可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构制造技术

本发明专利技术属于光学器件领域，公开了一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底，包括二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱，形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个方形空气孔，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱的高度和方形空气孔的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，并与所述异质结界面与的夹角为45°。本发明专利技术易于制备、便于集成、单向高透射率，实现了高正向透射的单向传输特性，可以广泛应用于量子光学领域。

Photonic Crystal Heterostructure for Broadband Light Wave Unidirectional Transmission

【技术实现步骤摘要】
可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构
本专利技术属于光学器件领域，具体属于光量子通信及量子计算领域，具体涉及一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构。
技术介绍
单向传输光子二极管因可实现逻辑运算已成为量子计算机的关键部件。由于光子晶体尺寸小易于光集成，传输损耗低等特点，成为了制备单向传输器件的优先选择。利用光子晶体的能带特性，设计可以实现光波单向传输光子晶体结构，已经为单向传输光子二极管应用于量子计算及信息处理打下基础。目前基于空间反演不对称性设计的微纳尺度光子二极管受材料损耗、带隙宽度和能带匹配等限制，存在正向透射率低，对比度低，带宽窄及工作于特定偏振态等问题，制约了光子集成的发展。Wang（Wang,C,C.Zhou,andZ.Li."On-chipopticaldiodebasedonsiliconphotoniccrystalheterojunctions."OpticsExpress19.27(2011):26948-26955.）利用硅材料研究了空气圆孔形光子晶体异质结构，在1550nm附近实现光波的单向传输，但正向透射率仅为21.3%、带宽为50nm，透射率较低、带宽较窄。Ren等（RenCheng,FengKang,andDezhongCao."Highefficiencyasymmetriclighttransmissionbasedonphotoniccrystalheterointerfaceoptimization."OpticsCommunications(2019):75-80.）利用非正交空气圆孔形光子晶体实现非对称的传输，实现了带宽约为0.26a/λ单向传输，但正向透射率较低最大仅为0.46。Liu（L.Dan,S.Hu,andY.Gao."One-wayopticaltransmissioninsiliconphotoniccrystalheterojunctionwithcircularandsquarescatterers."PhysicsLettersA(2017))，研究了正交方形空气孔光子晶体异质结，虽然单向传输带宽约为0.04a/λ，但正向透射峰波动比较大，不能在宽频带范围内保持正向高透射。费宏明等（费宏明,徐婷,刘欣,林瀚,陈智辉,杨毅彪,张明达,曹斌照,梁九卿,"可用于拓宽光波单向传输带宽的光子晶体异质结构界面,"物理学报66,60-68(2017))研究了空气孔型二维光子晶体异质结构实现光波单向传输，但结构采用两种不同电介质的衬底材料，正向透射率最大值仅为0.64，透射率大于0.5的单向传输带宽也比较低仅为70nm。
技术实现思路
本专利技术针对现有的实现光波单向传输的光子晶体异质结构透射率低，单向传输带宽范围较窄以及实验制备困难，设计一种易于制备、便于集成、高透射率、可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，在光量子通信及量子计算领域具有潜在的应用价值。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱，形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个方形空气孔，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱的高度和方形空气孔的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，入射方向与所述异质结界面与的夹角为45°。所述薄硅层的折射率为3.48，所述方形空气孔的折射率为1。所述薄硅层的厚度大于220nm。所述二氧化硅基底的厚度为1000nm。所述第二光子晶体结构PC2的晶格常数为第一光子晶体PC1的晶格常数的倍。硅圆柱的半径为60nm，第二光子晶体PC2的晶格常数为490nm，方形空气孔的边长为220nm。所述第一光子晶体结构PC1中，介质硅圆柱为与光波入射方向呈45°夹角的正方形周期排列，所述第二光子晶体结构PC2中，方形空气孔为沿光波入射方向的正方形周期排列，且方形空气孔的一边平行于光波入射方向。所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其工作波长范围为1408nm~1940nm。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术设计了一种正方晶格的二维光子晶体异质结构，该结构仅采用硅材料（折射率为3.48）构筑正方晶格不仅结构简单，实验制备方便，而且能实现宽频带单向传输。附图说明图1本专利技术实施例提出的一种光子晶体异质结构的结构示意图；图2本专利技术中光子晶体PC1在TE模式下的能带图；图3本专利技术中光子晶体PC2在TE模式下的能带图；图4本专利技术结构在TE模式下透射率与透射率对比图；图5本专利技术结构在TE模式下，1550nm处正入射场强分布图；图6本专利技术结构在TE模式下，1550nm处反入射场强分布图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术实施例提供了一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，包括二氧化硅基底1，所述二氧化硅基底1上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面2为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱3，形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个方形空气孔4，形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱3的高度和方形空气孔4的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，并与所述异质结界面2与的夹角为45°。其中，本实施例中，所述介质硅圆柱3的折射率为3.48，所述方形空气孔4的折射率为1。此外，本实施例中，所述薄硅层的厚度大于220nm。所述二氧化硅基底的厚度为1000nm。进一步地，本实施例中，所述第一光子晶体结构PC1的晶格常数为a，硅圆柱3半径为60nm；右侧PC2为硅衬底上方形空气孔周期排列，晶格常数为a，方形空气孔4的边长为220nm。具体地，晶格常数a的取值为346.4nm。其中，晶格常数指的是相邻两个硅圆柱3的中心之间的距离，或者相邻两个方形空气孔的中心之间的距离。如图2所示，为本实施例中的光子晶体PC1在TE模式下的能带图。如图3所示，为本实施例中光子晶体PC2在TE模式下的能带图。本专利技术设计二维光子晶体异质结构，光子晶体PC1在TE模式下，第一条禁带在0.302-0.446（a/λ），第二条禁带在0.743-0.764（a/λ）；光子晶体PC2在TE模式下没有禁带。其中a是晶格常数，λ是波长。因此，因此通信频段在导带区，为实现宽频带单向传输提供了条件。具体地，本实施例中，所述第一光子晶体结构PC1中，介质硅圆柱3为与光波入射方向呈45°夹角的正方形周期排列，即介质硅圆柱3的中心连线与入射光波方向呈45°夹角或135度夹角；所述第二光子晶体结构PC2中，方形空气孔4为沿光波入射方向的正方形周期排列，即方形空气孔4的中心连线与入射光波方向平行或垂直，且方形空气孔的一边平行于光波入射方向。本专利技术设计二维光子晶体异质结构利用广义全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，包括二氧化硅基底（1），所述二氧化硅基底（1）上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面（2）为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱（3），形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个方形空气孔（4），形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱（3）的高度和方形空气孔（4）的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，入射方向与所述异质结界面（2）与的夹角为45°。

【技术特征摘要】
1.一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，包括二氧化硅基底（1），所述二氧化硅基底（1）上生长有薄硅层；所述薄硅层上以异质结界面（2）为界，左侧刻蚀有周期性排列的多个介质硅圆柱（3），形成第一光子晶体结构PC1，右侧刻蚀有周期性排列的多个方形空气孔（4），形成第二光子晶体结构PC2；所述介质硅圆柱（3）的高度和方形空气孔（4）的深度等于所述薄硅层的厚度；光波从第一光子晶体结构PC1一侧入射，入射方向与所述异质结界面（2）与的夹角为45°。2.根据权利要求1所述的一种可实现宽频带光波单向传输的光子晶体异质结构，其特征在于，所述薄硅层的折射率为3.48，所述方形空气孔（4）的折射率为1。3.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于，所述薄硅层的厚度大于220nm。4.根据权利要求1所述的一种实现光波单向高透射的椭圆光子晶体异质结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：费宏明，严帅，武敏，林翰，杨毅彪，张明达，刘欣，曹斌照，陈智辉，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14