一種基於斜體蜂巢結構的二維光子晶體慢光波導實現方法
2023-06-07 00:25:36
專利名稱：一種基於斜體蜂巢結構的二維光子晶體慢光波導實現方法
技術領域：
本發明涉及一種在普通的二維三角晶格光子晶體波導中同時引入蜂巢結構以及斜體結構從而形成斜體蜂巢光子晶體慢光波導結構的實現方法，屬於全光網絡中的光緩存 領域。
背景技術：
為了克服高速光纖通信中的「電子瓶頸」問題，從而提高通信效率和速率，人們提 出了全光網絡的概念。然而實現超高速的全光網絡，有幾個非常關鍵的技術超高速光源， 光開關，光時鐘同步與恢復，光波長轉換，光緩存等。其中，光緩存是實現信息傳輸和一系列 信息處理功能的關鍵技術之一。網絡節點的吞吐量、丟包率、通道競爭都需要用到光緩存 器。為了實現完全光信息處理的全光路由器、徹底打破光纖通信系統的「電子瓶頸」，光緩存 器是必不可少的關鍵部件。利用光子晶體來做慢光的材料並達到緩存的目的是當下的研究熱點，它的光緩存 的主要思想便是控制光的群速度。光子晶體與其他慢光介質系統相比而言，其主要優勢在 於潛在的帶寬大；光子晶體結構材料設計靈活，通過改變結構參數，可以在任意波長上實現 慢光；光子晶體特殊結構的色散導致群速度降低，理論上群速度可以降到真空光速的10_6 倍，這種慢光傳輸可以在室溫下運行，便於人為控制；光子晶體結構材料器件體積小，可實 現大規模存儲且便於與現有的光通信器件集成，因此倍受關注。目前關於慢光的研究有的基於電磁誘導透明技術(EIT)來實現慢光(文獻 1. N. V. Wheeler, P. S. Light, F. Couny, and F. Benabid ；"EIT-based slow and fast light in an all-fiber system, "Proc. SPIE, Vol.7612，ρ 761202,8February, 2010)或基於光 纖中的非線性效應，如布裡淵散射等(文獻2. Jianguo Liu, Tee-Hiang Cheng, Yong-Kee Yeo, Yixin Wang, Lifang Xue,Weifeng Rong, Luying Zhou, Gaoxi Xiao, Dawei Wang, and Xiaojun Y, "Stimulate Brillouin Scattering BasedBroadband Tunable Slow-Light Conversion in a Highly Nonlinear Photonic Crystal Fiber，，，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 27, NO. 10，MAY 15, 2009) 基於光子晶體波導的慢光研究也有很多方 面，有的利用光電聚合物材料通過外加電場達到可控慢光的目的(文獻3. Che-Yun Lin and Beomsuk Lee, Alan X. Wang, Wei-Cheng Lai, SwapnajitChakravarty, Yazhao Liu, David Kwong, and Ray T. Chen, Jingdong Luo and Alex K. Y. Jen, "Ultra-compact silicon nanophotonic modulator based on electro-optic polymer infiltrated slotphotonic crystal waveguide, "Proc. SPIE, Vol. 7607, ρ 76070D，23February 2010， 文 獻 4. WenjieLu, Yuping Chen，Xianfeng Chen，and Yuxing Xia，"Group Velocity Modulation Based onElectrooptic Photonic Crystal With Waveguide Structure,"IEEE PHOTONICS TECHN0L0GYLETTERS，V0L.22，NO. 8，APRIL 15，2010)，有的通過調諧光子晶體 結構或者引入槽波導來加強慢光的特性，如更大的慢光時延，更寬的可用平坦色散帶寬， 更小的色散等(文獻 5. RanHao，Eric Cassan，Hamza Kurt，Jin Hou, Xavier Le roux,Delphine Marris-Morini, Laurent Vivien, Dingshan Gao, Zhiping Zhou, and Xinliang Zhang,"Novel Kind of Semislow Light PhotonicCrystal Waveguides With Large Delay-Bandwidth Product,"IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS, VOL. 22, NO. 11，JUNE 1, 2010 ；文獻 6. Jun Adachi, Norihiro Ishikura, HirokazuSasaki, and Toshihiko Baba, "Wide Range Tuning of Slow Light Pulse in SOI Photonic CrystalCoupled Waveguide via Folded Chirping，」 IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS INQUANTUM ELECTRONICS, VOL. 16，NO. 1，JANUARY/FEBRUARY 2010，文獻 7. Jin Hou，Huaming Wu, D. S. Citrin, Wenqin Mo, Dingshan Gao, and Zhiping Zhou,"Wideband slow light inchirped slot photoniccrystal coupled waveguides,"OPTICS EXPRESS，Vol. 18，No. 10，pl0567_10580， IOMay 2010)。在通過調節光子晶體結構來優化慢光的效果的文章中，Feng-Chun Leng等通過 改變三角晶格光子晶體兩個基向量的夾角，形成斜晶格的光子晶體波導(oblique lattice photoniccrystal)，這種慢光波導具有比普通三角晶格波導更大的群折射率-平坦慢光帶 寬的禾只(文獻 8. Feng-Chun Leng, Wen-Yao Liang, Bin Liu, Tong-Biao Wang, and He-Zhou Wang, "Wideband slowlight and dispersion control in oblique lattice photonic crystal waveguides", OPTICS EXPRESS, Vol.18，No. 6，ρ 5707-5712，15March,2010)。同 時這種方法也能夠和其他的改變光子晶體結構的方法結合，如改變空氣孔半徑的大小或 者空氣孔的位置等，可以調整出更適合於實際應用的光子晶體慢光波導的結構。蜂巢光 子晶體(honey comb photonic crystal)在調節光子晶體能帶上比普通的光子晶體有更 好的特點，FengWen等人研究了蜂巢光子晶體TE和TM模的完全光子帶隙的性質(文獻 9. Fengffen, Sylvain David, Xavier Checoury, Moustafa El Kurdi, PhilippeBoucaud, 「Two-dimensional photonic crystals with large complete photonic band gaps in both TEand TM polarizations, "OPTICS EXPRESS, Vol. 16，No. 16，ρ 12278—12289， 4August, 2008)，在Yundong Zhang等人的文章中研究了蜂巢光子晶體的TE和TM模能帶曲 線的性質(文獻 10. Yundong Zhang, Bo Yu, Ping Yuan, "Flatband slow light photonic crystal waveguide, in both TEand TM polarizations, " CLEO/PACIFIC RIM' 09),
光子晶體比普通的光子晶體無論對於TM和TE模式有更大的完全光子帶隙，並且對於兩種 模式的光波都有平坦色散的慢光帶寬，因此蜂巢光子晶體對於慢光的特性的調整具有更大 的優勢。本發明首次將斜體光子晶體結構與蜂巢光子晶體結構相結合，研究了這種新型波 導結構的慢光特性，首先研究了斜體的蜂巢光子晶體結構具有比不加斜體的蜂巢光子晶體 具有更好的慢光效果，然後在斜體的蜂巢光子晶體的基礎上進一步調整嵌套的小空氣孔的 位置與半徑大小，從而可以看出適當調整斜體蜂巢光子晶體結構可以進一步優化慢光的效 果。所以這種斜體結構與蜂巢結構結合的光子晶體更加適合於實現慢光。
發明內容
本發明目的在於解決如何通過調節普通的三角晶格光子晶體慢光波導的結 構來提高其慢光的性能的問題，該光子晶體慢光波導結構可以通過在SOI (Silicon On Insulator)材料頂層Si做掩模、在掩模塗電子束膠、離子刻蝕、幹法刻蝕，去掉掩模等步驟完成空氣孔光子晶體的製作。在本專利的光子晶體慢光波導結構中，將斜體光子晶體結構與蜂巢光子晶體結構 相結合，形成斜體蜂巢光子晶體慢光波導結構，通過美國麻省理工學院(MIT)的MPB仿真軟 件對其能帶結構進行仿真，並將缺陷模式的導模對頻率求導，得出群折射率隨頻率的變化 情況，從結果可以看出，帶有斜結構的蜂巢光子晶體波導的慢光特性要優於普通的蜂巢光 子晶體波導，即前者較後者有更大的群折射率_平坦色散慢光帶寬的乘積；另外，通過適當 調整斜體蜂巢光子晶體波導的嵌套小空氣孔的位置與半徑的大小後，慢光的特性有進一步 的提高。本發明的目的可通過如下措施來實現一種在普通的二維三角晶格光子晶體波導中同時引入蜂巢結構以及斜體結構從 而形成斜體蜂巢光子晶體慢光波導結構的實現方法，其中該光子晶體慢光波導是在普通的矽介質背景空氣孔結構的光子晶體的基礎上引 入蜂巢結構和斜體結構所構成的，並通過適當調節光子晶體的結構得到比較理想的慢光效 果的結構，該結構可以通過傳統的SOI製作方法做出空氣孔結構，並通過移動空氣孔的位 置或者半徑的大小來達到調整光子晶體的能帶結構，調整出更好的慢光效果的目的。所述斜體結構的蜂巢光子晶體波導是在完美蜂巢光子晶體的基礎上，去掉其中一 行，並拉近兩側的空氣孔使之形成W0. 85波導，同時改變兩個基向量間的夾角，使之不再為 60°，本專利中此夾角為69°，從而改變了沿波導方向的晶格常數。所述的二維光子晶體慢光波導中，背景介質為矽，空氣孔中是空氣。所述的二維光子晶體慢光波導，空氣孔的半徑為0. 32a。所述的W0. 85波導，是指在完美光子晶體中引入線缺陷，即去掉其中一行，此時的 波導為Wl波導，兩邊空氣孔向波導方向靠近使波導寬度為Wl波導寬度的0. 85倍時的波導 即為W0. 85波導。所述的背景介質矽的折射率為3. 5，空氣孔的折射率為1。所述的蜂巢光子晶體結構，是指在普通的三角晶格的光子晶體中，在相鄰的三個 空氣孔所構成的三角形的重心處再放置一個空氣孔，此空氣孔的半徑要小於周圍的空氣孔 的半徑，從整體上看，就像在一個普通的光子晶體中嵌套了另一套小空氣孔的光子晶體一 樣，小孔的晶格常數為a，折射率為1。所述的斜晶格光子晶體結構，是指在普通的三角晶格的光子晶體中，原本相鄰的 三個空氣孔所構成的圖形為正三角，但在斜晶格光子晶體的結構中改變其中一個角的度 數，使之變成一個等腰三角形，其中波導方向與等腰三角的底邊平行，在本專利中，頂角的 大小採用69°，通過仿真證明這樣可以有效提高慢光特性。所述將斜體結構與蜂巢結構相結合，是指在普通光子晶體結構的基礎上引入嵌套 小孔的蜂巢結構並同時改變三角晶格的基向量的夾角，其中嵌套的小孔的基向量的夾角也 同時改變，角度也為69°。所述調整光子晶體結構，一種是通過移動最靠近波導的兩排空氣孔(大孔)的位 置，另一種是通過改變嵌套的小孔的半徑的大小以及位置來調整光子晶體的結構的。與傳統方法相比本發明有如下優點首先利用光子晶體波導實現慢光要比利用EIT技術實現慢光具有更好的可實現性，後者需要高溫高壓的條件，而且設備複雜，耗資巨大，但是光子晶體在室溫下即可獲得 慢光，既方便又易於實現；光子晶體具有體積小、易於集成等優點，相對於光纖實現慢光的 方法具有更大的緩存容量，也更適合在全光網絡或光計算機器件中集成，有更廣的應用空 間。在光子晶體實現慢光的方法中，利用斜結構的蜂巢光子晶體波導來實現慢光要比 普通的蜂巢光子晶體更有優勢，具體為，對於達到相同的群折射率的情況下，斜結構的蜂巢 光子晶體不加斜體結構的蜂巢光子晶體有更大的平坦色散的慢光帶寬；另外，通過有效調 整斜體蜂巢光子晶體結構中嵌套小孔的位置和半徑大小可以進一步提高波導的慢光性質， 即具有更大的群折射率_平坦色散的慢光帶寬的乘積。本發明的原理如下對於一個中心頻率為的光波，普遍地定義群速度為 da> c V =
dk
-ο
⑴ 其中通過聯想相折射率引入了對應的群折射率~作為傳輸常數。對於在給定的 場條件下表現為線性響應的介質中有k = ηω/c，所以由(1)式可得群折射率為
.. dkdnη (ω0) = c— = η + ω0-—
αωαω進而群速度重寫為 vg( o) =
(2)
似0
(3)π η + ω，
doU由此可以看出，在無色散的介質當中(dn/dco = 0)，群折射率下降到相折射率，
並且光波以預料當中的相速度傳播。然而，當#>0或』>0 (正常色散)且足夠大時，
αω αω
、<<、即出現慢光。通過改變光波群速度來獲得慢光的方法是以此為理論基礎和出發 點，即用各種方法使得dn/dco變大，來達到降低光群速的目的。總的來說，光子晶體波導內的慢光現象是通過導模與周期性晶格之間的不斷發生 布拉格反射作用而形成的。光子晶體波導慢光的核心思想就是通過調整光子晶體波導的結 構，得到比較平坦的缺陷模式色散曲線，並綜合考慮帶寬和色散的影響得到理想的慢光效果。在斜結構的光子晶體中，斜結構光子晶體擁有比普通光子晶體結構更寬的波矢慢 光區域，對應於頻率譜上就有更寬的平坦色散帶寬，即斜結構的光子晶體具有更好的慢光 性質。另外通過增加蜂巢光子晶體結構，可以很好的優化調整光子晶體波導的缺陷模式，通 過調整嵌套小孔的半徑大小以及小孔的位置，來達到更好的慢光結構，在相同的群折射率 的情況下，進一步增加平坦色散的慢光帶寬。
以下各圖所取的光子晶體的結構參數均與具體實施方式
中相同。圖1.結合斜體結構與蜂巢結構的二維光子晶體慢光波導結構
圖2.基向量夾角分別為60°和69°的蜂巢結構慢光波導的色散曲線圖3.基向量夾角分別為60°和69°的蜂巢結構慢光波導群折射率譜圖4.不同小孔半徑的群折射率譜圖5.不同小孔位置的群折射率譜圖6.調整與未調整嵌套結構的群折射率譜對比圖
具體實施例方式此斜體結構的二維蜂巢光子晶體慢光波導結構是由普通三角晶格光子晶體引入 蜂巢光子晶體結構與斜體光子晶體結構而構成的，如圖1所示。在普通的三角晶格的光子 晶體中加入嵌套的小空氣孔的結構，使之變成蜂巢光子晶體結構，同時改變三角晶格兩個 基向量和H之間的夾角θ，使之變成斜體蜂巢光子晶體結構。在如圖1所示的結構中，、H是三角晶格兩個基向量夾角，且二 pi = α ,其中 a是晶格常數，大空氣孔的半徑為R = O. 32a,小孔的半徑為r = 0. Ia,沿波導方向的晶格常 數為Λ，且有Λ = 2aSin(|)。小空氣孔的位置在相鄰大空氣孔所構成的三角形的重心位置
處，所有的空氣孔的折射率為1，介質背景採用純矽，折射率為3. 5。圖中紅色虛線是靠近波 導中心前兩行的大空氣孔的中心位置連線，綠色實線是同一排的小孔的中心位置連線。圖 中Dl和D2分別表示靠近波導中心的第一排和第二排大空氣孔中心位置的位移，並且以圖 中的箭頭方向為正方向，即當空氣孔的位移與箭頭一致時記為正位移，反之為負位移。圖中 d為嵌套小孔的中心位置的位移，在移動時每一排小孔都移動d距離，並且仍然以圖中箭頭 方向為位移的正方向，反之為負位移。(1)斜體蜂巢結構比不加斜體的蜂巢結構有更好慢光效果的實現對於普通結構的蜂巢光子晶體來說，兩個基向量間的夾角θ為60°，沿波導方向 的晶格常數Λ =a，第一布裡淵區的邊界為0.5· (2 π /a)；對於斜晶格的光子晶體波導結 構來說，兩個基向量間的夾角θ為69°，對於斜體結構波導，沿波導方向的晶格常數變為
A = 2asin(|) = 1.13a,所以第一布裡淵區的邊界為0.44· (2 π/a)。實際上，相當於所有的
空氣孔的垂直位置不變，水平方向的晶格常數變為1. 13a，而其他條件均不變。利用美國麻省理工學院(MIT)的MPB仿真軟體可以仿真出這兩種慢光波導結構的 色散曲線，根據式(1)，將導模曲線對頻率求導便可得到群速度，通過群速度就可以求得群 折射率隨頻率的變化情況。由於光子晶體慢光波導最靠近波導中心的兩排空氣孔的位置對波導的慢光特性 影響最大，所以分別移動這兩排空氣孔，使慢光的群折射率分別約為25，50，62，84，並且使 得慢光的平坦色散帶寬儘量大，以得到比較大的群折射率-平坦色散慢光帶寬的積。群折 射率分別約為25，50，62，84時導模的色散曲線如圖2所示，從導模曲線可以看出，斜體蜂 巢光子晶體結構比未加斜體結構的光子晶體波導導模曲線分散，對禁帶頻帶的利用率也更 大。通過式(1)可以得到群折射率譜，如圖3所示，通過圖中的曲線便可以得到平坦色散慢 光的帶寬的值，即Δω。在此處兩種結構的嵌套結構相同，即都採用小孔半徑r = 0. la，小 孔位移d = 0。普通結構和斜體結構的蜂巢光子晶體(即基向量夾角分別為θ =60°和θ =69°時)在群折射率ng分別大約為25，50，62，84時各項值的比較如表1所示。表1.普通與斜體蜂巢結構慢光的各項數值比較
權利要求
一種在普通的二維三角晶格光子晶體波導中同時引入蜂巢結構以及斜體結構從而形成斜體蜂巢光子晶體慢光波導結構的實現方法，其中該光子晶體慢光波導結構是在普通的矽介質背景(折射率為3.5)空氣孔(折射率為1)光子晶體中同時引入了斜體光子晶體結構與蜂巢光子晶體結構，從而有效改善了光子晶體波導的能帶曲線，實現了更好的慢光效果。
2.如權利要求1所述的光子晶體慢光波導結構，其特徵是在普通的三角晶格光子晶 體中，在相鄰空氣孔構成的三角形的重心處放置另一套半徑不同、晶格常數相同的三角晶 格，形成蜂巢結構，並在完美光子晶體中抽去一行，並將兩側的空氣孔向波導方向靠近，形 成W0. 85型波導結構；同時改變兩個基向量間的夾角，從而改變了沿波導方向的晶格常數， 達到引入斜體結構的目的，最終形成斜體蜂巢光子晶體波導結構。
3.如權利要求1或2所述的光子晶體慢光波導結構，其特徵在於具有更加適合於慢光 傳輸的特性在群折射率分別約為25、50、62、84時，斜體蜂巢結構的群折射率-平坦色散 慢光帶寬的乘積較不加斜體的蜂巢結構分別提高65%，28%，35%和25.9% ；在群折射率 分別約為25、50、62、86時，調整了嵌套小空氣孔位置與半徑大小的斜體蜂巢結構的群折射 率_平坦色散慢光帶寬的乘積要比未調整時分別提高7 %，15 %，6. 8 %和11. 8 %。
全文摘要
一種在二維三角晶格光子晶體波導中同時引入蜂巢結構以及斜體結構從而形成斜體蜂巢光子晶體慢光波導結構的實現方法。通過調節光子晶體結構，來實現較高的群折射率以及較寬的平坦色散的慢光帶寬。仿真表明，斜體蜂巢光子晶體波導比不加斜體的蜂巢光子晶體波導，在群折射率分別約為25、50、62、84時，前者的群折射率-平坦色散慢光帶寬積較後者分別提高65％，28％，35％，25.9％；並且通過調整嵌套空氣孔的半徑大小及位置，要比未經過調整的結構具有更大的群折射率-慢光帶寬積，在群折射率約為25、50、62、86時分別提高7％，15％，6.8％和11.8％。從而說明斜體蜂巢光子晶體更加適合於實現慢光，為未來全光通信網絡提供了一種實現超小型的全光緩存器的方法。
文檔編號G02B6/122GK101995604SQ20101028333
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者田慧平, 紀越峰, 翟羿 申請人:北京郵電大學