[發明專利]基于自準直及漸變效應的光子晶體Y型分束器

有效

• 申請號: 201310692694.5
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103630970A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 楊修倫;黃哲;王林輝;范冉冉
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G02B6/126
• 分類號: G02B6/126;G02B6/125
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 寧欽亮

技術領域

本發明涉及一種基于自準直及漸變效應的光子晶體Y型分束器，屬于半導體光電子器件技術領域。

背景技術

隨著通信技術的發展，集成電路芯片已達到經典物理的極限，在如今的基礎上，盡管波導量子芯片不斷取得新的突破，但芯片的尺寸還是集中在毫米量級，芯片越小，集成電路性能急劇降低，能量損耗大，信息傳輸慢。這已經成為光量子器件集成發展的瓶頸。而光子作為信息載體，傳輸速度快，傳輸帶寬遠大于金屬線帶寬，且光子間相互作用弱，能量損耗低。光子比電子具有更大的容量、速度，更好的保密性及更強的抗干擾能力。光子晶體就是以光子為信息載體的新型材料。

光子晶體是由不同介電常數的介質材料在空間成周期排布的結構，當光在其中傳播時受到調制形成光子能帶結構，在合適的晶格常數與介電常數比的條件下，出現光子帶隙。光子晶體通過帶隙來限制光的傳輸方向從而達到人為控制光的傳播方向進行導光。由于波導寬度在波長量級，大大減小了波導器件的尺寸，近年來不斷出現微納米量級的光子晶體功能器件，為將來更小型化，高密度的芯片的設計提供了技術支持，甚至為全光器件的開發指出了新的道路。

目前在光子晶體的設計制作上，以二維光子晶體器件為主，使光的頻率落在光子晶體的光子禁帶中，并引入缺陷，使光的傳輸被局限在缺陷結構之中，這是光子晶體作為光波導的理論基礎，傳統的光子晶體在缺陷的周圍需要一定數量的晶體結構來起到滿足光子禁帶結構的條件，尤其是在使用光子晶體禁帶作用進行光束分束器的設計時，耦合效率不高，即在對光場進行分束時，由于禁帶的作用，使光場沿著不同方向缺陷分成多束光的同時，有相當一部分能量反射回入射光波導，導致光的傳輸效率不高。

光子晶體分束器一般在光束分叉處引入缺陷結構或是加入一些增透或抗反射層結構來提高分束效率，減小光分束時的損耗，提高光的傳輸效率。但是，要在分叉處另外引入微小的缺陷結構和加入增透抗反射結構對曝光工藝的要求非?？量?，給實際光子晶體的制作帶來很大的困難。

因此，在對光子晶體器件的研究當中，需要對整體的結構特別是在光的分束處的幾何結構進行調整，達到在不引入另外的缺陷結構或加入增透、抗反射層結構的前提下，提高光子晶體光分束器的傳輸效率。

發明內容

本發明針對傳統波導尺寸較大、傳輸效率較低和反射較大以及現有的光子晶體分束器在尋求提高光束傳輸效率時對曝光工藝的要求苛刻等問題，提供一種光束傳輸效率高的光子晶體光分束器，該分束器將漸變型結構的光子晶體漸變效應與光子晶體的自準直效應相結合，作為光分束器結構，不需要再另外加入一些缺陷或增透抗反射結構，僅是從改變光子晶體的結構來實現提高光束的傳輸效率的目的。

為達到上述目的，本發明基于自準直及漸變效應的光子晶體Y型分束器，提供的技術方案如下：

該分束器，包括一個作為光波導的正方晶格的光子晶體，該正方晶格的光子晶體具有自準直效應，在正方晶格的光子晶體的內部制作兩個沿自準直光束傳播方向對稱的彎曲的缺陷腔，并在每個缺陷腔內設置一個非均勻介質結構，非均勻介質結構在缺陷腔內彎曲排列，兩個缺陷腔內的非均勻介質結構的曲率相同，輸入光通過兩個缺陷腔與非均勻介質結構的組合結構進行分束。

上述分束器中，所述的正方晶格的光子晶體中的介質柱采用的材料為氧化鋁(折射率n為3.13)，介質柱的半徑為14a/15，a為缺陷腔內彎曲排列的非均勻介質結構沿光傳播方向上的晶格常數。

上述分束器中，正方晶格的晶格常數為7a/3。

上述分束器中，正方晶格的光歸一化頻率為0.133。

上述分束器中，兩個缺陷腔是從正方晶格中心開始，分別向上彎曲和向下彎曲，每個缺陷腔的寬度為22a，上下兩個缺陷腔重疊部分的寬度為4a。

上述分束器中，所述的非均勻介質結構中的介質柱材料采用的是氧化鋁(折射率n為3.13)，介質柱的半徑為0.2a。

上述分束器中，所述的缺陷腔內彎曲排列的非均勻介質結構在徑向上的等效折射率在垂直于光傳輸的光軸方向上從n=1.43到n=2.20對稱分布，寬度h=20a，等效折射率分布采用的是雙曲正切分布，即在垂直于光傳播方向上的折射率n(y)=n₀sech(αy)，其中，n₀為2.20，α為0.112a^-1，y為缺陷腔內彎曲排列的非均勻結構中沿垂直于光傳播方向上，離非均勻介質結構中心軸線的距離。