平面光延迟器的设计方法及结构技术

本发明专利技术属光通讯技术领域，具体为一种平面光延迟器的设计方法及结构。本发明专利技术根据光子晶体缺陷态之间相互耦合的理论，研究了缺陷层厚度和透射谱之间的关系，缺陷层之间的结构的周期数和透射谱之间的关系以及不同数量的缺陷对器件的性能所造成的影响。本发明专利技术所设计的光延迟器可以是在多晶Ｓｉ／非晶ＳｉＯ↓［２］多层膜中引入多个缺陷态，利用缺陷态之间的相互耦合，使得器件的透射频谱加宽，满足高速光通信的基本要求。同时该器件能与硅平面集成工艺兼容，具有良好的应用前景。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光通讯
，具体涉及一种平面光延迟器的设计方法及结构。本专利技术提出的平面光延迟器的设计方法，是基于光子晶体理论设计，其中根据传输矩阵的方法设计周期性的多层膜系，然后在膜系中间加入多个光学厚度与周期层厚度不同的其他膜层，从而引入多个缺陷层；调节缺陷层的参数，使得局域态对应的共振透射峰的波长刚好是工作波长λ0，利用各个缺陷态之间的相互耦合，使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽；上述设计中，多层膜系的两端分别为2-3个周期正常膜系，而在膜系的中间则为N+1个缺陷层和KN个正常膜系交替的结构，缺陷层的光学厚度与周期层的不同或是沉积一层与周期层材料不同的膜层，K为两缺陷层之间正常结构周期数，K≥4，N为缺陷层个数，N取5～200。设计工作的第一步是设计出对于正入射的情况下，具有较大禁带宽度的高反膜系，其禁带中心波长为工作波长λ0。这种高反膜系是周期性的多层膜，例如可以采用典型的λ0/4膜系，即每一周期中的每一层的光学厚度都是λ0/4。经过此步设计出的多层膜可以认为是有限周期的一维光子晶体。第二步是引入多个缺陷，利用缺陷之间的相互耦合，从而使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽。根据光子晶体的理论可知，局域态的出现在透射谱上表现为在某一特定波长处透射率出现尖峰，这是光对缺陷层的共振透射引起的；在实际操作上，缺陷的引入可以通过在光子晶体中加入一层光学厚度与其他层不一致的膜层，例如变化其中某一层的厚度或沉积一层其他材料的膜层。在这里利用多个缺陷之间的相互耦合，缺陷层的厚度和数量的确定要经过多次的尝试。最终的结果应使得透射峰在某一中心频率υ0很大的频谱范围内被展宽。第三步确定缺陷层的厚度和数量，以及两缺陷层之间正常结构的周期数。首先，研究不同的厚度的缺陷对透射峰带宽的影响。发现，当缺陷层的厚度越来越小时，透射峰的频谱范围越来越宽，也就是说，当厚度减小时，光延迟器的性能越来越好。其次，研究不同数量的缺陷对透射峰的影响。当缺陷数量增加时，透射谱上峰的个数会增多，当峰的个数增加到一定程度上时，透射谱上会形成一个平台，此时形成一个带。当缺陷层数量越来越多时，光延迟器的性能越来越好。但是，现实的工艺条件以及实际的需要往往限制了缺陷层的具体的个数。最后，我们研究了两缺陷层之间正常结构的周期数与透射谱之间的关系。当两缺陷层之间正常结构的周期数少于4时，透射谱由一个带逐渐褪变为一条弧，进而变成分离的一些峰。所以，要得到性能好的光延迟器必须使两缺陷层之间正常结构的周期数不少于4，一般可取4～8。为了保证工艺的简单可行性，总的周期数要比较小，所以通常可采用两缺陷层之间正常结构的周期数为4的结构。多层膜可采用多晶Si层和非晶SiO2层，多晶Si和非晶SiO2的周期数一般为32～1000。本专利技术的设计过程分为设计高反膜，然后引入多个缺陷层，研究缺陷层的厚度和数量，以及两缺陷层之间正常结构的周期数和透射谱之间的关系，利用多个缺陷之间的相互耦合，使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽，从而形成光延迟器。这样在某局域态对应的波长光的照射下，光脉冲经过光延迟器能够被很好的延迟，并且能够应用在高速光通信过程中。本专利技术提出的平面光延迟器的结构是生长在硅衬底上的一个有限周期的一维缺陷光子晶体(见附图说明图1)。它的两端分别为2-3个周期正常膜系，而在膜系的中间则是N+1个缺陷层和KN个正常膜系交替的结构。其中，N为缺陷层的个数，N＝5～200。K为两缺陷层之间正常结构周期数，K≥4，一般可取K为4～8，较理想的取K＝4。多层膜可由多晶Si和非晶SiO2组成，厚度分别是0.008μm-0.4μm和0.02μm-1.0μm。其中的缺陷层为非晶的SiO2层，厚度为0.04μm-2.0μm。上述延迟器的多晶Si/非晶SiO2的周期数为32-1000，既提高制备效率，又不降低产品的性能。上述延迟器的多晶Si/非晶SiO2的厚度分别是0.008μm-0.4μm和0.02μm-1.0μm，其中的缺陷层为非晶的SiO2层，厚度为0.04μm-2.0μm，延迟器的性能也会令人满意。上述延迟器制备时，先清洁硅衬底，然后在衬底上用磁控溅射技术重复交替生长多晶Si层和非晶SiO2层直至所需的周期数，并且在必要的地方引入一定厚度的缺陷层。其尺寸大小可以根据需要而定。对此结构的延迟器进行模式分析时，本专利技术采用了光学中常用的传输矩阵方法。由于它是一个有缺陷的一维光子晶体，因此必然会在原来的禁带中出现局域模。而此局域态又会因为这里光子晶体有限的周期数而耦合到外界空间中，形成共振模。然后利用多个缺陷态共振模之间的相互耦合，选择合适参数，使得透射峰在某一中心频率υ0很大的频谱范围内被展宽，这样就可以使延迟器能够被应用在高速光通讯中。本专利技术结构的光延迟器，工艺简单，尤其可与硅平面集成工艺兼容，并具有较好的延迟性和很宽的频谱范围。因此无论从工艺上制备上还是结构性能上，均为高速光通讯提供了广阔的应用前景。图2是平面光延迟器的透射谱图。图3是结构色散关系的一次微分图。实施例2与实施例1类似，针对工作波长为1.3μm，选取多晶Si和非晶SiO2的厚度分别为0.093μm和0.224μm，该结构左右两端分别取为2个和3个正常结构周期，N取为11，缺陷层非晶SiO2的厚度取为0.448μm。计算和模拟的结果显示在这种参数条件下，这样的光延迟器具有很好的延迟性和很宽的频谱范围。权利要求1.一种平面光延迟器的设计方法，其特征在于根据传输矩阵的方法设计周期性的多层膜系，然后在膜系中间加入多个光学厚度与周期层厚度不同的其他膜层，从而引入多个缺陷层；调节缺陷层的参数，使得局域态对应的共振透射峰的波长刚好是工作波长λ0，利用各个缺陷态之间的相互耦合，使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽；上述设计中，多层膜系的两端分别为2-3个周期正常膜系，而在膜系的中间则为N+1个缺陷层和KN个正常膜系交替的结构，缺陷层的光学厚度与周期层的不同或是沉积一层与周期层材料不同的膜层，K≥4，N为缺陷层个数，N取5～200。2.根据权利要求1所述的平面延迟器的设计方法，其特征在于K＝4。3.根据权利要求1所述方法设计的平面光延迟器结构，为一周期性多层膜系，其特征在于在多层膜系中间加入有多个光学厚度与周期层厚度不同的缺陷层，使得局域态对应的共振透射峰的波长刚好是工作波长λ0；其中，多层膜系的两端分别为2-3个周期的正常膜系，在膜系中间为N+1个缺陷层和KN个正常膜系交替的结构，这里，N为缺陷层个数，N取5～200，K为两缺陷层之间正常结构周期数，K≥4。4.根据权利要求3所述的平面光延迟器，其特征在于K为4～8。5.根据权利要求3所述的平面光延迟器，其特征在于K＝4。6.根据权利要求5所述的平面光延迟器，其特征在于所述的多层膜系由多晶Si层和非晶SiO2层交替组成，缺陷层为非晶SiO2层，其中，多晶Si和非晶SiO2的厚度分别是0.008μm-0.4μm和0.02μm-1.0μm，其中的缺陷层为非晶的SiO2层，厚度为0.04μm-2.0μm。全文摘要本专利技术属光通讯
,具体为一种平面光延迟器的设计方法及结构。本专利技术根据光子晶体缺陷态之间相互耦合的理论,研究了缺陷层厚度和透射谱之间的关系,缺陷层之间的结构的周期数和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面光延迟器的设计方法，其特征在于根据传输矩阵的方法设计周期性的多层膜系，然后在膜系中间加入多个光学厚度与周期层厚度不同的其他膜层，从而引入多个缺陷层；调节缺陷层的参数，使得局域态对应的共振透射峰的波长刚好是工作波长λ↓［０］，利用各个缺陷态之间的相互耦合，使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽；上述设计中，多层膜系的两端分别为２－３个周期正常膜系，而在膜系的中间则为Ｎ＋１个缺陷层和ＫＮ个正常膜系交替的结构，缺陷层的光学厚度与周期层的不同或是沉积一层与周期层材料不同的膜层，Ｋ≥４，Ｎ为缺陷层个数，Ｎ取５～２００。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘坚，施斌，樊永良，赵登涛，蒋最敏，王迅，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]