專利名稱：一種二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高群折射率、單軸對(duì)稱、圓弓形散射元構(gòu)成的二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，特別是一種二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置。
背景技術(shù)：
:慢光效應(yīng)是電磁波具有比光速低很多的群速度，光子晶體慢光結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)微小緊湊、傳輸損耗少和室溫運(yùn)行等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的光子晶體慢光波導(dǎo)主要有線缺陷波導(dǎo)和點(diǎn)缺陷耦合波導(dǎo)兩種形式，線缺陷波導(dǎo)中的光波群速度一般較大，但色散相對(duì)較??；點(diǎn)缺陷耦合波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)較小的群速度，但其色散較大。目前，多數(shù)研究集中于獲得較低的群速度、色散較小的結(jié)構(gòu):一是對(duì)線缺陷波導(dǎo)通過(guò)增加或減少線缺陷的寬度，在線缺陷中間加平行縫隙，調(diào)整空氣孔的半徑，引入啁啾波導(dǎo)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將靠近線缺陷的兩排空氣孔沿波導(dǎo)方向平移等方式；二是對(duì)點(diǎn)缺陷耦合波導(dǎo)通過(guò)調(diào)整微腔半徑，在調(diào)整微腔半徑同時(shí)調(diào)整其周圍空氣孔的半徑，改變相鄰微腔的距離或雙缺陷微腔，同時(shí)改變?nèi)毕葜霃郊捌渲車橘|(zhì)柱的位置等方法；還有些研究將兩種缺陷模式結(jié)合起來(lái)，如在線缺陷波導(dǎo)中引入高品質(zhì)因數(shù)Q的多個(gè)微腔或者單一量子點(diǎn)微腔等。但是，上述研究方法集中在結(jié)構(gòu)的周期性排列方面，所采用的散射元主要是圓柱形散射元，只有少量研究改變了散射元的形狀，更極少用到單軸對(duì)稱的散射元結(jié)構(gòu)，而獲得有效群折射率也多為光速的十幾分之一或者幾十分之一，這些結(jié)構(gòu)適用于光學(xué)延時(shí)線和緩沖器等信息處理技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)于應(yīng)用于激發(fā)熒光和促進(jìn)光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的慢光結(jié)構(gòu)和應(yīng)用于信息傳輸?shù)穆獠▽?dǎo)的要求不同，傳輸光信息的慢光結(jié)構(gòu)要求信號(hào)保真?zhèn)鬏?，必須有效地減少色散；應(yīng)用于激發(fā)熒光發(fā)光和促進(jìn)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的慢光結(jié)構(gòu)，主要是能量傳輸和轉(zhuǎn)化，追求的是低群速度(高的群折射率)，而較少考慮色散方面的問(wèn)題。單軸對(duì)稱散射元是光子晶體結(jié)構(gòu)的一種新發(fā)展，為了優(yōu)化禁帶和慢光的關(guān)系，單軸對(duì)稱散射元增加了散射元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并打破了它原來(lái)對(duì)稱形散射元的模式，將結(jié)構(gòu)由雙軸對(duì)稱改為單軸對(duì)稱，目前這方面的研究尚未間有報(bào)道?，F(xiàn)有的研究已證明，高群折射率的慢光結(jié)構(gòu)可以激發(fā)熒光用于各種高效照明，而有慢光效應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)，可以極大增長(zhǎng)光在結(jié)構(gòu)中的傳播時(shí)間，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率和促進(jìn)太陽(yáng)能的利用。所以，如果單軸對(duì)稱散射元構(gòu)建的線缺陷波導(dǎo)能實(shí)現(xiàn)高群折射率，就可以應(yīng)用于激發(fā)熒光和促進(jìn)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。單軸對(duì)稱散射元構(gòu)建的線缺陷波導(dǎo)具有參量多、體積很小、易于制作和集成等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)控制慢光效果，工作環(huán)境沒(méi)有特殊要求，可以在常溫下工作，便于與光纖系統(tǒng)耦合匹配等。因此，尋求設(shè)計(jì)一種高群折射率、單軸對(duì)稱、圓弓形散射元構(gòu)成的二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置，帶動(dòng)熒光發(fā)光和太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用等方面的突破，為慢光在能量轉(zhuǎn)化和吸收等領(lǐng)域提供新的結(jié)構(gòu)和方向，具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值
發(fā)明內(nèi)容
:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)一種具有高群折射率、單軸對(duì)稱、圓弓形散射元構(gòu)成的二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置，帶動(dòng)熒光發(fā)光和太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用等方面的突破，為慢光在能量轉(zhuǎn)化和吸收等領(lǐng)域提供新的結(jié)構(gòu)和方向，實(shí)現(xiàn)高群折射率的慢光效應(yīng)，使光的群速度降低，可應(yīng)用于提高太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換或光子晶體發(fā)光效率等多個(gè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括二維硅片、單軸對(duì)稱圓弓形散射元、線缺陷、硅片長(zhǎng)邊和硅片短邊；長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的板狀二維硅片的表面上沿二維硅片的硅片長(zhǎng)邊的方向順序排列刻蝕制有以二維硅片中心線為對(duì)稱軸的6-10排單軸對(duì)稱圓弓形散射元，二維硅片的對(duì)稱軸處留有一排沒(méi)有刻蝕制有單軸對(duì)稱圓弓形散射元而形成線缺陷；每排單軸對(duì)稱圓弓形散射元上等間距挖制有固定結(jié)構(gòu)排列的90-100個(gè)單軸對(duì)稱圓弓形散射元；相鄰的單軸對(duì)稱圓弓形散射元的中心在二維硅片的表面上呈等邊六邊形排列，六邊形的邊長(zhǎng)等于晶格常數(shù)，晶格常數(shù)由光的工作波長(zhǎng)確定，工作波長(zhǎng)為1550nm，晶格常數(shù)為300 350nm;單軸對(duì)稱圓弓形散射元為兩個(gè)半圓缺對(duì)合構(gòu)成，其長(zhǎng)軸半徑都為b，短軸半徑分別為C1和C2，兩個(gè)短軸半徑C1和C2能夠變化；二維硅片上分別依次排列挖制的單軸對(duì)稱圓弓形散射元為通透結(jié)構(gòu)；線缺陷的方向與單軸對(duì)稱圓弓形散射元的長(zhǎng)軸方向平行；單軸對(duì)稱圓弓形散射元的兩個(gè)面的圓弓形用偏離度O1和e2表示，其中e^l-q/b，e2=l_c2/b，漸變結(jié)構(gòu)根據(jù)參數(shù)e1、e2的不同取值，θι和e2的取值范圍都為O I。本發(fā)明裝置的群折射率\和色散的關(guān)系由公式(I)表示:
權(quán)利要求
1.一種二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括二維硅片、單軸對(duì)稱圓弓形散射元、線缺陷、硅片長(zhǎng)邊和硅片短邊；長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的板狀二維硅片的表面上沿二維硅片的硅片長(zhǎng)邊的方向順序排列刻蝕制有以二維硅片中心線為對(duì)稱軸的6-10排單軸對(duì)稱圓弓形散射元，二維硅片的對(duì)稱軸處留有一排沒(méi)有刻蝕制有單軸對(duì)稱圓弓形散射元而形成線缺陷；每排單軸對(duì)稱圓弓形散射元上等間距挖制有固定結(jié)構(gòu)排列的90-100個(gè)單軸對(duì)稱圓弓形散射元；相鄰的單軸對(duì)稱圓弓形散射元的中心在二維硅片的表面上呈等邊六邊形排列，六邊形的邊長(zhǎng)等于晶格常數(shù)，晶格常數(shù)由光的工作波長(zhǎng)確定，工作波長(zhǎng)為1550nm,晶格常數(shù)為300 350nm ;單軸對(duì)稱圓弓形散射元為兩個(gè)半圓缺對(duì)合構(gòu)成，其長(zhǎng)軸半徑都為b，短軸半徑分別為C1和C2，兩個(gè)短軸半徑C1和C2能夠變化；二維硅片上分別依次排列挖制的單軸對(duì)稱圓弓形散射元為通透結(jié)構(gòu)；線缺陷的方向與單軸對(duì)稱圓弓形散射元的長(zhǎng)軸方向平行；單軸對(duì)稱圓弓形散射元的兩個(gè)面的圓弓形用偏離度61和e2表示，其中ei=l-Cl/b，e2=l-C2/b，漸變結(jié)構(gòu)根據(jù)參數(shù)e1、e2的不同取值，ei和e2的取值范圍都為O I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置，其特征在于實(shí)現(xiàn)慢光效應(yīng)時(shí)，采用常規(guī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，紅外光由光源發(fā)出后產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過(guò)偏振器后變成線偏振光進(jìn)入偏振分束器，再將脈沖信號(hào)的其中一路直接用光纖進(jìn)入功率放大器，另一路通過(guò)光纖透鏡準(zhǔn)直聚焦引入到二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置后，使用光纖透鏡將出射光耦合進(jìn)入光纖中，然后再進(jìn)入功率放大器；功率放大器對(duì)接收的兩路信號(hào)進(jìn)行放大后通過(guò)光電二極管將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀；然后對(duì)兩路信號(hào)的相位在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行比較，得出其包絡(luò)的相位差，排除其他干擾因素，得到光在光子晶體慢光波導(dǎo)裝置中通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的相位變化，從而計(jì)算出慢光效應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種二維硅基光子晶體線缺陷慢光波導(dǎo)裝置，二維硅片的表面上沿二維硅片的硅片長(zhǎng)邊的方向順序排列刻蝕制有單軸對(duì)稱圓弓形散射元，二維硅片的對(duì)稱軸處留有一排沒(méi)有刻蝕制有單軸對(duì)稱圓弓形散射元而形成線缺陷；相鄰的單軸對(duì)稱圓弓形散射元的中心在二維硅片的表面上呈等邊六邊形排列，單軸對(duì)稱圓弓形散射元為兩個(gè)半圓缺對(duì)合構(gòu)成；二維硅片上分別依次排列挖制的單軸對(duì)稱圓弓形散射元為通透結(jié)構(gòu)；線缺陷的方向與單軸對(duì)稱圓弓形散射元的長(zhǎng)軸方向平行；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，穩(wěn)定性高，效率高，簡(jiǎn)單易行，群折射率高，慢光帶寬大，信號(hào)保真好，可廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換和光子晶體發(fā)光技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/355GK103176328SQ20131012439
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者萬(wàn)勇, 戈升波, 劉培晨, 郭月, 賈明輝 申請(qǐng)人:青島大學(xué)