[发明专利]一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体慢光波导设计及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构。

背景技术

慢光效应器件是新一代光通信、光存储及光子器件的关键器件之一。光子晶体由于其自身的特点，近年来，一直是研究的热点，各种效应也不断被发现和利用。几乎所有的有源和无源光子器件都可以用光子晶体的理论和材料来设计制造。它的许多独特之处引人瞩目，如基于光子晶体带隙的小尺寸大角度弯折无损耗波导，基于带边超大色散效应的超棱镜，基于光子晶体负折射效应的突破衍射极限的成像透镜。其中光子晶体带边慢光效应非常引人关注，它可以在微小尺度内极大增强光和物质的相互作用，有效控制辐射速率，基于此的各种微纳腔激光器已经实现超低阈值激射，特殊腔结构的光子晶体激光器具有高达100Gbps调制速率。

基于慢光效应的调制器、光开关、光延迟器尺寸可以缩小1个或几个数量级。基于慢光效应的半导体光放大器在信号放大、波长变换、光逻辑门、光计算、光网络节点的码型变换、色散监测、光码分多址复用收发模块等方面都有重要应用，慢光结构的采用可以大幅度缩短腔长，从而大幅度减小尺寸，降低功耗，提高速率。

光子晶体慢光效应波导是光子晶体慢光器件设计的基础，此前有很多文献报道了光子晶体线缺陷可以作为慢光器件，群折射率可以达到100以上，但是大带宽的设计尚未见报道，这里我们定义慢光工作带宽为群折射率大于10的单模连续工作区域。普通的慢光光子晶体波导带宽为几纳米，这样很难满足光通信中大带宽的要求。另外一般通过保持占空比不变，调整光子晶体晶格周期来改变其工作波长位置，这样对不同工作区域要求的器件需要不同的工艺条件，使设计上难度加大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，该慢光波导结构采用线缺陷光子晶体结构，包括纵向结构及横向结构，纵向结构为空气桥多层结构，从顶层到底层依次为空气层/半导体材料层/空气层/衬底材料层，横向结构采用三角晶格结构，周期为P，半径为R，通过去掉一行孔形成波导。

上述方案中，该慢光波导结构通过调整线缺陷临近孔的半径及波导的宽度来改变慢光区域带宽及中心波长位置。

上述方案中，所述调整线缺陷临近孔的半径及波导的宽度来改变慢光区域带宽及中心波长位置，包括：当临近孔半径变化时，慢光工作波长位置及范围都将发生变化；当波导临近第一排孔半径变小时，慢光工作范围会向长波方向移动，带宽也将逐渐增大，但带宽增加到一定程度，就不是单模了；当波导宽度缩小时，慢光工作区域会向短波方向移动，工作带宽也将发生变化。

上述方案中，所述纵向结构中的半导体材料层采用硅或磷化铟材料。

上述方案中，所述纵向结构中的半导体材料层具有光子晶体波导，该半导体材料层厚度为250至300纳米。

上述方案中，所述横向结构采用的三角晶格结构，其周期P为380至420纳米，孔半径R为0.31P，从而使其工作于1550纳米附近的通信波段。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，采用三角晶格空气桥结构光子晶体，通过变化线缺陷临近孔的大小，实现高达50纳米的慢光工作区，中心波长可以通过波导宽度来调节。

2、本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构，在上百纳米的工作波长要求范围内只需要两种孔径的小孔就可实现，这样可降低满足某一工艺条件的器件参数调整要求。

3、利用本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的慢光光子晶体波导，其带宽可覆盖光纤通信C波段，高达50nm。利用两种尺寸的小孔就可以实现多种工作中心波长大带宽具有慢光效应的光子晶体波导。

附图说明

图1是本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的纵向结构示意图；

图2是本发明提供的基于光子晶体空气桥结构的慢光波导结构的横向结构示意图；

图3(a)是波导超原胞结构；

图3(b)是第7子带TE模式分布；

图3(c)是色散关系(第7子带为所应用的缺陷态)；

图4是光子晶体慢光波导中光场传输；

图5是波导临近两排孔半径变化时，群折射率随频率的变化；

图6是波导临近两排孔半径变化时，慢光区域带宽的变化；