[發明專利]一種基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構

有效

• 申請號: 201010251511.2
• 申請日: 2010-08-11
• 公開（公告）號: CN101963736A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: 張冶金;鄭婉華;渠紅偉;陳良惠
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02F1/365
• 分類號: G02F1/365;G02F1/355;G02B6/122
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及光子晶體慢光波導設計及光子光電子器件設計技術領域，尤其涉及一種基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構。

背景技術

慢光效應器件是新一代光通信、光存儲及光子器件的關鍵器件之一。光子晶體由于其自身的特點，近年來，一直是研究的熱點，各種效應也不斷被發現和利用。幾乎所有的有源和無源光子器件都可以用光子晶體的理論和材料來設計制造。它的許多獨特之處引人矚目，如基于光子晶體帶隙的小尺寸大角度彎折無損耗波導，基于帶邊超大色散效應的超棱鏡，基于光子晶體負折射效應的突破衍射極限的成像透鏡。其中光子晶體帶邊慢光效應非常引人關注，它可以在微小尺度內極大增強光和物質的相互作用，有效控制輻射速率，基于此的各種微納腔激光器已經實現超低閾值激射，特殊腔結構的光子晶體激光器具有高達100Gbps調制速率。

基于慢光效應的調制器、光開關、光延遲器尺寸可以縮小1個或幾個數量級。基于慢光效應的半導體光放大器在信號放大、波長變換、光邏輯門、光計算、光網絡節點的碼型變換、色散監測、光碼分多址復用收發模塊等方面都有重要應用，慢光結構的采用可以大幅度縮短腔長，從而大幅度減小尺寸，降低功耗，提高速率。

光子晶體慢光效應波導是光子晶體慢光器件設計的基礎，此前有很多文獻報道了光子晶體線缺陷可以作為慢光器件，群折射率可以達到100以上，但是大帶寬的設計尚未見報道，這里我們定義慢光工作帶寬為群折射率大于10的單模連續工作區域。普通的慢光光子晶體波導帶寬為幾納米，這樣很難滿足光通信中大帶寬的要求。另外一般通過保持占空比不變，調整光子晶體晶格周期來改變其工作波長位置，這樣對不同工作區域要求的器件需要不同的工藝條件，使設計上難度加大。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構，該慢光波導結構采用線缺陷光子晶體結構，包括縱向結構及橫向結構，縱向結構為空氣橋多層結構，從頂層到底層依次為空氣層/半導體材料層/空氣層/襯底材料層，橫向結構采用三角晶格結構，周期為P，半徑為R，通過去掉一行孔形成波導。

上述方案中，該慢光波導結構通過調整線缺陷臨近孔的半徑及波導的寬度來改變慢光區域帶寬及中心波長位置。

上述方案中，所述調整線缺陷臨近孔的半徑及波導的寬度來改變慢光區域帶寬及中心波長位置，包括：當臨近孔半徑變化時，慢光工作波長位置及范圍都將發生變化；當波導臨近第一排孔半徑變小時，慢光工作范圍會向長波方向移動，帶寬也將逐漸增大，但帶寬增加到一定程度，就不是單模了；當波導寬度縮小時，慢光工作區域會向短波方向移動，工作帶寬也將發生變化。

上述方案中，所述縱向結構中的半導體材料層采用硅或磷化銦材料。

上述方案中，所述縱向結構中的半導體材料層具有光子晶體波導，該半導體材料層厚度為250至300納米。

上述方案中，所述橫向結構采用的三角晶格結構，其周期P為380至420納米，孔半徑R為0.31P，從而使其工作于1550納米附近的通信波段。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1、本發明提供的基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構，采用三角晶格空氣橋結構光子晶體，通過變化線缺陷臨近孔的大小，實現高達50納米的慢光工作區，中心波長可以通過波導寬度來調節。

2、本發明提供的基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構，在上百納米的工作波長要求范圍內只需要兩種孔徑的小孔就可實現，這樣可降低滿足某一工藝條件的器件參數調整要求。

3、利用本發明提供的基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構的慢光光子晶體波導，其帶寬可覆蓋光纖通信C波段，高達50nm。利用兩種尺寸的小孔就可以實現多種工作中心波長大帶寬具有慢光效應的光子晶體波導。

附圖說明

圖1是本發明提供的基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構的縱向結構示意圖；

圖2是本發明提供的基于光子晶體空氣橋結構的慢光波導結構的橫向結構示意圖；

圖3(a)是波導超原胞結構；

圖3(b)是第7子帶TE模式分布；

圖3(c)是色散關系(第7子帶為所應用的缺陷態)；

圖4是光子晶體慢光波導中光場傳輸；

圖5是波導臨近兩排孔半徑變化時，群折射率隨頻率的變化；

圖6是波導臨近兩排孔半徑變化時，慢光區域帶寬的變化；