一种全光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种全光二极管，涉及全光非对称传输技术。其包括：光子晶体平板和平面光栅。其中，光子晶体平板与平面光栅平行放置；光子晶体平板具有双狄拉克锥的能带结构，双狄拉克锥相交于狄拉克点，狄拉克点位于光子晶体平板的布里渊区中心处，在狄拉克点的频率处，光子晶体平板的等效折射率为零；入射到全光二极管的光信号的频率为狄拉克点的频率；平面光栅的厚度设置成使光信号在平面光栅一侧垂直入射时零级衍射光的光强为零。光信号从平面光栅一侧垂直入射时，透射率接近于零；从光子晶体平板一侧垂直入射时，透射率接近于1。利用本发明专利技术实现的全光二极管具有结构简单；正、反向传输对比度高；正向透射率高；无强场要求；易于集成的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种全光二极管
本专利技术涉及全光非对称传输技术，特别涉及一种全光二极管，属于光通信和光计算

技术介绍
全光二极管是一种重要的微纳光学器件，其非对称透射结构使光信号在一个方向通过，而在相反的方向则通过很少或者基本不通过，简言之，就是实现光的单向传输。正如传统集成电路系统运算功能需要电二极管这一基本元件一样，全光信号运算处理也离不开能使得光信号满足非对称传输的单元，即所谓的全光二极管。因此，全光二极管在光计算、光互联和超快信息处理等领域都具有重要的应用前景。为实现光的非对称传输，其关键是要打破光传输的时间反演对称性，这可借助磁光材料或非线性光学效应来实现，然而，这些方法不仅需要强磁场或强光场，而且设备庞大复杂，难以适应硅基纳米光子芯片集成。因此，研制与之适应的微纳尺度的全光二极管成为一个亟需克服的重要难题。
技术实现思路
为克服上述技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种全光二极管，实现的全光二极管结构简单，易于集成，而且避免了强磁场和强电场的使用。本专利技术的技术方案如下：一种全光二极管，其包括：光子晶体平板和平面光栅；其中，光子晶体平板与平面光栅平行放置；光子晶体平板具有双狄拉克锥的能带结构，双狄拉克锥相交于狄拉克点，狄拉克点位于光子晶体平板的布里渊区中心处，在狄拉克点的频率处，光子晶体平板的等效折射率为零；入射到全光二极管的光信号的频率为狄拉克点的频率；平面光栅的厚度设置成使光信号在平面光栅一侧垂直入射时零级衍射光的光强为零。可选地，光子晶体平板具有由柱形壳平行排列构成的三角晶格结构，柱形壳之间的距离为晶格常数，柱形壳由电介质材料制成。可选地，光子晶体平板表面处的最外层柱形壳具有朝向光子晶体平板外侧的统一尺寸的缺口，以实现光子晶体平板的表面阻抗与外界匹配。可选地，光子晶体平板的晶格常数为0.500μm，柱形壳的外半径为0.225μm、内半径为0.133μm、介电常数为12，光子晶体平板内柱形壳以外的部分为空气，上述缺口沿光子晶体平板厚度方向的尺寸为0.029μm。优选地，平面光栅为一维光栅；平面光栅的光栅周期为3μm，栅条的折射率为1.4、厚度为1.62μm，填充因子为0.5。优选地，光信号从平面光栅一侧垂直入射时，经全光二极管的透射率接近于零(小于5％)。优选地，光信号从光子晶体平板一侧垂直入射时，经全光二极管的透射率接近于1(大于95％)。本专利技术的有益效果是：利用本专利技术可以实现微纳尺寸的全光二极管，与基于磁光材料和非线性光学效应的全光二极管相比，其具有结构简单；正、反向传输对比度高；正向透射率高；无强场要求；易于集成的优点。附图说明图1是根据本专利技术实施例的全光二极管结构示意图，其中图(a)为全光二极管的整体示意图；图(b)为全光二极管的横截面结构示意图；图2是根据本专利技术实施例的光子晶体平板的能带图，图中央为光子晶体平板的结构示意图及结构尺寸；图3是根据本专利技术实施例的光子晶体平板的透射率曲线图；图4是根据本专利技术实施例的全光二极管内的电场分布图，其中图(a)为光信号从光子晶体平板一侧垂直入射时的电场分布图，图(b)为光信号从平面光栅一侧垂直入射时的电场分布图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例和附图进一步阐述本专利技术的内容，但本专利技术的内容不局限于下面的实施例。如图1(a)所示，在本实施例中，一种全光二极管包括两部分：光子晶体平板和平面光栅；其中：光子晶体平板与平面光栅平行放置；光子晶体平板具有由柱形壳在空气中平行排列构成的三角晶格结构，横截面如图1(b)所示。柱形壳之间的距离为晶格常数a，改变晶格常数a、柱形壳的内半径r、外半径R及介电常数ε，可以改变光子晶体平板的能带结构。通过精心设计上述参数，使光子晶体平板具有双狄拉克锥的能带结构，并且双狄拉克锥的交点(称为狄拉克点)位于光子晶体平板的布里渊区的中心(Γ点)处，从而在狄拉克点的频率处，实现光子晶体平板的折射率为零，即将光子晶体平板设计为零折射率材料。光在零折射率材料中传输时，场强和相位随传播长度均无变化，因此光波不会衰减，不会畸变，也是基于这个原因，本实施例中不对光子晶体平板的厚度作任何限定，但为了保持其能带结构，柱形壳的层数也不应太少，一般不小于5。图2为采用商用FDTD软件计算得到的TE波(电场分量与柱形壳的轴线平行)的光子晶体平板的双狄拉克锥的能带结构。其中光子晶体的晶格常数取为a＝0.5μm，柱形壳的内半径取为r＝0.2656a、外半径取为R＝0.45a、介电常数取为ε＝12，柱形壳的层数取为26。从图2中可以看出，狄拉克点正好位于布里渊区的中心(Γ点)，同时基于图中数据，我们得到狄拉克点频率处的波长为1.2387μm。零折射率材料具有一个非常独特的性质，即入射光只有在小角度入射即接近垂直入射时才能透过，在大角度入射时则会发生全反射。这一性质可由斯涅耳定律应用于零折射率材料直接得出。光波传输时的这种角度选择性是检验光子晶体的折射率是否为零的有效方法。下面我们来计算具有图2所示能带的光子晶体平板的透射率。在计算之前，需要考虑光子晶体平板的表面阻抗是否与外界匹配，只有在匹配的情况下，入射光才能有效地射入光子晶体平板。如果不匹配，则需要对光子晶体平板的两侧表面进行处理，可以将表面处最外层柱形壳沿表面切掉一定的厚度δ(如图1(b)所示)，此厚度与外界介质有关。在本实施例中，外界为空气，光子晶体平板的表面阻抗与空气不匹配，为了实现匹配，我们将两侧表面处最外层柱形壳切掉0.029μm，计算发现实现了光子晶体平板与空气的完美匹配。将入射光波长取为狄拉克点频率处的波长1.2387μm，我们计算得到不同入射角条件下的透过率，如图3所示。图3所示透射率曲线表明，在入射角足够小(<5o)的情况，光子晶体平板的透射率近似为单位1，随着入射角的增大，透射率迅速下降，在入射角为5o时，透射率已达到零，这一规律与理想的零折射率材料符合得很好，这表明具有图2所示能带的光子晶体平板为零折射率材料。将具有零折射率的光子晶体平板与平面光栅组合，同时利用零折射率光子晶体平板透射率的角度选择性和光栅的衍射分光性，可以实现光的单向传输，即全光二极管。平面光栅的厚度设置成使具有狄拉克点处频率的光信号在垂直入射时的零级衍射光为零，从而使得衍射光的强度全部集中到高衍射级中。来自高衍射级的衍射光斜入射到光子晶体平板上，结果被全部反射，因此，从光子晶体平板透射出的光强为零；而当光信号从全光二极管的光子晶体平板一侧垂直入射时，光信号首先以很高的透射率通过光子晶体平板，然后经平面光栅衍射至另一侧。可见，当光信号从全光二极管相对的两侧垂直入射时，会出现截然不同的透射效果，由此实现了单向通光的功能。本实施中的平面光栅可以为一维光栅，也可以为二维光栅。为简单起见，优选一维光栅，其横截面结构示意图如图1(b)所示，光栅周期为d，栅条折射率为n，光栅填充因子为α。在上述光栅参数选定的情况下，精心选择栅条厚度为h，可以实现平面光栅在狄拉克点频率处的零级衍射光的光强为零。图4是本实施例中全光二极管中的一个光栅周期d宽度上的电场分布。图4(a)为光信号(波长1.2387μm，位于狄拉克点频率处)由光子晶体平板一侧垂直入射时的电场分布，图4(b)为光信号由平面光栅一侧垂直入射时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全光二极管，其特征在于，包括：光子晶体平板和平面光栅；其中，所述光子晶体平板与所述平面光栅平行放置；所述光子晶体平板具有双狄拉克锥的能带结构，所述双狄拉克锥相交于狄拉克点，所述狄拉克点位于所述光子晶体平板的布里渊区中心处，在所述狄拉克点的频率处，所述光子晶体平板的等效折射率为零；入射到所述全光二极管的光信号的频率为所述狄拉克点的频率；所述平面光栅的厚度设置成使所述光信号在所述平面光栅一侧垂直入射时零级衍射光的光强为零。

【技术特征摘要】
1.一种全光二极管，其特征在于，包括：光子晶体平板和平面光栅；其中，所述光子晶体平板与所述平面光栅平行放置；所述光子晶体平板具有双狄拉克锥的能带结构，所述双狄拉克锥相交于狄拉克点，所述狄拉克点位于所述光子晶体平板的布里渊区中心处，在所述狄拉克点的频率处，所述光子晶体平板的等效折射率为零；入射到所述全光二极管的光信号的频率为所述狄拉克点的频率；所述平面光栅的厚度设置成使所述光信号在所述平面光栅一侧垂直入射时零级衍射光的光强为零。2.如权利要求1所述的全光二极管，其特征在于，其中，所述光子晶体平板具有由柱形壳平行排列构成的三角晶格结构，所述柱形壳之间的距离为晶格常数，所述柱形壳由电介质材料制成。3.如权利要求2所述的全光二极管，其特征在于，其中，所述光子晶体平板表面处的最外层所述柱形壳具有朝向所述光子晶体平板外侧的统一尺寸的缺口，以实现所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董鹏，高华，魏果果，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：山东,37