[发明专利]可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构

说明书

本发明属于微纳光电器件研究技术领域，提出了一种可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构，包括分别设置在异质结界面两侧的二氧化硅基底和锗基底，二氧化硅基底和锗基底在同一平面上；所述二氧化硅基底内周期性填充有多个锗圆柱，形成第一光子晶体，所述锗圆柱的轴向与二氧化硅基底平面垂直；所述锗基底内周期性填充有多个二氧化硅圆柱，形成第二光子晶体，二氧化硅圆柱的轴向与锗基底平面垂直；光线从第一光子晶体一侧入射，入射方向与所述异质结界面呈60°夹角。本发明在光通信中心波长1550nm处，TE偏振态下正向透射率为0.90，透射对比度为0.98。在1450nm~1650nm范围内，TE偏振态下正向透射率达0.78以上和透射对比度达0.86以上。

技术领域

本发明属于微纳光电器件研究技术领域，具体是指一种可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构。

背景技术

光通信的发展趋势为光量子技术微型化和集成化，而可集成的高性能光子二极管作为光量子技术的关键部件不可或缺。光子晶体是以光子为信息载体的新型材料。基于方向带隙失配设计的光子晶体异质结构，可实现光波单向传输，但正向透射率较低，带宽较窄，不能满足实际应用的要求。

2011年，李志远等(On-chip optical diode based on silicon photoniccrystal hetero junctions Opt.Express. 2011, Vol:19, 26948-26955)设计了方向带隙不匹配的空气孔型光子晶体异质结构，实现了光波单向传输，但正向透射率仅为 21.3%、带宽为 50 nm，透射率较低、带宽较窄。

2013年，冯帅等( Unidirectional light propagation characters of thetriangular-lattice hybrid-waveguide photonic crystals,Opt. Mater.2013,Vol:35,1455-1460)利用混合波导实现了光子晶体的单向光传输特性，传输范围为65nm，带宽较窄。

2015年，李琳等（基于全反射的二维光子晶体异质结的光波单向传输研究，山西大学学报.2015，Vol:38， 104-110）利用全反射原理，突破方向带隙限制，实现了TE模式下的光波单向传输，在1560nm处正向透射率为0.5，正向透射率较低。

2018年，刘辉阳等（基于全反射的波导异质结构单向传输性能研究，Acta Optica.Sinica. 2018，Vol:38，3）设计了三角晶格光子晶体波导异质结构，实现了在异质结构一中，TE模式光波在1458-1517nm波长范围内正向透射率高于0.8，透射对比度高于0.9的单向传输，带宽较窄。

发明内容

本发明的目的是设计出一种能够在较宽的频带内实现高透射率和高对比度的光子晶体结构，以满足光学领域的实际需求。

本发明的原理是利用广义全反射原理，设计了一种可实现光波单向传输的光子晶体异质结构，利用波导结构提高光波的单向传输效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可实现宽频带单向高透射的波导型光子晶体异质结构，包括衬底层和设置在衬底层上的二氧化硅基底和锗基底，所述二氧化硅基底和锗基底分别设置在异质结界面两侧；所述二氧化硅基底内填充有多个周期性排列的锗圆柱，形成第一光子晶体，所述锗圆柱的轴向与二氧化硅基底平面垂直；所述锗基底内填充有多个周期性排列的二氧化硅圆柱，形成第二光子晶体，二氧化硅圆柱的轴向与锗基底平面垂直；光线从第一光子晶体一侧入射，入射方向与所述异质结界面呈60°夹角。

所述第一光子晶体和第二光子晶体中心分别设置有沿光束入射方向的第一无填充区和第二无填充区。

所述第一光子晶体中，锗圆柱的填充率为r1/a1=0.32，r1表示锗圆柱的半径，a1表示相邻两个锗圆柱圆心之间的距离。