DE60306852T2

DE60306852T2 - Schichtwellenleiter in einem zwei-dimensionalen Photonenkristall mit nicht-zirkularen Löchern

Info

Publication number: DE60306852T2
Application number: DE60306852T
Authority: DE
Inventors: Mihail M. Palo Alto Sigalas; Kai Cheung Palo Alto Chow
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: JP2004046181A; EP1380861A2; US20040008962A1; US6728457B2; EP1380861A3; DE60306852D1; US6853791B2; EP1380861B1; US20040008945A1

Description

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.

Claims

Zweidimensionale Photonischer-Kristall-Platten-Vorrichtung (300, 700), die folgendes umfaßt: eine Photonischer-Kristall-Platte (315, 715), die eine zweidimensional periodische Gitterstruktur aus im wesentlichen kreisförmigen Löchern (310, 720) mit einer Gitterkonstante umfaßt, eine im wesentlichen gerade Linie von Defekten, die einen Wellenleiter in dem zweidimensionalen periodischen Gitter definieren, wobei die gerade Linie von Defekten Löcher (320, 720) umfaßt, die einen im wesentlichen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die genannten Löcher eine solche Größe und Anordnung haben, daß sie sich nicht in physikalischem Kontakt mit den genannten kreisförmigen Löchern befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die im wesentlichen kreisförmigen Löcher jeweils einen Radius haben, der ungefähr das 0,3-Fache der genannten Gitterkonstante beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der genannte im wesentlichen nicht-kreisförmige Querschnitt eine Ellipse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die genannte Ellipse (320) eine Hauptachse und eine Nebenachse hat, wobei das Verhältnis der genannten Hauptachse zur genannten Nebenachse zwischen ungefähr 2 und 2,4 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der genannte im wesentlichen nicht-kreisförmige Querschnitt ein Rechteck (720) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die genannte Photonischer-Kristall-Platte (315, 715) aus Silizium besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das genannte zweidimensionale periodische Gitter ein Dreiecksgitter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die genannten kreisförmigen Löcher (310, 710) mit Luft gefüllt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die genannte Photonischer-Kristall-Platte aus GaAs besteht.