具有缺陷态的二维光子晶体光开关制造技术

一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其中：　　　　该光开关是在二维光子晶体上设缺陷态微腔制成；其中该二维光子晶体是在模板上设三阶非线性极化率薄膜，然后根据晶格常数在非线性极化率薄膜上刻蚀有正常微腔和缺陷态微腔形成。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用光子晶体的应用技术，尤其是一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关及其应用。
技术介绍
光子晶体是制备集成光子器件的重要基础。利用光子晶体所制备的光开关，可以用作光学多路传输器、光学再生器，并应用到光学取样系统中，能够非常有效地控制光的传输过程，因而在光计算和光信息处理领域有非常重要的应用。但是，实现光开关需要高质量的光子晶体，尤其对光子带隙的要求更为苛刻，因此，受光子晶体制备技术的限制，到目前为止，还没有三维光子晶体光开关的实验研究报道。目前，对光子晶体光开关的研究工作仍主要集中在理论研究方面(文献1，A.Huttunen，P.Torma，“Band Structure for Nonlinear Photonic Crystals”，J.Appl.Phys.，2002，91(7)3988-3991)，人们提出了许多机理来实现光子晶体光开关(文献2，P.Tran，“Optical Limiting and Switching of Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic BandgapStructure with a Defect”，J.Opt.Soc.Am.B 1997，14(10)2589-2594；文献3，P.Tran，“Optical Switching with a Nonlinear Photonic Crystala Numerical Study”，Opt.Lett.1996，21(15)1138-1140；文献4，P.M.Johnson，A.F.Koenderink，W.L.Vos，“Ultrafast Switching of Photonic Density of States in Photonic Crystals”，Phys.Rev.B2002，66(11)081102(R))，其中在实验中被普遍采用的是光子带隙偏移机理(文献5，M.Scalora，J.P.Dowling，C.M.Bowden and M.J.Bloemer，“Optical Limiting andSwitching of Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials”，Phys.Rev.Lett.1994，73(10)1368-1371)。但是，利用光子带隙偏移机理制造的光开关，由于带边的群速度色散很大，容易造成脉冲的变形。并且，由于很难制造出带边很陡的光子晶体，因此，利用光子带隙偏移机理制造的光开关的效率不高。通常，人们利用在光子带隙中引入缺陷态，利用缺陷态的移动来实现光开关(文献6，ShengLAN，SatoshiNISHIKAWA，HiroshiISHIKAWA，andOsamuWADA，”Engineering PhotonicCrystal Impurity Bands for Waveguides，All-Optical Switches and Optical DalayLines”，Ieice Trans.electron.，2002，E85-c(1)181-189；文献7，Sheng Lan，SatoshiNishikawa，andOsamu Wada，”Leverging deep photonic band gaps in photonic crystalimpurity bands”，Appl.Phys.Lett.2001，78(15)2101-2103)，利用半导体材料通过外延生长技术来制备一维光子晶体，通过生长的材料厚度的不同引入缺陷，利用光子晶体带隙中缺陷的移动来实现光子晶体光开关，但是这种方法存在很大的缺陷一是光子晶体的制备过程非常复杂，不易调控，制造时造成的偏差较大，难以制备出理想的光子晶体；二是对光传输时的能量在其他二维上衍射造成能量损失，使其效率不高。另外通过缺陷态的耦合(文献8 Sheng Lan and Hiroshi Ishikawa，“Coupling ofdefect pairs and generation of dynamical band gaps in the impurity bands of nonlinearphotonic custals for all-optical switching”，Journal of Applied Physics”，2002，91(5)2573-2577)来实现光开关，把柱子按周期性排列起来来制备光子晶体，但由于柱子的尺寸很小，排列起来很困难，且在选择缺陷态时很难找到频率相同但场分布不同的模式，因此，实验上很难实现。这就极大地限制了光子晶体光开关的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的不足而提供一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关，该光开关是利用半导体材料通过微加工技术制备出高质量的带有缺陷态的二维非线性光子晶体，利用半导体材料自身的三阶非线性光学Kerr效应和快的响应时间来实现对探测光传输过程的“开”与“关”的控制作用。本专利技术的另一目的在于提供一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关的应用。本专利技术的目的可通过如下措施来实现一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其中该光开关是在二维光子晶体上设缺陷态微腔制成；其中该二维光子晶体是在模板上设三阶非线性极化率薄膜，然后根据晶格常数在非线性极化率薄膜上刻蚀有正常微腔和缺陷态微腔形成。所述的缺陷态微腔的最大内径大于或小于所述的正常微腔的最大内径。所述的缺陷态微腔的最大内径为小于1/2晶格常数。所述的正常微腔的最大内径为小于1/2晶格常数。所述的晶体的晶格常数为200nm-700nm。所述的模板的折射率小于三阶非线性极化率薄膜的折射率。所述的模板为SiO2。所述的三阶非线性极化率薄膜为GaAs。所述的三阶非线性极化率薄膜的随泵浦光强变化的折射率n=n0+120π2cn02Re(χ(3))I,]]>其中，n0为薄膜本身的线性折射率，是一个常数；c为真空中的光速，χ(3)为三阶非线性极化率薄膜的三阶非线性极化率，是一个复数；Re(χ(3))表示取χ(3)实部的数值，I为光开关的泵浦信号光强。本专利技术的另一目的可通过如下措施来实现一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关的应用。当具有缺陷态的二维光子晶体光开关用于对探测光进行光开关时，将泵浦信号光与探测光的时间重合；当改变泵浦光的光强时，二维光子晶体的缺陷态模式发生移动从而实现对探测光的开关作用。本专利技术相比现有技术具有如下优点本专利技术利用半导体材料通过微加工技术制备出高质量的带有缺陷态的二维非线性光子晶体，利用半导体材料自身的三阶非线性光学Kerr效应和快的响应时间来实现对探测光传输过程的“开”与“关”的控制作用。本专利技术由于利用聚焦离子束刻蚀薄膜，用此方法打孔比周期性排列柱子要容易准确的多。本专利技术在SiO2基底上通过分子束外延方法生长出GaAs薄膜，由于GaAs和SiO2与空气的折射率比较大，可以利用全反射来限制光在垂直方向上的损失。制造时，可以控制晶格常数的大小、正常孔径的大小、缺陷孔的大小，从而可以在可见光和红外波段很大范围内实现光子晶体光开关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘元好，胡小永，王义全，韩守振，程丙英，张道中，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：