基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，包括芯层以及设于芯层上下两侧结构对称的包层，芯层包括多个规律性排列的第一光子晶体，包层包括多个规律性排列的第二光子晶体，第一光子晶体包括硅基板和环形空气柱，第二光子晶体包括硅基板和圆形空气柱，在入射波频率在1.9322E14Hz

【技术实现步骤摘要】
基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件


[0001]本专利技术涉及集成光学
，特别是一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件。

技术介绍

[0002]当今社会正在向信息化快速发展，信息通信技术及应用相当广泛，各类电子产品出现在我们生活的方方面面，飞速增长的信息充斥在我们的生活之中，这让我们对信息的处理速度以及存储容量提出了新要求。与此同时更高效高速与微型化的集成方法不断更迭，芯片尺寸不断减小。上世纪半导体物理学科建立以来，电子成为集成芯片中主要的信息载体，但由于电子间库伦效应的存在，集成电路性能的提高必定将与其集成度的减小相矛盾。此时，光子的性能优势突显，能在大大提高信息传输速度的同时减小损耗，不断提高集成度。光子晶体的提出使得光子的优势更加明显。近年来，随着的新型微纳光子器件的飞速发展，人们对器件的性能和尺寸要求也越来越高；控制光子、设计和生产光器件成为可能，为未来的全光通信、光子计算机等提供解决方案。
[0003]光子晶体是一种全新的人工微结构材料，具有天然材料所不具备的物理性质，其中独特的带隙与快光效应为设计具有更高集成度以及更好性能的光通信器件提供可能。可以实现负折射率的物理性质，可用于制备左手材料，且可以该性质通过频率来调节，被广泛用于光学波导、天线系统和电磁隐身器件等方面。光子晶体从根本上解决了微纳尺寸光器件控光的难题，提供了实现超密集型集成器件的新途径，使得基于光子晶体的光子晶体波导、滤波器、调制器、分束器等具有广泛的应用前景。
[0004]波导作为集成光学中的最基础的通道，其集成化一直是限制集成光学发展的核心问题，如何设计微纳级别的集成波导，同时保证一定的传输带宽与较低的传输损耗一直是集成光学发展的瓶颈。三层平板波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为芯层，芯两侧的介质层称为包层。芯层的介电常数要比两侧包层的介电常数大，使得光束能够集中在芯层中传输，从而起到导波的作用由芯层夹在两包层之间的波导结构，具有独特的光学传输特性。传统的快光波导传输损耗高、传输带宽低、无法集成，快光获取的过程也较为复杂，往往需要较为复杂制作工序。即使在集成光学中波导也存在微型化、高传输带宽、低传输损耗的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，包括芯层以及设于所述芯层上下两侧结构对称的包层，所述芯层包括多个规律性排列的第一光子晶体，所述包层包括多个规律性排列的第二光子晶体，所述第一光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的
环形空气柱，所述第二光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的圆形空气柱，在入射波频率在1.9322E14Hz
‑
1.9328E14Hz范围内，所述第一光子晶体和第二光子晶体均为左手材料并且均具有负折射率。
[0008]作为优选，所述快光波导器件为三层平板结构，所述芯层与所述包层均为晶体结构为六方晶系并严格按照晶格的结构紧密相接以形成异质结构。
[0009]作为优选，所述第一光子晶体以第一周期性排列构成第一厚度的所述芯层，所述第二光子晶体以第二周期性排列构成第二厚度的所述包层，所述第一周期性和所述第二周期性的数量根据散射边界条件设定。
[0010]作为优选，所述第一周期性排列的数量为4，所述第二周期性排列的数量为3。
[0011]作为优选，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均为二维核
‑
壳结构。
[0012]作为优选，所述第一光子晶体的晶格常数a＝1.096um，所述环形空气柱的内圆半径r1＝0.14959um，外圆半径r2＝0.48485um。
[0013]作为优选，所述第二光子晶体的晶格常数a＝1.096um，所述圆形空气柱的半径r＝0.4429um。
[0014]作为优选，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的能带均在Γ点出现偶然的三重简并点。
[0015]作为优选，当所述快光波导器件的入射波频率在1.9322E14Hz
‑
1.9328E14Hz范围内皆产生快光。
[0016]作为优选，当入射波为调制高斯脉冲，且载波频率信息为1.93224E14Hz和1.93230E14Hz时，在所述快光波导器件中发生反向传播。
[0017]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0018](1)本专利技术的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件利用了基于左手材料的三层平板波导存在反常色散的特性，该反常色散特性表现为波导传播常数β与频率f呈现出负相关关系，实现了产生快光的功能在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的频率范围内皆可产生快光。
[0019](2)本专利技术的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件可由硅基的光子晶体材料构造而成，具有异质结构，且具有简单、易加工、微型化等优点，具有较为新颖的快光波导结构特性。
[0020](3)与其传统波导结构相比，本专利技术的快光波导器件具有结构最为简单，传输损耗低和集成度高。通过设计核
‑
壳型光子晶体材料构造异质结构的三层平板波导，可在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的频率范围内实现了产生快光，由于其波导宽度在纳米级别，解决集成光学中波导微型化、高传输带宽、低传输损耗的问题，为未来集成光学提供一种极佳解决方案。
附图说明
[0021]包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本专利技术的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
[0022]图1是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的结构示意图；
[0023]图2是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的第一光子晶体原胞和第二光子晶体原胞结构、能带和电场分布示意图；
[0024]图3是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的第一光子晶体和第二光子晶体有效参数示意图；图(a)中的带有实心圆形和实心方框标记的线条分别表示第一光子晶体和第二光子晶体的有效磁导率与频率的关系，图(a)中的带有空心圆形和空心方框标记的线条分别表示第一光子晶体和第二光子晶体的有效介电常数与频率的关系；图(b)中的虚线和实线分别表示第一光子晶体和第二光子晶体的有效折射率与频率的线性关系；图(b)中的阴影部分为快光波导的工作频率范围；
[0025]图4是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件在入射波频率为1.9324E14Hz时的电场分布示意图；
[0026]图5是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的传播常数和归本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，包括芯层以及设于所述芯层上下两侧结构对称的包层，所述芯层包括多个规律性排列的第一光子晶体，所述包层包括多个规律性排列的第二光子晶体，所述第一光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的环形空气柱，所述第二光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的圆形空气柱，在入射波频率在1.9322E14Hz
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1.9328E14Hz范围内，所述第一光子晶体和第二光子晶体均为左手材料并且均具有负折射率。2.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述快光波导器件为三层平板结构，所述芯层与所述包层均为晶体结构为六方晶系并严格按照晶格的结构紧密相接以形成异质结构。3.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一光子晶体以第一周期性排列构成第一厚度的所述芯层，所述第二光子晶体以第二周期性排列构成第二厚度的所述包层，所述第一周期性和所述第二周期性的数量根据散射边界条件设定。4.根据权利要求3所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一周期性排列的数量为4，所述第二周期性排列的数量为3。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：何真，邱伟彬，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：