具有調諧能力和開關能力的光子晶體和裝置的製作方法

2023-04-26 14:11:31 2

專利名稱：具有調諧能力和開關能力的光子晶體和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光子晶體，並且可以可逆地調節和開關這些光子晶體的特性，本發明還涉及包含這樣的晶體的用於控制電磁輻射的傳播的裝置。更具體地，本發明所涉及的光子晶體可以在兩個或更多結構態之間轉變，從而使得能夠對電磁輻射的傳播和調製進行可逆變化地控制。最具體地，本發明涉及光子晶體、電磁輻射諧振腔、頻率選擇濾波器以及性能可動態調諧的光調製器。
背景技術：
在現代計算機和電子裝置中，半導體所扮演的角色是比較難以理解的。半導體材料可以製成多種可能的基本器件，例如電晶體、二極體、LED、雷射器、存儲器、太陽能電池以及傳感器，並且通過這些基本器件可以實現多種裝置和技術。可以將信息產業所帶來的多數重大的經濟影響歸功於半導體材料和加工的發展和進步，並且其中矽無疑是最重要的材料。隨著研究人員和公司持續不斷地發現用於新應用的新材料和新加工技術，這些進步一直持續到了今天。最新動態的例子包含由GaN和相關材料製成的藍光雷射器和發射器，以及包含例如深UV和x射線光刻技術的用於使器件和特徵部件小型化的技術。
半導體所提供的器件性能是源於它們的獨特電子學特性。半導體的一種重要特徵是在價帶電子態和導帶電子態之間存在電子帶隙。電子帶隙代表了從價帶邊延伸到導帶邊的能量範圍，其中在本徵半導體中並不存在電子態。帶隙的存在提供了這樣一種能力，即可以基本上控制在半導體內的電子流動和通過半導體的電子流動。通過在半導體成分中加入摻雜劑，可以實現對導電性的進一步控制。摻雜物是缺陷的例子，缺陷破壞半導體晶格的規則周期性並且由此提供了將電子態和載流子引入電子帶隙中的機制。其它的缺陷包含雜質和結構不規則，例如空位和間隙原子。與缺陷相關的電子態提供了與半導體典型相關的n和p型導電性。缺陷的特性(如摻雜劑或間隙原子的化學特性、結構不規則性的特定形式等等)確定了缺陷電子態相對於價帶邊或導帶邊的能量。缺陷的濃度確定了帶隙中缺陷電子態的數量以及可以佔據這些狀態的電子的數量。因為缺陷可以分別提供在能量上接近於導帶邊和價帶邊的被佔據和未被佔據的電子態，因此它們為控制半導體材料的導電性和流過半導體材料的電流提供了非常大的靈活性。這種靈活性是半導體提供的對電子流動的控制的巨大自由度的核心，而這種對電子流動的控制幾乎導致了計算機和其它電子裝置具有的所有重要效應。實際上，通過控制電子帶隙、電子態和載荷子的數量密度、電子態的能量、摻雜策略、缺陷以及化學成分，半導體提供了準確地控制和導引電流的能力。
近來，已經將注意力集中到開發可以按照半導體控制電子的傳播的方式控制光的傳播的材料。在過去的十年中，已經在這一目標的實現上取得了顯著的進展，並且出現了光子晶體這個新領域。光子晶體起到了「用於光的半導體」的作用，之所以這麼說是因為光子晶體具有規定了不能在晶體中傳播的電磁頻率的範圍的光子帶隙。從最基本的角度來看，半導體控制電子傳播的能力源於組成半導體的原子的周期性晶格設置。原子的準確設置和間隔最終決定了半導體的能帶結構和電子態。周期性也是光子晶體中一個關鍵的概念。但是，替代原子，光子晶體的周期性結構單元是宏觀電介質。光子晶體的例子可以是這樣一種材料，該種材料包含一個平的介電板，該介電板包含沿著該板的薄尺寸方向設置的小孔的周期性設置。這樣一種材料可以被視為一種其中包含空氣的棒的周期性設置，並且對應於其中空氣是宏觀電介質的光子晶體。
棒的周期性圖案的準確細節以及周期性宏觀電介質與它的周圍物質之間的折射率差會影響晶體的特性。在前面的例子中，平的介電板具有高的折射率，而空氣孔具有低的折射率。光子晶體的折射率差對光子傳播所起的作用就類似於半導體中原子的電子勢能對電子運動所起的作用。例如棒的宏觀電介質的周期性晶格設置提供了許多類似於與半導體中原子的晶格周期性相關的電子特性的光子特性。在這些類似特性中最重要的是光子帶隙。能量在光子帶隙內並且沿由光子帶隙規定的方向傳播的光將會受到阻擋，並且不能在光子晶體中傳播。當能量和傳播方向在光子帶隙內的外來光入射到光子晶體上時，這些光不能通過該晶體傳播。相反，這些光完全被反射。另一方面，能量和傳播方向在光子帶隙之外的光可以自由通過該晶體(當然，會經歷普通的吸收和反射過程)。
可以通過多種宏觀電介質形成光子晶體，只要可以實現這些宏觀電介質與它周圍的介質之間的適當折射率差。例如，上述例子中的孔或棒的構成並不限於空氣。可以將其它與周圍的平的介電板之間存在足夠大折射率差的材料用於形成棒。例如，可以在平的介電板中鑽出空氣孔的周期性晶格，並且隨後填充另一種材料以形成一種光子晶體。棒材料的折射率既可以比板材料的折射率高，也可以比它低。另外例如，位於空氣中的包含例如矽的宏觀電介質的棒的周期性陣列代表了一種光子晶體，其中將空氣作為周圍介質。
重要的材料設計考慮因素包含在一定體積的周圍材料內的宏觀電介質的尺寸、間隔以及設置，另外還包含該電介質和周圍材料的折射率。宏觀電介質的周期性可以在一維、二維或者三維上延伸。這些考慮因素會影響光子帶隙的幅度、位於該光子帶隙內的光或其它電磁能量(如紅外、微波等等)的頻率範圍，以及會影響光子帶隙是全部的(在這種情況下，無論入射光的傳播方向如何，都會出現光子帶隙效應)還是部分的(在這種情況下，對於某些而不是全部傳播方向，會出現光子帶隙效應)。其它的實際考慮因素也是重要的，例如製造棒的周期性陣列的可製造性、費用以及製造能力等等。
還可以在光子晶體中實現類似於半導體中的摻雜或缺陷的效應。半導體中的摻雜劑或缺陷所導致的一種固有結果是組成半導體的原子晶格的周期性受到破壞或幹擾。與摻雜物或缺陷相關的電子態是半導體晶格的周期性受到局部幹擾所導致的一種直接的後果。按照類似於將摻雜劑和缺陷引入半導體的方法，可以類似地對光子晶體實施擾動。光子晶體的周期性是位於周圍介質(例如介電板)中的宏觀電介質的規則和有序設置(例如棒)的結果。可以將破壞宏觀電介質的設置的效應用於破壞周期性從而在光子帶隙內生成光子態。例如，用於擾動位於周圍介電板中的棒陣列的可能的方式包含改變一個或多個棒的尺寸、位置、光學常數、化學成分，或者通過兩種或多種材料形成棒。在光子帶隙中創造光子態的能力為對入射光的頻率和方向進行控制提供了進一步的靈活性，其中入射光受到光子晶體的反射、改變方向、局域化或其它形式的影響。
人們普遍的看法是光子晶體將會是下一代信息、光學和通信系統的基礎。許多人相信，光子晶體所提供的對光傳播進行控制的潛在能力會超過半導體控制電子傳播的能力，並且隨著基於光子晶體的新技術和工業的出現，會出現同樣較大的經濟利益，其中這些新技術和工業可以按照更複雜的方式選擇性地阻礙、導引或局域化光傳播。受到光子晶體影響的科技領域在範圍和種類上都在繼續增長。可設想到的應用包含發出具有非常窄的波長範圍或納米尺寸的波長範圍的光的LED和雷射器、方向選擇反射器、窄波長光學濾波器、用於引導光的微腔、彩色顏料、高容量光纖、結合光子和半導體從而產生新功能的集成光子電子電路、用於光限制的裝置、光開關、調製器，以及微型波導。
隨著光子晶體領域的發展，對新光子帶隙的材料的需要不斷增加。增強光子晶體應用的靈活性和範圍迫切需要的特徵是調節光子晶體的特性的能力，從而可以按照需要在程度或種類方面調整其性能或者甚至可逆地打開和關閉光子晶體。例如在波長選擇濾波器中，特定的光子晶體具有這樣一種能力從寬帶輸入內選擇特定的光頻率並且可以優先地使其透射或受到反射。在這樣一種應用中，希望得到的是可以改變光子晶體的性能，以便該光子晶體具有可以根據特定情況的需要選擇不同波長的能力。例如，在一種情況下，希望選擇綠色波長，而在另一種情況下，可能希望選擇紅色波長。作為第二個例子，當電磁輻射諧振腔耦合到兩個波導時，它使得可以實現電磁輻射從一個波導到另一個波導的頻率選擇性傳輸或路由。在這樣一種應用中，希望得到的是按照命令調用路由從而實現對光傳播的更大控制。因此，希望得到的是例如光子晶體的材料和用於控制電磁輻射的傳播的裝置，並且該裝置的性能可容易地調節，或者其效果可以可逆地打開或關閉。

發明內容
本發明提供了一種光子晶體和包含這種光子晶體的用於控制電磁輻射的傳播的裝置，其中可以可逆地調節或開關該種光子晶體的特性。該光子晶體包含可以在兩個或更多個結構態之間進行可逆轉變的相變材料。


圖1示意性描述了相變材料的狀態。繪製出了這些狀態的電阻作為能量或功率的函數的曲線圖。
圖2繪製了對於Ge2Sb2Te5，光學常數(n、k、eps(實部和虛部))作為電磁輻射的波長的函數的曲線。
圖3示意性描述了一個6×6二維光子晶體。
圖4是描述圖3中所示的二維光子晶體的平面圖。
圖5是包含相變材料的光子晶體棒的示例性實施例。
圖6示意性描述了具有一個缺陷的一個5×5二維光子晶體。
圖7示意性描述了具有一個缺陷的一個5×5二維光子晶體。
圖8示意性描述了根據本發明的光子裝置。
圖9示意性描述了出自圖8中所示光子裝置的諧振腔的衰減通路。
圖10是根據本發明的光子裝置的平面圖。
圖11是根據本發明的光子裝置的平面圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種具有可以被可逆地調節或開關的特性的光子晶體，以及提供了利用這些晶體的電磁輻射傳播和路由裝置。可以將光子晶體視為包含位於周圍介質中的宏觀電介質的單元的集合。光子晶體的特性是由以下因素確定的宏觀電介質和它的周圍介質之間的介電常數或折射率差；被組裝從而形成光子晶體的宏觀電介質單元的尺寸和形狀；這些單元在周圍介質內的晶格結構中的設置和維度；以及在晶格中存在的缺陷以及這些缺陷的特性。
一旦已經形成了光子晶體，那麼就很難改變該光子晶體的特性，這是因為一旦形成或製造了光子晶體，例如宏觀電介質單元的尺寸、形狀、晶格設置、折射率、化學成分以及晶格缺陷的特性等的變量就被固定下來。為了舉例說明改變光子晶體帶來的難度，我們可以考慮一種二維光子晶體，而該二維光子晶體包含位於空氣中的宏觀電介質的圓柱棒的周期性陣列，其中將空氣作為周圍介質並且這些棒具有一致的尺寸和成分。在這樣一種光子晶體中，通過改變該陣列中單個棒的直徑可以製造缺陷。例如，如果將該晶體用作諧振器或微腔，那麼就由缺陷棒相對於陣列中其餘棒的直徑決定了由該微腔所支持的(多個)諧振模式的頻率。理論上，可以通過調節缺陷棒的直徑調諧諧振模式的頻率。但是，實際上，難以實施這樣一種調諧，這是因為為了改變缺陷棒的直徑，必須以準確的方式將材料加入到缺陷棒或從缺陷棒中移除材料，而不能影響其它棒。以下面這些方式調節光子晶體的特性也是同樣困難的完全移除一個缺陷棒，或者用與周圍棒相比具有不同的化學成分或折射率的棒替代該缺陷棒，或者選擇性地改變一個或多個周圍棒的特性。這些以及相關的對宏觀電介質的特性和設置的結構和/或組成的操作基本上是不現實的，並且因此在現有技術中非常缺乏可實際調節和開關的光子晶體。
本發明提供了用於在光子晶體和裝置中實現可調節能力和可開關能力的更加方便的方法。如這裡所使用的，可調節能力指調節光子晶體在頻率選擇性或對電磁輻射傳播的影響的有效程度方面的性能。可調節能力，例如，包含改變光子晶體在一個或多個頻率的性能相對於在其它頻率的性能的能力，以及改變光子晶體在一個特定頻率的性能的能力。此後，將上述後面一種能力稱作調製或調製效應。
如這裡所使用的，開關是指以ON/OFF工作形式，使得光子晶體的性能可用或不可用。在ON狀態下，光子晶體效應至少對我們感興趣的一個特定頻率的電磁輻射具有一定程度的影響。因此，當處於ON狀態時，根據物質的光子晶態的本徵效應，光子晶體可以影響特定頻率的電場輻射的傳播。光子晶態的本徵效應在本領域中是公知的，並且例如在下面的文獻中對光子晶態的本徵效應進行了描述J.D.Joannopoulos，R.D.Meade和J.N.Winn等人的PhotonicCrystals(Princeton University Press，1995)；E.Yablanovitch的Photonic Crystals(Journal of Modern Optics，vol.41，p.173(1994))；S-H.Fan的「Channel drop filters in photoniccrystals」(Optics Express，vol.3，p.4(1998))中；以及S.John和K.Busch的「Photonic band gap formation and tunability ofcertain self organizing system」(Journal of LightwaveTechnology，vol.17，p.1931(1999))。在OFF狀態下，光子晶體效應對我們感興趣的特定頻率的電磁輻射並不產生影響。儘管處於OFF狀態下的光子晶體並不根據光子晶態的本徵效應影響光的傳播，但是它會根據例如反射、折射等等的普通光學效應影響光的傳播。ON/OFF切換是指使光子晶態的本徵效應起作用和不起作用。在這裡除非特別指明，否則我們所指的對光傳播有影響就是指光子晶態的本徵效應起作用。如這裡所使用的，名詞「傳播」廣義地指當一種或多種頻率的光從空間的一個位置移動到另一個位置時它的狀態、強度和/或路徑。例如，傳播包含路由的概念，並且可以將路由視作對光的運動的方向性控制。
這裡公開了一種包含相變材料的光子晶體和包含這種光子晶體的裝置。相變材料是這樣的材料當能量增加時，它會展現出結構變化。相變材料的許多特性和成分在本領域中是公知的，並且原來就已經對其進行了討論，例如在本受讓人的美國專利Nos.3,271,591；3,530,441；4,653,024；4,710,899；4,737,934；4,820,394；5,128,099；5,166,758；5,296,716；5,534,711；5,536,947；5,596,522；5,825,046；5,687,112；5,912,104；5,912,839；5,935,672；6,011,757；和6,141,241，以及在本受讓人的美國專利申請Ser.No.10/026395，並且將這些公開包含進來作為參考。在下面的幾段中，對與本發明的光子晶體相關的這些特性和成分中的一些進行了簡要的回顧。
本發明中的相變材料的一個特徵是在結晶、部分結晶和非晶結構態之間可逆地轉變的能力。一定體積的相變材料具有一系列結構態，這些結構態的範圍從純粹非晶到純粹結晶，並且包含具有部分結晶率(其中一定體積的相變材料包含結晶區域和非晶區域)的多個中間態。可以利用部分或百分比結晶率描述相變材料的結構態的特徵，其中完全非晶態對應於0％的結晶率，而完全晶態(包含單晶體和多晶實施例)對應於100％的結晶率。部分結晶結構態具有位於非晶極限和晶體極限之間的部分結晶率。部分結晶率是相變材料內結晶區域的相對豐度的度量標準。
將能量施加到相變材料會導致相變材料在它的結構態之間進行轉變。上述的美國專利對相關的考慮因素進行了更為全面的討論，並且現在對它們進行簡要的回顧。相變材料具有特徵融化溫度和特徵結晶溫度，並且對於這些溫度，通過控制施加到相變材料上的能量可以影響結構態。如果施加的能量足以將相變材料加熱到高於它的融化溫度，並且隨後對其進行快速淬火，那麼這會有助於非晶相的形成。另一方面，慢淬火可以允許實現結晶和在相變材料內形成結晶區域從而提供部分結晶或結晶材料。如果所施加的能量足夠將相變材料加熱到它的結晶溫度和融化溫度之間，那麼這可能會導致非晶區域部分或全部轉變為結晶相。
是否從非晶區域形成結晶區域以及非晶區域形成結晶區域的程度取決於施加到相變材料的能量的量和/或功率(即增加能量的速率)。通過生長或耗盡在相變材料中形成結晶區域或改變現有的結晶區域所需的能量的量和/或功率取決於這樣一些因素，例如相變材料的化學成分、相變材料的初始態，以及晶體成核和生長過程的動力學和熱動力學。
還可以將能量施加到一定體積的相變材料的選出部分，從而導致局部化的結構轉變，而不幹擾相變材料的周圍部分。還可以將這樣的局部化結構轉變用於改變一定體積的相變材料的部分結晶率。所以，相穩定性和在結構態之間轉變會受到包括以下這些因素的因素的影響結晶過程的動力學和熱動力學、相變材料內能量的分布和流動(如耗散、擴散、傳導)，以及所施加能量的強度、持續時間和空間分布。
當以適當的速率將適量的能量施加到相變材料或其部分時，會實現在結構態之間的轉變。可以使用多種形式的能量來實現在結構態之間的轉變。能量可以是電磁輻射(包含紅外、光、雷射和微波源)、電能、熱能、化學能、磁能、機械能、粒子束能、聲能或它們的組合的形式，並且可以使用單個能量源或多個能量源。例如，電能的傳遞可以是電流或電壓的形式，並且可以是連續的或脈衝的形式，且脈衝的高度和寬度是可控的。光能的形式可以是具有受控的波長、線形、能量和/或功率的脈衝或連續雷射束。雷射二極體是適用於本發明的一種光能量源的例子。光源是方便的，這是因為不需要為了提供實現結構態之間轉變所必需的能量或功率而物理連接光源與相變材料。
包含在這裡作為參考的美國專利No.3,271,591；3,530,441；5,166,758；5,296,716；5,534,711；5,536,947；5,596,522；5,825,046；5,687,112；5,912,839；和6,141,241描述了可能發生在一定體積的相變材料內的結構態之間轉變的例子。在這些參考專利中的多數討論都考慮以電能(例如，具有各種幅度和持續時間的電壓或電流脈衝)的形式施加能量，但是如果以適當的速率施加適量的其它形式的能量時，也可以得到類似的結構轉變。
參考圖1，可以方便地描述包含在這裡作為參考的美國專利No.3,271,591；3,530,441；5,166,758；5,296,716；5,534,711；5,536,947；5,596,522；5,825,046；5,687,112；5,912,839；和6,141,241中描述的結構轉變。圖1描述了相變材料的所選結構態的電阻(用符號表示)作為能量或功率的函數的一般相關性。為了本發明的目的，在圖1中描述了兩種行為範圍位於左側的積累區域(accumulation region)和位於右側的可逆區域。在這兩種範圍的邊界處，電阻值陡然下降。可以將電阻的陡然下降稱作設置轉變。積累區域內的結構態的特徵在於電阻值基本上一致，而可逆區域內的結構態的特徵在於電阻值變化範圍很大。
圖1的積累區域描述了具有基本上相同電阻值的多個結構態。積累區域內的結構態可以是非晶的、基本上非晶的或部分結晶的。積累區域內的結構態的部分結晶率沿著所施加的能量或功率增加的方向增加。因此，當在積累區域中增加能量或功率時，部分結晶率也會增加，並且能量的效應會在積累區域中積累。部分結晶率的增加可能是由於相變材料中新結晶區域的形成、現有結晶區域的生長或它們的組合。
如果施加了足夠的能量積累量(單次或多次施加能量)，那麼描述相變材料的行為範圍從積累區域變成可逆區域。電阻的陡然降低對應於相變材料從積累區域變化到可逆區域。可逆區域中能量最低的結構態是設置態。使相變材料從它的積累區域變化到它的可逆區域稱作「設置」相變材料。
儘管不希望受到理論的限制，但是本發明者認為，通過建立低阻設置態從而進入可逆行為範圍是在相變材料中形成連續結晶路徑所導致的結果。當在積累區域中施加能量時，我們認為相變材料將會經歷一系列具有不斷增加的部分結晶率的部分晶態。本發明者認為在積累區域中，結晶區域分散在非晶相中，使得不存在貫穿相變材料的連續結晶路徑。因為與結晶相相比較，非晶相具有更高的電阻，所以在積累區域中，連續結晶網絡的不存在導致相變材料出現高的電阻。
本發明者認為，在積累區域中將能量施加到相變材料的結構態會引起新結晶區域的形成或現有結晶區域的生長，從而增加結晶相的相對豐度。如果並沒有形成連續結晶網絡，那麼結晶相的豐度的增加基本上不會影響相變材料的電阻。本發明者認為，連續結晶網絡的形成會在設置轉變過程當中發生，並且認為伴隨設置轉變而發生的電阻的降低是由於出現了貫穿連續結晶相的傳導路徑。本發明者認為，這種連續結晶路徑的形成與從積累範圍轉變到可逆行為範圍是一致的。因為與非晶相相比，結晶相具有較低的電阻，所以連續結晶網絡的存在會導致較低的電阻。
在可逆區域中，所施加的能量會影響結晶網絡。能量的加入會導致相變材料受熱和溫度升高。如果將足夠的能量施加到相變材料，那麼相變材料可能會融化或產生高遷移率狀態，或者對設置時形成的連續結晶網絡產生熱幹擾。如果出現融化或引入了適當的高遷移率狀態，那麼隨後的冷卻會導致相變材料的結晶區域具有不同的豐度或連續性。融化、高遷移率狀態的引入或者結晶網絡的熱幹擾會破壞通過低阻結晶相的傳導路徑，並且因此會導致可逆區域中相變材料的電阻增加。融化、高遷移率狀態的引入或者結晶網絡的熱幹擾要求在加熱處或其附近保持足夠的能量從而使得可以發生融化、高遷移率的引入或者熱幹擾。因為由熱傳導性、熱容、損耗到周圍環境中等等原因導致的熱耗散過程起到移除能量的作用，因此抑制了融化、高遷移率狀態的引入或者結晶網絡的熱幹擾，所以能量加入率必須足夠高以便在補償熱耗散過程的同時，允許發生融化、高遷移率狀態的引入或者結晶網絡的熱幹擾。因此，能量率或功率是電阻曲線的可逆區域中一個重要考慮因素。
根據圖1的可逆區域中功率和相變材料的狀態，電阻可能會增加或降低，該增加或降低反映了相變材料中結晶網絡的變化和/或結晶區域的豐度的變化。之所以使用了可逆區域這一名稱，是因為可逆區域中相變材料的行為是可逆的。在圖1的可逆區域中，用兩個箭頭描述了這種可逆性，並且本發明者認為這種可逆性反映了施加功率以改變相變材料中結晶網絡特性的可逆能力。通過聰明地施加功率，可以形成可逆區域中的結構態，將其轉變成可逆區域中的其它態，以及重新形成可逆區域中的結構態。功率和電阻可以與可逆區域中的每個點相關。如果所施加的功率超過了與描述可逆區域中相變材料的特定結構態的點相關的功率，那麼相變材料的電阻就會增加。相反，如果所施加的功率小於與描述可逆區域中相變材料的特定結構態的點相關的功率，那麼相變材料的電阻就會降低。本發明者認為，可逆區域中電阻的增加以下述方式反映了相變材料的結晶成分的中斷或重構對於可逆區域中電阻的減小，貫穿結晶成分的傳導路徑的數量、尺寸或容量降低，而沒有破壞貫穿至少一部分相變材料的連續性，反之亦然。
本發明者認為，電阻的增加主要是由於所形成的非晶區域的增加，而這種非晶區域的增加是以結晶區域的減少為代價的，並且總的趨勢是結構態的部分結晶率隨著與可逆區域中設置態的分離程度的增加而降低。當施加足夠的功率驅動相變材料使其達到圖1的右側遠端時，相變材料恢復到它的積累行為範圍。本發明者認為，當提供給相變材料的功率足以破壞相變材料的結晶區域的連續性時，會發生積累區域的恢復。圖1中顯示的曲線對應於設置和重新設置的一個循環周期。因此可以在多個循環周期內對相變材料進行可重複的設置和重新設置。因此，相變材料的從積累區域到可逆區域的轉變在多個操作循環周期內是可逆的。
因此，包含在這裡作為參考的美國專利No.3,271,591；3,530,441；5,166,758；5,296,716；5,534,711；5,536,947；5,596,522；5,825,046；5,687,112；5,912,839；和6,141,241描述了這樣一種能力通過以適當的速率聰明地施加適量的能量，可以控制相變材料內結晶區域的部分結晶率和空間設置。
上述包含進來作為參考的No.4,653,024；4,710,899；4,737,934；4,820,394；5,128,099；5,912,104；5,935,672；6,011,757以及美國專利申請Ser.No.10/026395描述了將相變材料用作光記錄介質時該相變材料的結構態。這些參考文獻大體上描述了使相變材料在基本上晶態和基本上非晶態之間可逆的轉變的能力，並且這種轉變是使用例如具有適當的波長、強度、功率以及線形的光激勵源實現的。在典型的光記錄應用中，將包含相變材料的數據單元用於存儲、寫或者擦除數據。被擦除的狀態典型地為基本上晶態，而寫入是通過提供足夠量的能量在對應於一個數據單元的相變材料體積內產生非晶標記。通過對所施加的能量的速率、數量以及空間分布以及對熱衡算進行聰明地控制，可以準確地控制在數據單元內形成的非晶標記的形狀和體積。因此，可以容易地和連續地改變與數據單元相關的一定體積相變材料的部分結晶率。
上述包含進來作為參考的美國專利No.4,653,024；4,710,899；4,737,934；4,820,394；5,128,099；5,912,104；5,935,672；6,011,757和美國專利申請Ser.No.10/026395進一步指示了通過將相變材料包含進層的堆疊中，可以延長相變材料在非晶相和結晶相之間的循環壽命。在這些堆疊中，相變材料嵌入到一系列層中，例如介電層(如SiO2、ZnS、Al2O3、GeO2、TiO2)、反射或金屬層(如Al、Au、Ag、Pt、Cu、Ti)或者保護層(如丙烯酸脂、聚合物)。儘管不希望受到理論的限制，但是本發明者認為，相鄰層可以提供輔助的機械支撐，而這種機械支撐可以使得相變層在它的非晶相和結晶相之間重複變化時，相變層的性能不會下降。
適用於本發明的示例性相變材料包含下述元素中的一種或多種In、Ag、Te、Se、Ge、Sb、Bi、Pb、Sn、As、S、Si、P、O，以及它們的混合物或合金，並且優選為低共熔性成分。在一個優選實施例中，相變材料包含一種硫族元素。在一種最優選的實施例中，相變材料包含Te作為硫族元素。在另外一種優選實施例中，相變材料包含硫族元素與Ge和/或Sb的結合，例如Ge2Sb2Te5、Ge4SbTe5、Sb2Te3以及相關的材料。在另一種優選實施例中，相變材料包含GeTe自身或與CdTe的固溶體。在另一種優選實施例中，相變材料包含Ag和/或In；特別是與Sb和/或Te的結合。在另一種最優選的實施例中，相變材料包含AgInSbTe族中的低共熔性成分，例如AIST。在另一種優選實施例中，相變材料包含硫族元素和過渡金屬，例如Cr、Fe、Ni、Nb、Pd、Pt或者它們的混合物和合金。在上述包含進來作為參考的美國專利中提供了適用於本發明的相變材料的一些例子。適用於本發明的材料還可以包含介電材料和相變材料的混合物。共同轉讓的美國專利No.6087674中描述了這樣的混合物，並且其公開包含在這裡作為參考。
儘管不希望受到理論的限制，但是本發明者認為，在從非晶相轉變到結晶相時展現出成鍵雜化(bonding hybridization)的變化的相變材料最適用於本發明。本發明者認為，d-軌道的加入和d-軌道從一種相中的一種雜化方案轉變到另一種相中的另一種雜化方案對本發明特別有利。本發明者認為，伴隨本相變材料從非結態轉變到晶態的光學常數的大變化是由於不同雜化方案所反映的成鍵結構的變化。
將在結構態之間的轉變用於光子晶體是有利的，這是因為一定體積相變材料中結晶區域的部分結晶率和/或空間分布或連接性的變化會導致相變材料的光學特性發生變化。圖2顯示了多晶和非晶形式的相變材料Ge2Sb2Te5的光學常數n(折射率)、k(消光係數)以及ε(介電常數(其中將希臘子母epsilon縮寫為eps))之間的比較。在繪製該圖時，將光學常數的值作為電磁輻射的波長的函數，這些電磁輻射的頻率位於電磁波譜的紫外、可見光和近紅外部分。
折射率變化顯示了多晶相和非晶相之間的對比(例如將其表示為比值)在700nm波長附近是低的，並且對於長於和短於該波長的波長來說，該對比增加。對於長於1000nm或短於600nm的波長來說該對比特別高，並且對於長於1400nm或短於400nm的波長來說該對比更是特別高。在短於300nm波長處，非晶相和多晶相的消光係數是相似的，而在較長波長處不同。消光係數的對比在波長長於大約1200nm波長時特別顯著，在該波長範圍非晶相的消光係數接近零。因為在電磁輻射的給定波長消光係數與吸收係數成比例，所以圖2的數據指示了在波長長於大約400nm時Ge2Sb2Te5的多晶相比非晶相更具吸收性。數據進一步指示了非晶相在波長長於大約1400nm時顯示出很小的吸收性或不顯示出吸收性，並且因此在這些波長是高度透射的。介電常數數據顯示了類似的差異，並且通過下面的等式與折射率和消光係數數據相關ε＝εreal+iεimaglnary=n+ik]]>εreal＝n2-k2εimaglnary＝2nk其中光學常數的值與普通頻率處的值對應。
可以將伴隨相變材料的結構態之間的轉變的折射率、吸收、介電常數以及其它光學特性的變化用於實現光子晶體性能的可調節能力和可開關能力。圖2中顯示的數據代表了相變材料的非晶相和多晶相之間在光學常數上的變化和對比。對於具有其它化學成分的相變材料來說也會發生類似的變化。部分結晶相的光學常數介於多晶相和非晶相的光學常數之間。因此，對相變材料的結構態的集合提供了與光子晶體的性能有關的光學常數值的連續性及其對比。通過對結構態之間的變化進行控制使得可以對光學常數的變化進行控制，並且因此可以控制包含相變材料的光子晶體的性能。
如將在下面更加充分的描述，由相變材料的結構態之間的轉變所導致的折射率的變化使得包含相變材料的光子晶體諧振腔的頻率選擇性具有可調諧能力。在一個優選實施例中，在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處，相變材料的非晶相和結晶相的折射率相差至少10％。在一個更加優選的實施例中，它們在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處相差至少25％。在一個最優選的實施例中，它們在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處相差至少50％。
如將在下面詳細描述的那樣，由相變材料的結構態之間的轉變所導致的消光係數的變化，為包含相變材料的光子晶體諧振腔提供了調製和開關效應。在一個優選實施例中，在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處，相變材料的非晶相和結晶相的消光係數相差至少20％。在一個更加優選的實施例中，它們在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處相差至少50％。在一個最優選的實施例中，它們在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處相差至少75％。
在將本發明的光子晶體用作電磁頻率諧振腔的實施例中，本發明提供了對諧振腔的內部損耗的控制，如將在下面詳細描述的那樣。在這些應用中，對於處於非晶態和晶態的相變材料來說，優選的是折射率與消光係數的比之間有不同。在一個優選實施例中，在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處，折射率與消光係數的比相差至少10％。在一種更加優選的實施例中，它們在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處相差至少25％。在一個最優選的實施例中，它們在光子晶體的光子帶隙中的一個或多個頻率處相差至少50％。
本發明的實施例包含其中包含相變材料的光子晶體和包含這樣的光子晶體的可調諧和可開關裝置。如在上面描述的那樣，光子晶體包含由位於周圍介質中的宏觀介電材料構成的一個或多個單元的周期性設置。每個宏觀介電單元都具有特定的尺寸、形狀、折射率、消光係數、介電常數、化學成分等等，並且多個這種單元的周期性設置的集合提供了一種光子晶體。宏觀介電單元的例子包含平面、棒、孔以及球。光子晶體內的單元可以是相同的，或者可以組裝或組合一種或多種特性不同的單元的組合來形成光子晶體。在一維、二維或三維空間具有周期性的光子晶體均在本發明的範圍之內。具有缺陷的光子晶體同樣也在本發明的範圍之內。具有代表性的缺陷包含與宏觀介電單元的一致集合相比，具有一個或多個不同特性的一個或多個宏觀介電單元。與宏觀介電單元的設置、周期性和特性相關的具體細節決定了例如光子帶隙的特性(例如寬度、形狀和中央頻率)，並決定了在光子帶隙中是否存在光子態。
下面對代表性的例子進行了討論。
例子1在該例子中，描述了本發明範圍內的一種代表性光子晶體。圖3描述了一種二維光子晶體。晶體100包含棒101的周期性設置，並且棒101由位於周圍電介質中的宏觀介電材料構成。在一個優選實施例中，周圍電介質是SiO2。也可以將空氣和許多其它介電材料用作周圍介質。如該圖中所示，該例子中的棒的半徑為r，晶格間隔為a。可以通過現有技術中公知的方法，改變例如棒的r、a、折射率以及棒的消光係數的因素，來改變該例子中的光子晶體的光子帶隙在電磁頻譜中的寬度和位置。圖3的實施例表示了棒的6×6正方形晶格陣列。圖4用另一種形式描述了圖3的光子晶體，並且圖4是以平面圖的形式顯示了該晶體。
該例子中的棒可以完全地或部分地由根據本發明的相變材料構成。部分地由相變材料構成的棒可以包含作為蓋層102、塗層103或者內部層104的相變材料，如這裡的圖5中所示。棒105的其餘部分可以包含一種或多種其它介電材料，並且這些介電材料與空氣之間具有足夠大的折射率差從而可以提供光子晶體效應。
將相變材料結合到該例子中的光子晶體的一個優勢在於，它使得可以通過改變結構態動態地調節光子帶隙。如上面所述，施加能量會導致相變材料在它的結構態之間進行轉變，其中每個結構態的特徵在於具有不同的光學常數的組合。不同的結構態之間的折射率變化提供了光子帶隙的可調節能力。對於由結構態之間的轉變導致的給定折射率變化，可調節能力的範圍隨著包含在棒中的相變材料的相對比例變化。對於完全由相變材料構成的棒來說，會出現最大的效應，並且隨著棒中相變材料的體積比例降低，效應的幅度也會降低。
在該例子的一種優選實施例中，相變材料對光子帶隙內的波長表現出很小的吸收或者不表現出吸收。在該優選實施例中，至少對於入射電磁輻射的一些偏振態(如TE或TM)和入射角度，光子晶體完全或幾乎完全反射光子帶隙內的波長並且可以用作這些波長的反射元件。至少對於一些偏振態和入射角度來說，還可以將該光子晶體用作從輸入的任意寬帶電磁輻射中有效濾除光子帶隙內的波長的元件。
與圖3和4中描述的例子相關的實施例也在本發明的範圍內。可以在包含相變材料的周圍電介質中形成孔的設置，而不是使用位於空氣中的棒的設置。在該實施例中，由孔直徑和間隔以及與周圍電介質之間的折射率差確定光子帶隙。周圍電介質可以全部地或部分地由相變材料構成。當以足夠導致相變材料的結構態發生轉變的量和速率向周圍介質材料施加能量時，這種光子晶體會展現出可調節能力。
還有這樣一個實施例，其中相變材料同時存在於周圍介電材料中和宏觀電介質單元中，而由這些周圍介電材料和宏觀電介質單元組合在一起形成光子晶體。在周圍電介質和周期性設置的宏觀電介質單元中以不同結構態存在的相變材料提供了光學常數差，從而可以提供例如光子帶隙的光子晶體效應。例如，可以將包含處於結晶相的相變材料的棒組裝在由處於非晶相的相變材料構成的周圍介質中。
圖3和4的實施例描述了棒的正方形晶格設置。例如三角形、六邊形或矩形的其它設置方式也在本發明的範圍之內。具有任意數量棒的周期性晶格也在本發明的範圍之內。具有非圓形橫截面的棒或孔也在本發明的範圍之內。圖3和4中顯示的包含具有圓形橫截面的棒的6×6實施例僅是代表性的。儘管具有圓形橫截面的棒是本發明的一種優選實施例，但是具有非圓形橫截面的棒也在本發明的範圍之內。
本領域中的光子晶體的一種公知的特性是可伸縮性。通過改變晶格間隔和棒的尺寸，可以形成具有位於基本上任意電磁頻率範圍內的光子帶隙的光子晶體，這些電磁頻率包含微波、紅外和可見光頻率。
例子2在該例子中，將缺陷包含到例子1的實施例中。在該例子中，描述了二維晶體的一種5×5實施例。通過改變棒的周期性設置中的一個或多個棒的一個或多個特性從而生成缺陷，而在沒有產生缺陷之前這些棒具有相同的特性。例如，如圖6的平面圖中所示，可以使單個棒變大從而生成缺陷110。類似地，如在圖7的平面圖中所示，可以使單個棒的直徑減小從而生成缺陷111。還可以通過使多於一個棒變大或變小，或者通過使一些棒變大而使另外一些棒變小來生成缺陷。引入缺陷的其它方法包含完全移除一個或多個棒，改變一個或多個棒相對於周圍棒的形狀，以及引入完全或部分包含不同於周圍棒的材料的一個或多個棒。在後面的例子中，不同的材料提供例如n和k的光學常數的不同值，並且因此形成了光子晶體中的缺陷。
如上述所示，將一個或多個缺陷加入光子晶體會引入光子帶隙中的一個或多個狀態。當不存在缺陷時，在光子帶隙內不會存在以包含在光子帶隙內的偏振態和入射角度存在的光子態。當引入缺陷時，它們提供了位於光子帶隙內的狀態，並且可以將這些狀態用於影響具有由這一個或多個缺陷規定的電磁頻率的光的傳播。缺陷態在光子帶隙內的位置確定了會受到該缺陷影響的電磁頻率。當不存在缺陷時，這些頻率並不受到光子晶體的影響。例如，可以將缺陷態用於選擇、過濾或影響包含在光子帶隙內的頻率範圍內的電磁輻射的特定頻率。
由光子晶體缺陷引入到光子帶隙中的缺陷態的數量和位置取決於缺陷的性質。影響光子帶間隔中缺陷態的位置和/或數量的因素包含光子晶體的缺陷棒與周圍棒的尺寸、形狀或折射率差的大小。例如，在圖6的實施例中，光子晶體中單個棒相對於其他棒的直徑的少量增加會在略微低於光子帶隙的高頻邊的頻率處引入二重簡併偶極缺陷態。缺陷棒直徑的進一步增加會導致缺陷態向光子帶隙的更深處移動(即向低電磁頻率方向)，直到缺陷態到達了光子帶隙的低頻邊緣，在該點處缺陷態就不再位於光子帶隙中。但是，如果繼續增加直徑，就會導致引入其它缺陷態，例如四極態、單極態、六極態，以及十二極態。在圖7的實施例中，棒直徑的降低會將單極缺陷態引入到光子帶隙中。對於直徑少量減小，缺陷態可能不會局域化在光子帶隙內。但是，如果是相對於周圍棒的某種最小直徑降低，那麼單極態會出現在位於光子帶隙中略微高於光子帶隙的低頻邊的頻率處。直徑的進一步降低會導致單極態向光子帶隙內的高頻方向移動。改變棒的折射率而不改變棒的直徑會引入類似於所描述的在光子晶體中缺陷棒直徑不同於周圍棒直徑時的缺陷態。多缺陷(如改變多個棒的直徑和/或折射率)可以在光子帶隙內引入多個態。類似的，通過改變周圍介電板內一個或多個孔直徑，也可以形成缺陷。
在該例子的實施例中，可以將相變材料包含到缺陷棒當中，或者完全由相變材料構成缺陷棒。周圍棒可以包含相變材料或者某些其它介電材料。本發明的範圍內還包含例如這樣的光子晶體一個或多個缺陷棒包含相變材料，周圍晶格中的棒所包含的介電材料不是相變材料。與此相反的一種形式也在本發明的範圍之內，其中一個或多個缺陷棒包含非相變材料的介電材料，周圍晶格中的棒完全或部分由相變材料構成。
將相變材料包含進具有缺陷的光子晶體中提供了對光子帶隙內缺陷態的位置或其它特性的調節能力。通過改變折射率，可以調節缺陷態的頻率，其中折射率的改變是通過控制相變材料的結構態實現的。如上面所述，因為在相變材料的結構態之間的轉變是可逆的，所以可以通過本發明實現可逆的和動態的調節能力。
例子3在該例子中，提供了一種具有很小或沒有內部損耗並且包含根據本發明的光子晶體的諧振腔系統。諧振腔是這樣一種裝置它可以支持一個或多個頻率的電磁輻射。可以將具有一個特定頻率的電磁輻射稱作一個信道。為了支持一個信道，與該信道相關的頻率必須可以在諧振腔內傳播並且激發出諧振腔的諧振模式，如下面將要描述的那樣。優選的諧振腔應用是其中選擇性地支持特定信道的諧振腔。這樣的諧振腔可以提供這樣一種裝置該裝置用於選擇性地從包含多個信道的輸入電磁輻射流中移除所支持的電磁輻射信道。類似地，還可以將諧振腔用於選擇性地將所支持的信道加入到數據流中。在這裡也可以將諧振腔所支持的信道稱作諧振腔的諧振模式。
具有缺陷的光子晶體對於諧振腔是有用的，這是因為與光子晶體的光子帶隙中缺陷態相關的頻率對應於諧振腔所支持的信道(即諧振腔的諧振模式)。因為可以通過改變例如缺陷的數量、尺寸、折射率、介電常數等等，以及周圍介質的幾何尺寸和折射率，來控制光子晶體中缺陷態的位置和特性，所以光子晶體可以為構建可以支持在寬頻率範圍內的一個或多個精確規定的信道的諧振腔提供巨大的靈活性。將相變材料加入到光子晶體中使得可以提供對光子晶體諧振腔內所支持信道的調諧能力，所述光子晶體諧振腔的幾何尺寸和光學特性最初被配置成支持特定信道。
信道分出濾波器是代表了諧振腔的應用的一個例子的一種光子裝置。圖8中的200提供了信道分出濾波器的示意性描述。該信道分出濾波器包含漸逝地耦合到幹路波導(bus waveguide)201和分出波導203的諧振腔系統202。在圖8的信道分出濾波器中，將包含一個或多個信道(每個代表一個特定頻率)的輸入電磁輻射流引入到或限制在幹路波導201中。在圖8的例子中，顯示了頻率為f1、f2和f3的三個輸入信道。傳播輸入信道的漸逝場與諧振腔重疊。諧振腔所支持的信道的漸逝場提供了一種將所支持的信道傳送到諧振腔的機制。所有傳送的幅度都可以視作諧振腔的諧振模式的激發(即諧振腔在所支持的諧振頻率處的激發)，並且導致在幹路波導中傳播的輸入數據流中諧振頻率的幅度的等幅降低。一旦將諧振頻率引入到諧振腔中，那麼諧振頻率將繼續與幹路波導進行相互作用，並且可以進一步通過漸逝場與分出波導發生相互作用。這些相互作用會導致幹路波導和分出波導中的一個中或這兩者中諧振模式的幅度衰減。
諧振模式的衰減確定了信道分出濾波器對電磁輻射的輸入流的最終響應。諧振模式可能發生四種衰減過程。對於幹路波導和分出波導中的每個來說可能會發生兩種衰減過程導致諧振頻率沿輸入數據流方向傳播的衰減，以及導致諧振頻率沿與輸入數據流方向相反的方向傳播的衰減。此後，將沿與輸入數據流傳播方向相反的方向返回到幹路波導中的諧振模式的衰減稱作反射。此後，將沿輸入數據流傳播方向返回到幹路波導中的諧振模式的衰減稱作透射。此後，將沿與輸入數據流傳播方向相反的方向進入分出波導的諧振模式的衰減稱作向後分出。此後，將沿輸入數據流傳播方向進入分出波導的諧振模式的衰減稱作向前分出。圖9中包含了諧振腔的各種衰減路徑。
在信道分出濾波器中，優選的是以最大可能的程度將諧振頻率從幹路波導轉移到分出波導。如果需要實現完全的轉移，那麼就要求消除諧振腔中的反射衰減路徑並且防止幹路波導中諧振頻率的透射。為了實現零反射和零透射，信道分出濾波器的系統部件(即幹路波導、諧振腔和分出波導)的配置必須滿足特定的對稱性要求。最重要的，該系統配置必須在正交于波導中光傳播方向的方向上具有鏡面對稱性。鏡面對稱性的存在提供了電磁場強度相對於諧振腔的諧振模式的宇稱性(parity)。電磁場強度可以是正的或是負的，並且在諧振腔內諧振模式可以具有強度為正的區域、強度為負的區域、或者同時具有負強度和正強度區域的區域。強度的宇稱性是指空間強度分布相對於鏡面平面的對稱性。奇宇稱模式具有對稱地分布在鏡面平面兩側的正強度區域和負強度區域，而偶宇稱模式具有對稱地分布在鏡面平面兩側的正(負)強度區域和正(負)強度區域。偶宇稱模式不必只能包含正強度區域或只能包含負強度區域，但是當同時出現正強度和負強度區域時，每個正強度區域和另一個正強度區域對稱地分布在鏡面平面的兩側，且每個負強度區域和另一個負正強度區域對稱地分布在鏡面平面的兩側。
為了實現零反射和零透射，偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的存在是必要的，這是因為在適當的條件下，偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式之間會發生具有破壞性的互相干擾(在反射的情況下)或者與輸入信道發生破壞性的互相干擾(在透射的情況下)，以阻止諧振頻率的反射和透射。可以通過傳播函數exp(ikx)描述任意輸入信道，其中k是描述傳播的波矢量，並且x描述了傳播的方向。可以等效地用傳播函數的偶宇稱部分和奇宇稱部分表示該傳播函數，即exp(ikx)＝cos(kx)+isin(kx)。因為cos(kx)是一個偶函數，所以它僅與具有偶宇稱性的諧振模式發生耦合(即僅能激發具有偶宇稱性的諧振模式)。類似的，因為sin(kx)是一個奇函數，所以它僅能與具有奇宇稱性的諧振模式發生耦合。如果傳播函數的偶宇稱部分和奇宇稱部分以相等的強度與諧振腔耦合，那麼在諧振腔內偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式會被激發到相等的程度，並且諧振腔的衰減必然導致偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的具有相等幅度的衰減。如果偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的頻率基本上相同，並且偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的衰減率基本上相同，那麼不會出現淨反射，這是因為偶宇稱分量和奇宇稱分量發生破壞性的幹擾並且互相抵消。諧振模式的衰減率是模式強度離開諧振腔的速率的度量。通常，將Q(品質)因數用於量化諧振模式離開諧振腔的速率。
除了來自衰減諧振模式的貢獻之外，透射分量還可以包含諧振頻率與諧振腔的非理想耦合的貢獻。即使諧振輸入信道的偶宇稱分量和奇宇稱分量與諧振腔有相等的耦合，也並不一定所有強度都會完全轉移到諧振腔中。任何未轉移的強度繼續沿著幹路波導進行傳播。為了防止諧振輸入信道的透射，有必要抵消掉任何未轉移強度的傳播。通過衰減諧振模式的貢獻與未轉移強度的貢獻在透射方向的疊加實現這種抵消。
如通過上述討論可以看出，在通過幹路波導、諧振腔和分出波導的組合構建信道分出濾波器時，一個重要的考慮因素是沿正交於輸入流的傳播方向的方向上存在鏡面對稱性。幹路波導和分出波導的平行對準為這兩個部件提供了所需的鏡面對稱性。為了使整個系統具有鏡面對稱性，有必要使諧振腔系統在內部具有所需的鏡面對稱性。因為所支持的信道與本發明光子晶體的光子帶隙中的光子態對應，並且因為缺陷是導致這些光子態的根源，所以光子晶體晶格內的缺陷的設置和位置相對於中央鏡面是對稱的。
圖10提供了根據本發明的信道分出濾波器的例子的平面圖。信道分出濾波器400包含光子晶體401，而光子晶體401包含棒402的周期性集合。通過移除多行棒，可以在光子晶體中形成幹路波導403和分出波導404。諧振腔405同時耦合到幹路波導和分出波導，並且包含通過使諧振腔的中央棒變大形成的缺陷406。該諧振腔類似於上述的例子2和圖6中描述的諧振腔，並且相對於中央對稱平面對稱放置，其中在圖10中用407指示該中央對稱平面。因為諧振腔包含一個缺陷，所以該缺陷必須位於鏡面平面上以便整個信道分出濾波器都保持鏡面對稱性。被放大的棒代表了這樣一種缺陷該缺陷可以支持兩個簡併模式，並且因為存在鏡面平面對稱性，所以這些模式具有偶宇稱性和奇宇稱性。
在工作中，將一個或多個電磁輻射的信道作為輸入數據流引入到幹路波導中。具有由缺陷406規定的諧振頻率的信道耦合到諧振腔中，並且由此激發出具有偶宇稱性和奇宇稱性的諧振模式。隨後，諧振腔模式發生衰減並且強度轉移到分出波導中。在圖10的實施例中，轉移發生在向後分出方向上。在一種優選實施例中，在沒有發生諧振頻率的反射或透射的情況下發生轉移。如上面討論的那樣，理想的有效轉移要求偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式具有基本上相同的頻率並且以基本上相同的速率耗散。波導的存在以及每個波導耦合到諧振腔時可能存在的強度差異會對移除偶宇稱模式和奇宇稱模式的簡併起到作用，並且會對改變偶宇稱模式和奇宇稱模式耦合到波導的相對強度起到作用。這些效應接著又對阻礙轉移效率起作用。
通過在光子晶體晶格中調節遠離缺陷，可以對導致偶宇稱模式和奇宇稱模式的簡併打破和衰減率不相等的效應起反作用。通過改變所選擇的晶格棒，可以微調諧振腔對於偶宇稱模式和奇宇稱模式的性能。通過改變棒形狀、直徑或光學常數，可以調節偶宇稱模式和奇宇稱模式的相對頻率和衰減率。可以將這樣的改變視作對主要缺陷406的擾動，從而形成被放大了的缺陷，該放大的缺陷具有由缺陷406建立的零階的諧振模式頻率和衰減率以及加在其上的一階擾動，從而可預測地微調偶宇稱模式和/或奇宇稱模式的頻率和/或衰減率。
為了實現擾動，原理上要求保持鏡面對稱性。在與對稱性要求相符的擾動的一個例子中，將圖10中的棒408和409的直徑增加到規則晶格棒402和缺陷晶格棒406的直徑之間的一個共同的直徑。可以將棒406視作是對整個缺陷結構的主要貢獻，而將被擾動的棒408和409視作對是對整個缺陷結構的次要貢獻。這些擾動提供了擴展的缺陷結構，該缺陷結構保持了鏡面對稱性，並且具有主要由主要缺陷406規定的偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的頻率和衰減率，並且由次要缺陷408和409提供擾動。聰明地改變次要缺陷408和409的直徑，可以提供對頻率和衰減率的連續調節能力，並且由此使得通過諧振腔實現的所選擇電磁頻率從幹路波導到分出波導的整體轉移效率得到最優化。通過位於主要缺陷406周圍的晶格棒的其它對稱性擾動，可以提供類似的能力。例如，晶格棒410、411、412以及413的直徑或光學常數的一致擾動代表了用於微調圖10的諧振腔性能的另一種機制。通過控制為次要缺陷棒的所提供的擾動的程度，可以確定偶宇稱諧振模式和/或奇宇稱諧振模式的頻率和/或衰減率的變化的幅度和方向。實現偶宇稱諧振模式和/或奇宇稱諧振模式的頻率和/或衰減率的特定變化所需的擾動的性質，可以利用通過傳統的電磁場方程進行的計算確定。
圖10的實施例代表了可以支持偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的單個缺陷的一個例子。通過將兩個或更多個缺陷加入到光子晶體中，也可以實現能夠支持偶對稱諧振模式和奇對稱諧振模式的諧振腔。例如，如在上面的例子2中討論過的那樣，二維光子晶體中一個棒相對於周圍棒的直徑的降低會產生可以支持單個諧振模式的一個單極缺陷。通過包含對稱地分布在信道分出濾波器的中央鏡面兩側的兩個單極缺陷，如圖11中所示，可以在諧振腔中穩定兩個宇稱相反的諧振模式。圖11顯示了一個包含光子晶體501的信道分出濾波器500，光子晶體501包含棒502的周期性組合。通過移除多行棒，在光子晶體中形成幹路波導503和分出波導504。諧振腔505同時耦合到該幹路波導和分出波導，並且包含通過使兩個晶格棒的直徑減小相同量形成的缺陷506和507。諧振腔的每個缺陷都類似於在例子2和圖7中描述的缺陷，並且這些缺陷的組合對稱地分布於由508示意性指示的中央對稱平面的兩側，目的是保持整個諧振腔的鏡面對稱性。鏡面對稱性的存在意味著諧振腔支持具有偶宇稱性和奇宇稱性的諧振模式。缺陷506和507分別單獨支持一個單獨的簡併模式。在本實施例中，諧振腔的偶宇稱諧振模式和奇宇稱性諧振模式是通過兩個缺陷的兩個單獨的簡併模式的偶宇稱性和奇宇稱性線性組合實現的。
在工作中，諧振腔505同時耦合到幹路波導503和分出波導504，以實現與諧振腔的諧振頻率對應的電磁頻率的轉移，而諧振頻率是由缺陷506和507的位置和尺寸規定的。在圖11的實施例中，轉移發生在向前分出方向上。如上面討論過的那樣，理想的有效轉移要求偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式具有基本上相同的頻率並且以基本上相同的速率耗散。局域在一個缺陷處的場強度會影響在另一個缺陷處的場強度，並且會與波導中的場強度發生進一步的相互作用。缺陷之間的相互作用以及缺陷與波導的相互作用會對偶宇稱和奇宇稱諧振模式產生不同程度的影響，並且由此導致偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的簡併受到破壞並且具有不同的衰減率。這些效應會阻礙轉移效率，但是通過對諧振腔中缺陷506和507附近的所選棒的次級調節，可以改善這些效應。與圖10的實施例中一樣，以保持鏡面對稱性的方式對一個或多個相鄰棒的尺寸、形狀或光學常數的擾動，提供了一種用於微調偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式的頻率和衰減率的機制。例如，對棒509、510、511以及512的一致擾動使得可以對諧振腔的性能進行微調。
根據本發明，可以通過使相變材料在它的結構態之間轉變來改變相變材料的光學常數，從而實現對包含相變材料的光子晶體諧振腔的微調。如上面所述，通過聰明地將能量施加到相變材料可以控制光學常數(例如折射率和消光係數)的變化，並且由此為信道分出濾波器中諧振腔提供微調能力。對於有以下情況的相變材料，可以通過相變材料中結構轉變進行微調主要或次要缺陷棒、為缺陷棒提供擾動效應的相鄰棒，或者周圍的晶格棒。可能存在於相變材料的結構態之間的連續轉變提供了一種連續調節能力，並且由此使得可以實現對諧振腔的精確微調。在對稱放置的包含相變材料的棒中選擇性地引入結構轉變保持了諧振腔的鏡面對稱性。
該例子的信道分出濾波器使得諧振電磁頻率可以從一個波導轉移到另一個波導。因此，可以將信道分出濾波器用於從寬帶輸入流中提取所選擇的電磁輻射頻率。同時應該理解，可以將該例子的實施例用於將具有一個諧振頻率的電磁輻射插入傳播數據流中。例如，如果數據流在分出波導中傳播，那麼可以將從幹路波導轉移的任何信道插入該數據流中。
通過控制光子晶體中一個或多個缺陷相對於周圍晶格的尺寸、形狀和光學常數，可以獲得與寬範圍電磁頻率相對應的光子帶隙態和諧振頻率。例如，通過按照比例縮放缺陷相對於光子晶體晶格其餘部分的大小，可以獲得微波、紅外和可見光範圍內的諧振頻率。對於許多應用來說，位於電信窗口(如1300-1600nm)中的諧振頻率是特別重要的，並且可以通過本發明得到實現。
應該進一步理解，該例子的信道分出濾波器的波導部分不必由光子晶體構成。可以將例如信道波導、光纖波導、通過全反射工作的波導等等的傳統波導與上述包含相變材料的光子晶體諧振腔結合使用。
例子4在該例子中，對例子3的光子裝置的調製和開關效應進行了描述。通過選擇性地允許或禁止電磁輻射從一個波導到另一個波導的轉移實現了開關。開關是一種ON/OFF過程，其中通過控制諧振腔的某些特性，允許或不允許具有諧振頻率的電磁輻射的轉移。在ON狀態中，諧振腔允許諧振頻率的轉移，而在OFF狀態中，諧振腔不允許諧振頻率的轉移。調製是一種衰減效應，其中以謹慎的方式影響轉移的程度或效率。
開關和調製效應與諧振電磁頻率和構成諧振腔的材料之間的相互作用相關。為了實現電磁輻射的有效轉移，有必要使得基本上所有諧振電磁輻射衰減到分出波導中。在上述例子3的討論中指出了有效轉移要求偶宇稱諧振模式和奇宇稱諧振模式具有基本上相同的頻率和衰減率。如上面所述，如果諧振頻率可以激發諧振腔模式，那麼上述這些條件就滿足了。如在上面的例子3中一樣，如果諧振腔展現出很小或者沒有內部損耗，那麼就可以實現諧振腔模式的激發。但是，顯著的內部損耗會破壞諧振腔和波導之間的諧振相互作用，並且阻礙具有諧振頻率的電磁輻射從一個波導全部地(開關效應)或部分地(調製效應)轉移到另一個波導。
可以將表現出內部損耗的諧振腔稱作有損耗諧振腔。為了實現電磁輻射的理想的有效轉移，諧振腔必須是無損耗的。在無損耗諧振腔中，如上面所述，具有諧振頻率的電磁輻射可以激發諧振腔的諧振模式。諧振模式的激發與諧振腔內具有諧振頻率的高場幅的建立相一致。在有損耗諧振腔中，諧振受到破壞並且不出現諧振模式的激發。因此，不能在諧振腔內建立高場幅，並且因此離開諧振腔的衰減幅度被消除。從功能的角度來看，上述的反射、透射、向後分出和向前分出衰減路徑將不再相關，並且具有諧振頻率的電磁輻射通過幹路波導的傳播能夠基本上不受諧振腔的影響而繼續。因此，在高損耗極限情況下，諧振腔的功能被禁止，並且電磁輻射在幹路波導中的透射基本上不受諧振腔的阻礙。在低損耗極限或無損耗極限情況下，諧振腔充分發揮作用，並且會發生具有諧振頻率的電磁輻射的最佳轉移。在中間損耗情況下，會發生具有諧振頻率的電磁輻射的部分轉移。
對諧振腔損耗的可調節控制為開關和調製效應提供了基礎。當諧振腔在它的高損耗態和它的低損耗或無損耗態之間進行可逆變化時，會出現開關效應。當諧振腔在具有基本上連續的損耗範圍的狀態之間進行可逆變化時，會出現調製效應。調製典型地包含諧振腔在它的低損耗或無損耗態和一個或多個具有中間損耗的狀態之間的變化，或者諧振腔在它的高損耗態和一個或多個具有中間損耗的狀態之間的變化。還可以將在具有中間損耗範圍中不同程度損耗的狀態之間的變化用於提供調製效應。
在本發明中，可以通過控制相變材料的結構態改變其吸收，從而調節諧振腔的損耗。吸收代表了諧振腔的內部損耗的一種機制。對一個諧振頻率表現出強烈吸收(即高吸收係數)的諧振腔對於該頻率表現高損耗。對一個諧振頻率表現出低吸收或不表現出吸收(即低吸收係數或零吸收係數)的諧振腔對於該頻率表現低損耗或零損耗。材料的吸收係數與消光係數成比例。如上面所述，相變材料的消光係數對於不同的結構態來說是不同的。通過使相變材料在具有不同消光係數的結構態之間進行轉變，可以實現諧振腔的損耗的可調節變化。並且由此可以實現開關和調製。
作為一個例子，可以考慮相變材料Ge2Sb2Te5。圖2顯示了Ge2Sb2Te5的消光係數作為電磁輻射的波長的函數的曲線。在較長的波長，非晶相的消光係數非常低，而結晶相的消光係數仍然是明顯的。因此，在這些較長波長處，包含非晶態Ge2Sb2Te5的諧振腔的損耗遠遠低於包含晶態Ge2Sb2Te5的諧振腔的損耗。損耗的差別取決於諧振腔中相變材料的相對量。隨著諧振腔中相變材料的豐度的增加，當相變材料的結構態在非晶和結晶相之間轉變時，諧振腔損耗的差別會增加。圖2中描述了在較長波長處Ge2Sb2Te5的非晶相和結晶相的消光係數之間差別較大，在這些相之間進行可逆轉變時這種大差別提供了開關效應。Ge2Sb2Te5處於非晶態的諧振腔配置代表無損耗諧振腔或低損耗諧振腔，其能夠有效地轉移電磁輻射，並且該配置對應於諧振腔的ON狀態。Ge2Sb2Te5處於晶態的諧振腔配置代表一種高損耗諧振腔，其中諧振受到了破壞，並且由此阻礙或抑制了電磁輻射的轉移。這種諧振腔對應於諧振腔的OFF狀態。通過提供能量實現的在相變材料的非晶態和晶態之間進行可逆轉變的能力為開關提供了基礎。
當在具有類似消光係數的結構態之間進行可逆轉變時，可以實現調製效應。在Ge2Sb2Te5的例子中，對於設計成在如圖2所指示的較長波長工作的諧振腔，優選將非晶態選作ON狀態。Ge2Sb2Te5向它的晶態的轉變使得諧振腔轉變到它的OFF狀態，從而實現如上面所述的開關。但是，Ge2Sb2Te5向部分晶態的轉變使得諧振腔具有大於非晶相但是小於結晶相情況下的消光係數。由此，諧振腔的損耗相對於ON狀態增加，但是可能還沒有增加到足以提供開關效應的程度。相反，可以部分地而不是全部地消除具有諧振頻率的電磁輻射的轉移。由此實現了調製效應。
在光子晶體僅部分地包含相變材料的諧振腔實施例中，會發生調製效應而不是開關效應。在這樣的光子晶體中，非相變材料部分可以對光子晶體的整體消光係數起到主導作用，而相變材料部分僅提供次要影響。因此，在轉變到高度吸收結構態時相變材料的消光係數的顯著變化可能並不足以實現開關，但是足以實現調製。處於高度吸收態的相變材料的吸收係數的大小和諧振腔中相變材料的相對豐度指示是出現開關還是出現調製。
儘管上述討論將Ge2Sb2Te5作為一種代表性相變材料包含到諧振腔中，但是可以理解，通過本發明範圍內的所有相變材料，都可以實現相應的特性。不同的相變材料會展現出不同的消光係數(和折射率)隨電磁輻射頻率的變化，並且在電磁頻譜的不同部分上提供開關和調製能力。上面描述的開關和調製原理適用於本發明範圍內的所有諧振腔實施例。具有單個缺陷、兩個缺陷或多個缺陷(包含次級缺陷)的諧振腔是本發明的範圍內的諧振腔的例子。在包含兩個或多個缺陷的可以限定兩個或多個諧振模式的諧振腔中，對於一些缺陷或全部缺陷來說，可以實現開關和調製，從而為對轉移的電磁輻射的效率或頻率或者主要衰減路徑(反射、透射、向後分出、向前分出)的控制提供進一步的可變性。對佔據主導地位的衰減路徑的控制為電磁輻射的方向性路由提供了靈活性。在本發明的範圍內，例如，通過對相對於透射、向後分出、向前分出衰減路徑優化反射衰減路徑，可以實現窄帶反射器。
這裡所描述的公開和討論是示例性的並且並沒有對本發明的實現方式進行限制。這些公開和討論的多種等價物和可預見的變體都在本發明的範圍內。下面的權利要求，並且包含其所有等價物，和上述公開一起規定了本發明的範圍。
權利要求
1.一種光子晶體，包含周期性地設置在周圍電介質之中的宏觀電介質單元，所述光子晶體包含相變材料，所述相變材料具有多種結構態，所述結構態包含非晶態和晶態，當提供能量時所述相變材料可以在所述結構態之間進行可逆轉變。
2.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述宏觀電介質單元包含所述相變材料。
3.根據權利要求1所述的光子晶體，其中在所述光子晶體中存在所述多個結構態中的至少兩個。
4.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述非晶態和所述晶態的折射率在所述光子晶體的光子帶隙內的一個或多個頻率處相差至少25％。
5.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述非晶態和所述晶態的折射率在所述光子晶體的光子帶隙內的一個或多個頻率處相差至少50％。
6.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述非晶態和所述晶態的消光係數在所述光子晶體的光子帶隙內的一個或多個頻率處相差至少20％。
7.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述非晶態和所述晶態的消光係數在所述光子晶體的光子帶隙內的一個或多個頻率處相差至少50％。
8.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述非晶態和所述晶態的折射率與消光係數的比值在所述光子晶體的光子帶隙內的一個或多個頻率處相差至少25％。
9.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述非晶態和所述晶態的折射率與消光係數的比值在所述光子晶體的光子帶隙內的一個或多個頻率處相差至少50％。
10.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述相變材料包含硫族元素。
11.根據權利要求10所述的光子晶體，其中所述硫族元素是Te。
12.根據權利要求11所述的光子晶體，其中所述相變材料還包含Ge、Sb或者Cd。
13.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述相變材料包含Ag和In。
14.根據權利要求13所述的光子晶體，其中所述相變材料還包含Sb或者Te。
15.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述光子晶體還包含SiO2。
16.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述宏觀電介質單元包含空氣。
17.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述宏觀電介質單元的尺寸、形狀以及光學常數基本上是一致的。
18.根據權利要求17所述的光子晶體，其中改變所述一致的單元中的一個或多個以形成一個或多個缺陷單元，其中所述缺陷單元的尺寸、形狀或者光學常數與所述一致的單元是不同的。
19.根據權利要求18所述的光子晶體，其中所述一個或多個缺陷單元在所述光子晶體的光子帶隙中提供了一個或多個光子態。
20.根據權利要求1所述的光子晶體，其中所述光子晶體是二維的。
21.根據權利要求20所述的光子晶體，其中所述宏觀電介質單元是棒。
22.根據權利要求21所述的光子晶體，其中所述棒周期性地設置成正方形晶格或三角形晶格。
23.根據權利要求21所述的光子晶體，其中所述棒具有非圓形橫截面。
24.根據權利要求21所述的光子晶體，其中所述棒包含所述相變材料。
25.根據權利要求24所述的光子晶體，其中所述相變材料形成了所述棒的蓋層、內部層或塗層。
26.一種光子裝置，包含幹路波導；諧振腔，包含根據權利要求19所述的光子晶體，所述諧振腔具有一個或多個諧振模式，所述諧振模式具有諧振頻率，所述諧振頻率由所述一個或多個缺陷光子態確定；以及平行於所述幹路波導的分出波導；其中所述諧振腔耦合到所述幹路波導和所述分出波導。
27.根據權利要求26所述的光子裝置，其中向所述幹路波導提供輸入數據流，所述輸入數據流包含一個或多個輸入頻率的電磁輻射，所述一個或多個輸入頻率包含一個輸入諧振頻率，所述輸入諧振頻率與所述諧振腔的所述諧振頻率中的一個對應，由所述諧振腔將所述輸入諧振頻率從所述幹路波導轉移到所述分出波導。
28.根據權利要求27所述的光子裝置，進一步包含用於向所述相變材料提供能量的裝置，用於提供能量的所述裝置所提供的能量的量足以改變所述相變材料的結構態。
29.根據權利要求28所述的光子裝置，其中結構態的所述變化改變一個或多個所述諧振頻率的頻率。
30.根據權利要求28所述的光子裝置，其中結構態的所述變化對所述轉移進行調製。
31.根據權利要求28所述的光子裝置，其中結構態的所述變化對所述轉移進行開關。
32.一種電磁輻射頻率反射器，包含根據權利要求1所述的光子晶體，所述光子晶體的光子帶隙具有低頻邊和高頻邊，所述反射器對具有位於所述低頻邊和所述高頻邊之間的頻率的入射光進行反射。
全文摘要
一種光子晶體，其光子特性可以進行可逆調節。該光子晶體包含具有多種結構態的相變材料，所述結構態隨著部分結晶率變化。包含折射率、消光係數以及介電常數在內的光學常數會隨著相變材料的部分結晶率而變化，由此提供了光子晶體特性的可調節能力。通過加入能量(以包含光能或電能在內的形式)，可以可逆地使相變材料的結構態發生變化。光子晶體可以包含在光子帶隙內提供光子態的缺陷。通過控制包含在光子晶體中的相變材料的部分結晶率，可以調節這些狀態的位置。進一步提供了包含光子晶體的電磁輻射諧振腔，所述光子晶體在光子帶隙內具有光子態。可以將這些諧振腔用於電磁輻射的頻率選擇性濾波或路由，並且允許通過控制相變材料的結構態，實現諧振模式的頻率和衰減率的可調節變化。這些諧振腔進一步耦合到波導從而提供可調節信道分出濾波器和窄帶反射器。
文檔編號G02B6/12GK1688590SQ03823912
公開日2005年10月26日 申請日期2003年7月14日 優先權日2002年8月9日
發明者R·O·米勒, D·楚 申請人:能源變換設備有限公司