigt
ist. Eine E-Strahl-Resist-Schicht 1020 wird typischerweise über der
dünnen
SiO2-Schicht 1015 abgelagert, mit einer
typischen Dicke von ungefähr
400 nm, wie in 10b gezeigt ist. Die Resist-Schicht 1020 wird
in das erwünschte
Gitter-Lochmuster
strukturiert, unter Verwendung von E-Strahl-Lithographie, wie in 10c gezeigt ist. Dann wird die dünne SiO2-Schicht 1015 unter Verwendung
von reaktivem Ionenätzen
geätzt,
um das erwünschte
Gitter-Lochmuster zu erhalten, wie in 10d gezeigt.
Nach der Erzeugung des erwünschten
Maskenmusters wird das in die SiO2-Schicht 1015 geätzte Gittermuster
auf die Si-Schicht 1010 durch eine gesteuerte Ätzung übertragen,
typischerweise unter Verwendung von HBr, wie in 10e gezeigt ist. Man beachte, daß die Si-Schicht 1010 über-ätzt ist,
was zu einem Eindringen in die SiO2-Schicht 1020 führt. Die
fertige zweidimen sionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung
nach der gesteuerten Ätzung
ist in 10e in einer Seitenansicht gezeigt.
-
Die
Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 300 oder die
Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung 700 kann
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, wie in 11a bis 11f gezeigt
ist. Typischerweise wird eine dünne
SiO2-Schicht 1115 über einer GaAs-Schicht 1110 bis
zu einer Dicke von ungefähr 200
nm abgelagert, um als eine Maskenschicht für nachfolgendes Ätzen der
GaAs-Schicht 1110 zu dienen, wie in 11a gezeigt
ist. Die GaAs-Schicht 1110 ist an der AlGaAs-Schicht 1112 befestigt.
Eine E-Strahl-Resist-Schicht 1120 wird über der dünnen SiO2-Schicht 1115 in
einer typischen Dicke von ungefähr
400 nm abgelagert, wie in 11b gezeigt
ist. Die Resist-Schicht 1120 wird unter Verwendung von E-Strahl-Lithographie
in das gewünschte
Gitterlochmuster strukturiert, wie in 10c gezeigt
ist. Dann wird die dünne
SiO2-Schicht 1115 unter Verwendung von
reaktivem Ionenätzen
mit CHF3 geätzt, um das erwünschte Gitterlochmuster
zu erhalten, wie in 11d gezeigt ist. Nach dem Erzeugen
des erwünschten
Maskenmusters wird das in die SiO2-Schicht 1115 geätzte Gittermuster
durch eine reaktive Ionen-Ätzung
typischerweise unter Verwendung von Cl2 auf
die GaAs-Schicht 1110 übertragen, wie
in 11e gezeigt ist. Ein Dampf-Oxidationsprozeß wird dann
an einer AlGaAs-Schicht 1112 vorgenommen, um die Schicht 1112 in
AlO2 umzuwandeln, um den geeigneten Brechungsindex
von ungefähr 1,5
zu erhalten.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen beschrieben
wurde, versteht es sich, daß dem
Fachmann im Lichte der vorhergehenden Beschreibung viele Alternativen,
Modifikationen und Variationen ersichtlich sind. Dementsprechend
beabsichtigt die Erfindung alle anderen solcher Alternativen, Modifikationen
und Variationen einzuschließen,
die in den Schutzbereich der anhängenden
Ansprüche
fallen.