[發(fā)明專利]側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件及制作方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210021962.6
• 申請(qǐng)日: 2012-01-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102565936A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王維彪;梁靜秋;梁中翥;周建偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G02B6/122
• 分類號(hào): G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的一種微結(jié)構(gòu)光子晶體元件，具體涉及一種側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件及制作方法。

背景技術(shù)

光子晶體是由具有不同介電常數(shù)的物質(zhì)，在空間周期性排列形成的人工微結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，基于光子晶體材料的光電功能器件得到了廣泛的關(guān)注，利用光子晶體的光子禁帶和光子局域特性，光子晶體波導(dǎo)、濾波器、光開(kāi)關(guān)、耦合器等光子晶體光電器件已見(jiàn)諸報(bào)道，為未來(lái)大規(guī)模光電集成以及全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)，電磁波在其中傳播時(shí)由于布拉格散射，電磁波會(huì)受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光子能帶。光子能帶之間可能出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。由于帶隙中沒(méi)有任何態(tài)存在，頻率落在帶隙中的電磁波被禁止傳播。如果在光子晶體中引入介電缺陷或介電無(wú)序，會(huì)出現(xiàn)光子局域現(xiàn)象，在光子帶隙中將形成相應(yīng)的缺陷能級(jí)，特定頻率的光可在這個(gè)缺陷能級(jí)中出現(xiàn)。通過(guò)在完整的二維光子晶體中引入缺陷，破壞光子禁帶，引入缺陷態(tài)，可用來(lái)制作二維光子晶體功能器件。若在完整的二維光子晶體中引入線缺陷即去掉數(shù)排介質(zhì)柱，那么相應(yīng)頻率的電磁波就只能在這個(gè)線缺陷中傳播，離開(kāi)線缺陷就會(huì)迅速衰減，可以通過(guò)在二維光子晶體中引入線缺陷來(lái)制作光子晶體波導(dǎo)。

實(shí)現(xiàn)光子晶體器件與傳統(tǒng)光學(xué)器件或光源間的高效耦合對(duì)于未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。然而，由于光子晶體器件尺寸較小，在光子晶體器件與傳統(tǒng)光學(xué)器件或光源的耦合過(guò)程中，耦合面積和耦合效率均難以提升。近年來(lái)，幾何光學(xué)方法及倏逝波耦合等方法被提出以實(shí)現(xiàn)高效耦合。幾何光學(xué)方法是通過(guò)使用聚焦透鏡以及透鏡光纖等外置幾何光學(xué)器件將光聚焦到光子晶體器件入射端面以實(shí)現(xiàn)耦合的方法。然而，要想將光聚焦到光子晶體器件尺度上是非常困難的。另外，幾何光學(xué)耦合方法從根本上講并沒(méi)有提高系統(tǒng)的耦合面積，而且過(guò)多外置器件的引入會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，不利于與其他器件的集成。同時(shí)，外置光學(xué)器件所引起的反射、散射損耗以及插值損耗會(huì)降低系統(tǒng)的耦合效率。倏逝波耦合方法利用倏逝波產(chǎn)生及耦合的原理將光從器件的頂端耦合到器件中，從而大大的提高了耦合面積。倏逝波方法也面臨著一些問(wèn)題，例如特定漸變光纖的加工、耦合過(guò)程中使用的漸變光纖與光子晶體器件的距離參數(shù)難以控制、需要精密的外置校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及外置的校準(zhǔn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)集成度的影響等問(wèn)題，這些都限制了倏逝波耦合方法的應(yīng)用。因此，迫切需要一種耦合效率高、集成度高、操作簡(jiǎn)單且能夠?qū)崿F(xiàn)光子晶體器件與傳統(tǒng)光學(xué)器件或光源高效耦合的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種能實(shí)現(xiàn)光子晶體波導(dǎo)和傳統(tǒng)光學(xué)器件或外置光源間高效耦合的側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件及制作方法。

側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件，包括波導(dǎo)層、低折射率埋層和襯底層，所述波導(dǎo)層位于低折射率埋層的上部，低折射率埋層的下部與襯底層相連；所述波導(dǎo)層包括波導(dǎo)一區(qū)、缺陷區(qū)和波導(dǎo)二區(qū)；波導(dǎo)一區(qū)與波導(dǎo)二區(qū)的銜接處分布缺陷區(qū)，所述波導(dǎo)一區(qū)由多個(gè)介質(zhì)柱周期性排列組成，所述波導(dǎo)二區(qū)最外面一行分布耦合介質(zhì)柱，該行耦合介質(zhì)柱構(gòu)成耦合區(qū)，所述波導(dǎo)二區(qū)中包含多個(gè)沿平行于缺陷區(qū)方向排列的點(diǎn)缺陷，每個(gè)點(diǎn)缺陷與其周圍的介質(zhì)柱和最外面的耦合介質(zhì)柱構(gòu)成光子晶體諧振腔；多個(gè)光子晶體諧振腔并聯(lián)；在最右端的光子晶體諧振腔中點(diǎn)缺陷的上部對(duì)應(yīng)位置有一個(gè)反射介質(zhì)柱，反射介質(zhì)柱與缺陷區(qū)相鄰，所述介質(zhì)柱的半徑r＝102nm，點(diǎn)缺陷由半徑為r₁的介質(zhì)柱構(gòu)成，r₁＝51nm，所述耦合介質(zhì)柱的半徑r₂大于或小于介質(zhì)柱的半徑r，反射介質(zhì)柱半徑為r₃大于或小于介質(zhì)柱的半徑r。

側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件的制作方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、制備劃片所需的劃片槽；

步驟二、使用納米壓印工藝，制備刻蝕鈦酸鍶柱所需的光刻膠掩膜，并在其掩蔽下進(jìn)行ICP刻蝕，制作側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件主體結(jié)構(gòu)；

步驟三、加工對(duì)要求尺寸精度高于10nm的介質(zhì)柱；

步驟四、去除器件結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)；獲得側(cè)面耦合單向傳輸光子晶體波導(dǎo)器件。