二維光子晶體微諧振腔的製作方法
2024-03-11 13:20:15 1
專利名稱：二維光子晶體微諧振腔的製作方法
技術領域：
本發明涉及採用二維光子晶體的微諧振腔，特別涉及點缺陷腔和環形缺陷腔集成的二維光子晶體微諧振腔。
背景技術：
製作高品質因子，小模體積的微腔是集成光學中的一個重要的研究領域。它可以用來製作諸如濾波器、波分復用器、發光二極體以及雷射器等許多基於微腔的無源和有源器件。基於微腔的光器件具有特殊的優點，例如微腔雷射器由於體積小，能夠有效地控制激發介質的自發輻射，具有高的能量轉換效率和低的閾值。基於光子晶體的微腔結構不僅具有上述的優點，而且能實現高Q值和高輻射增強因子，因而能實現更高的能量轉換效率，為此人們提出了各種各樣的光子晶體微腔結構。授權公告號為CN 1156063C的專利公開了一種光子晶體微腔結構，如圖1所示，它利用在二維光子晶體中引入一個點缺陷來構成微腔。這種光子晶體微腔結構可以得到較大的能量轉換效率和較大的Q值，但是它的能量洩漏仍然不小，品質因子Q沒有達到最大，存儲能量有限。其它一些文獻通過增加或減小個介質棒的大小來形成點缺陷，或者移動點缺陷周圍介質棒的位置來改變點缺陷的大小，以此提高微腔的性能。但這些都是基於單個或多個點缺陷形成的微腔，存儲能量都很有限。
本發明克服了上述光子晶體微腔的缺點，可以得到更高的品質因子，並可使存儲能量提高几個數量級。
發明內容本發明的光子晶體微腔是由光子晶體的點缺陷腔和環形缺陷腔組成的。
一種二維光子晶體微腔的基本結構見圖2，實心圓表示介質柱，周期性地排列介質柱形成光子晶體。在一邊抽掉一個或幾個介質柱，從而構成點缺陷腔。同時，在另一邊抽掉一圈介質柱，形成環形缺陷腔。在點缺陷腔處加入激發介質，某個波長的光會被限制在點腔中，即形成光子晶體缺陷態。能量被限制在點腔中的時間越長，腔的品質因子就越高。當點腔邊上加上一環形腔時，從點腔中漏出的能量會耦合到環形腔中，最後又從環形腔耦合回點腔中，從而形成複合式諧振腔。這相當於向外面輻射掉的能量又重新回到點缺陷中，此時更多的能量會被限制在點缺陷中，從而得到很高的品質因子Q。同時，外環腔起到存儲能量的作用，由於其存儲空間遠遠大於點腔的體積，並且具有多個諧振波長，從而使得該系統可以存儲的能量遠遠大於單個點腔系統所能存儲的能量。通過改變系統的參數和結構，我們就可以得到不同Q值的光子晶體微腔。這種光子晶體微腔可用於半導體微腔雷射器的設計以及全光集成光路的光源領域。
可在環形腔中加入一低折射率透明介質，如圖2所示。改變加入介質的長度或折射率大小，用於調整環形腔的光學長度。這可以改變環形腔的諧振波長的位置，通過耦合使其反作用於點腔，改變點腔的諧振波長。當環形腔中的一個諧振波長和點腔中的諧振波長相同時，就可以使點腔和環形腔的耦合最強。用這種方法我們還可以得到可調諧的光子晶體微腔。
點缺陷腔可以是抽掉一個介質柱，也可以是抽掉多個介質柱形成的單腔，還可以是通過變化一根或者幾根介質杆的直徑形成的缺陷所構成的單腔。
環行缺陷腔可以是圓環行的、四方環行的、三角環行的、或者其它任意封閉形狀的環行腔。
如圖2所示，其中的稜柱代表著高折射率介質，空白部分代表著低折射率介質；為了得到不同的結果，我們也可以反過來，使其中的稜柱代表低折射率介質，而空白區代表高折射率介質。
光子晶體微腔的工作波長和其晶格常數為同一數量級，根據這一特點，通過改變結構參數和選擇不同的材料，該結構可以適合於任意電磁波波段，包括微波波段、毫米波波段、亞毫米波波段、太赫茲(THz)波段、紅外波段、可見光波段、紫外波段、X波段、伽馬射線(Gama射線)波段、宇宙射線波段等。
圖1單獨由點缺陷構成的二維光子晶體微腔圖2二維光子晶體微諧振腔的截面示意3二維光子晶體微諧振腔的諧振頻率圖4二維光子晶體微諧振腔的模式5多個點腔的二維光子晶體微諧振腔示意圖其中1構成光子晶體的介質柱，2點缺陷，3環形腔，4低折射率介質具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
參照圖2，二維光子晶體由在空氣中周期排列的介質柱組成。微諧振腔由點缺陷和環形腔共同構成。其原理類似於電路中的電容與電感，當兩者的振蕩頻率相等時，整個系統發生諧振，此時系統衰減最慢，因此能得到很高的品質因子。在點缺陷中加入激發介質，電磁波從點缺陷中耦合到環形腔，同時環形腔形成一個迴路，又耦合回點缺陷中。若兩個腔的振蕩頻率相等，系統就會達到諧振。一般而言，設置好各種參數後，點缺陷只有一個最大的諧振輸出。但環形腔的長度很長，通常有多個諧振波長。因此，我們在環形腔中加入一低折射率介質，用以改變環形腔的光學長度，進而改變諧振波長的位置，使其中的一個移到點缺陷的諧振波長處，這樣，兩個腔就能諧振起來。
光子晶體微腔的諧振波長和晶格常數在同一個數量級，因此可以根據所需的諧振波長來設計光子晶體微腔的結構及參數。例如，高折射率的介質柱可選擇矽(Si)材料，低折射率介質為空氣，其折射率分別為3.4和1。此外，環形腔中附加介質可選擇在諧振波長範圍內透明的氟化鈣(GaF2)，其折射率為1.25，長度可變。晶格常數為1μm，方形柱的邊長為0.4μm，陣列數為17×19，則我們可以得到微米量級的諧振波長，如圖3所示。
通過計算得到光子晶體微腔的模式圖，如圖4所示。當通過改變插入介質的長度，我們可以得到不同的振蕩頻率，同時可以調節點腔和環形腔的耦合程度。如圖4所示，這時點腔和環形腔耦合最佳，系統發生諧振，得到最大的品質因子。此時系統的品質因子比相同結構下單獨只有點腔時的品質因子更大，甚至可以達到它的兩倍大小。若增加四周的介質柱的數目，還可得到更大的品質因子。同時此時環形腔中儲存了大量的能量。
如圖5所示，可以把這種光子晶體微腔用于波分復用系統。光子晶體微腔具有很高的分辨能力。設計好環形腔的結構和參數，使其具有我們工作所需的兩個諧振波長。當把光導入環形腔時，它會和點腔耦合，從而進入點腔中。通過設計兩個不同的點腔，使其諧振波長分別是工作波長中的一種，這樣就可以把相應的光導入到各個諧振腔中。在點腔的另一邊各自引入線缺陷製成波導，就可以把光導出來；相反，我們把不同的光波引入到點腔中，它們和環形腔相耦合，從而都進入到環形腔中，通過波導可以把它們引出來。這樣就實現了兩波長光波分復用的功能。當增加點腔的個數，調整系統參數時，我們就可以實現多波長的光波分復用了。
權利要求
1.一種二維光子晶體諧振腔，其特徵在於由光子晶體的點缺陷和環形缺陷組成。在二維光子晶體中抽掉一圈介質棒形成環形缺陷的同時，在環形缺陷一側預留幾根介質棒形成點缺陷，形成複合式二維光子晶體微腔。
2.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於在環形缺陷腔中可以插入一塊透明介質，以改變環形缺陷腔和點缺陷腔的耦合強度和諧振波長。
3.按權利要求1和2所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於通過調節插入介質的長度和折射率的大小，可以改變點系統的品質因子，並能得到可調諧的光子晶體微腔。
4.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於點缺陷腔可以是單點缺陷，也可以是多個點缺陷構成的單腔。
5.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於點缺陷腔可以是由抽去一根或幾根介質杆構成的單腔，也可以是通過變化一根或者幾根介質杆的直徑形成的缺陷所構成的單腔。
6.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於點缺陷腔可以是由添加一根或者幾根介質杆產生缺陷所構成的單腔。
7.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於環行缺陷腔可以是圓環行的、四方環行的、三角環行的、或者其它任意封閉形狀的環行腔。
8.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於組成二維光子晶體的高折射率介質可以是稜柱形，也可以是圓柱形，也可以是任意橫截面形狀的介質柱。
9.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於組成二維光子晶體的低折射率介質可以為空氣，也可以為其它低折射率介質。
10.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於其中的點代表高折射率介質，空白部分代表低折射率介質；也可以是，其中的點代表低折射率介質，而空白區代表高折射率介質。
11.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於諧振腔中的諧振波長可以通過點缺陷腔和環形缺陷腔的尺寸和形狀來調節。
12.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於可通過改變環行腔的長度和點缺陷腔的個數來改變諧振特性，優化結果。
13.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於根據不同的要求，點缺陷腔和環行腔可以工作於共同諧振狀態，也可以是只有點缺陷腔工作於諧振狀態。
14.按權利要求1所述的光子晶體諧振腔，其特徵在於所謂微諧振腔，是指其尺寸與工作波長為同一數量級；根據不同的要求，改變結構參數和選擇不同的材料，該結構可以適合於任意電磁波波段，包括微波波段、毫米波波段、亞毫米波波段、太赫茲(THz)波段、紅外波段、可見光波段、紫外波段、X波段、伽馬射線(Gama射線)波段、宇宙射線波段等。
全文摘要
一種二維光子晶體微諧振腔，其結構如下。在空氣中周期性的排列著高折射率介質棒組成二維光子晶體，通過抽去其中一些介質棒，形成點缺陷和環形缺陷，進而構成一個光子晶體複合式微腔。在環形腔中插入一低折射率介質，通過調節介質的長度和折射率，使環形腔和點腔同時諧振，從而使系統得到很高的品質因子和很高的能量存儲狀態。
文檔編號H01S3/08GK1996682SQ20061006239
公開日2007年7月11日 申請日期2006年8月31日 優先權日2006年8月31日
發明者歐陽徵標 申請人:歐陽徵標, 羅賢達