一种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构

摘要

本发明公开了一种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构，包括纵向结构及横向结构，其中，纵向结构为一种空气桥多层结构，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；横向结构是一光子晶体波导，该光子晶体波导设计在纵向结构的半导体材料层上，包括正色散波导和负色散波导。本发明提供的这种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构，通过调整两个波导宽度及负色散中间缺陷孔半径来实现模式匹配及色散补偿，对接位置对波导损耗至关重要，既保证了慢光所需要的群时延，又保证了净色散尽量小，同时获得了高透过率。

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，尤其涉及一种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构。

背景技术

随着微电子集成逐渐达到其物理极限，光子集成被人们寄予厚望，如基于光子集成的全光智能网、光计算、光存储和光子芯片等。目前光子集成也在按照“摩尔”定律迅速发展。光子晶体被看作是核心技术之一，其各种奇异效应正在不断被开发和利用。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。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。

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、光开关和光延迟器等的尺寸可以缩小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、光计算和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。群折射率可以达到100以上。光子晶体慢光波导应用的是光子带隙中的缺陷态，该缺陷态一阶色散呈现出高群折射率，这是进行慢光波导设计的理论基础，进一步分析会发现二阶色散，即群速度色散同样也很大，达到10^7～9ps/nm·km，而光通信用的G.652光纤的色散是16ps/nm·km。尽管这种色散对于低速率光传输由于器件尺寸小影响不大，但是当速率较高的短脉冲传输时(如40Gbit/s信号)，信号本身对色度色散容忍度大幅度下降，色散将成为导致误码的关键因素。这就要求器件本身净色散小。

普通的光波导器件一般色度色散都不大，但是光子晶体慢光器件由于缺陷态与带隙的作用，色散曲线一阶及二阶微分呈现高群速度及高群速度色散的特点。文献上报道过采用直接耦合器结构及渐变折射率衬底上的光子晶体波导实现色散补偿，其实这种结构在实验上难以实现。

本发明将提出直接对准型具有色散补偿效应的慢光光子晶体波导实现方法，其特点是采用尽量少的小孔类型，减少工艺上对不同小孔的加工和设计修正难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构，既保证慢光所需要的群时延，又保证净色散尽量小，同时获得高透过率。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构，包括纵向结构及横向结构，其中，纵向结构为一种空气桥多层结构，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；横向结构是一光子晶体波导，该光子晶体波导设计在纵向结构的半导体材料层上，包括正色散波导和负色散波导。

上述方案中，所述横向结构中正色散波导和负色散波导的三角晶格周期均为P，孔半径均为R，其中三角晶格周期P取380～420纳米，孔半径R取0.31P。

上述方案中，所述正色散波导通过去掉一行孔形成，该波导通过色散关系分析发现其缺陷态具有慢光效应。

上述方案中，所述负色散波导是在正色散波导去掉孔的那一行上加上一行不同半径的孔而形成，通过能带结构分析发现工作模式态具有负色散效应。

上述方案中，所述纵向结构的半导体材料层采用硅或磷化铟，该层厚度取250～300纳米。

上述方案中，所述正色散波导和负色散波导直接对接时，错开尺寸为晶格孔半径。

(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、本发明提供的这种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构，通过调整两个波导宽度及负色散中间缺陷孔半径来实现模式匹配及色散补偿，对接位置对波导损耗至关重要，既保证了慢光所需要的群时延，又保证了净色散尽量小，同时获得了高透过率。

2、本发明提供的这种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构，采用图1所示这种补偿方案的慢光光子晶体波导，能实现群折射率达到50或更高，而色散能够通过波导宽度及单元波导长度调节而实现补偿。整个设计过程中用到了两类小孔，降低了工艺探索难度。在两个波导连接区域要进行相位匹配，错开半个晶格孔半径。

附图说明

图1是本发明提供的消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构的示意图；

图2(a)是正色散慢光波导；图2(b)是负色散慢光波导；

图3(a)是正色散波导能带结构；图3(b)是负色散波导能带结构；

图4(a)是正色散波导TE模式第7子带群折射率与频率关系曲线；

图4(b)是负色散波导TE模式第6子带群折射率与频率关系曲线；

图4(c)是正色散波导TE模式第7子群速度色散与频率关系曲线；

图4(d)是负色散波导TE模式第6子群速度色散与频率关系曲线；

图4(e)是正负色散波导TE模式子带群折射率与频率关系曲线；

图4(f)是正负色散波导TE模式子群速度色散与频率关系曲线，中间竖线为补偿频率位置；

图5是进行了色散补偿的慢光波导结构；

图6是进行了色散补偿的慢光波导中的光场传输；

图7是色散补偿慢光波导中短脉冲的传输。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

光子晶体由于其有很多奇异特性，在小尺寸光子集成中被人们所重视。慢光器件在光存储，光互联的节点交换中扮演很重要的角色，小尺寸高延迟是其基本要求。利用光子晶体缺陷态实现慢光器件是重要途径之一。其最简单结构就是线波导，但是其二阶色散很大，达到10^7～9ps/nm·km，是普通G.652光纤的10^6～8倍，当器件尺寸较小时，速度适中时影响不大，但是对于慢光器件要实现长的时延，尺寸也需要大些，这样累积色散会很严重，导致光脉冲展宽，为此对器件色散提出了要求，一定要小于光通信色散容限。在设计慢光器件中，一种途径是使波导色散小，而这往往会牺牲群时延，另一种途径是内部进行色散补偿，即用符号相反的两种波导通过耦合设计来实现。

本发明提出了一种新型的具有色散补偿功能的慢光光子晶体波导结构，包括纵向结构及横向结构。纵向为一种空气桥多层结构，从顶层到底层依次为空气/半导体材料(如硅或磷化铟)/空气层/衬底材料。给出纵向TE模式有效折射率在通信波段(1550纳米附近)为2.9左右，如图1所示。横向结构的设计以此为基础，采用三角晶格结构如图2所示，分别正色散波导2(a)和负色散波导2(b)，周期均为P，半径均为R。正色散波导通过去掉一行孔形成，该波导通过能带结构即色散关系分析发现其缺陷态具有慢光效应。负色散波导是在正色散波导的基础上加上一行不同半径的孔而形成，通过能带结构分析，发现工作模式态具有负色散效应。该发明中，我们通过调整两个波导宽度及对接位置来实现模式匹配及色散补偿，即保证慢光所需要的群时延又保证净色散尽量小，同时还要考虑其透过率。采用这种补偿方案的慢光光子晶体波导能实现群折射率达到50或更高，而色散能够通过单元波导长度调节而实现匹配。

本发明提出了一种基于光子晶体空气桥结构的具有内部消色散功能慢光波导结构，该结构特点是以光电子器件常用的多层薄膜结构为基础，在制作过程中无论是硅基还是三五族半导体铟镓砷磷体系，都能通过干法和湿法混合刻蚀形成如图1这种有空气夹层的所谓空气桥结构。这里我们称之为纵向结构其实就是如图1所示的空气桥结构。光子晶体波导就设计在如图1所示的从上向下数第二层之内，为保证纵向单模条件，该层厚度取250-300纳米，三角晶格(如图2)周期P取380-420纳米，孔半径R取0.31P，从而使其工作于通信波段，即1550纳米附近。

正色散波导如图2(a)所示，即为正常三角晶格中抽掉一行形成线缺陷，与此同时可以通过调整波导宽度W(正常晶格中抽掉一行形成的波导宽度设为W₀＝30.5P)来实现缺陷态位置调节。这里我们取波导宽度W为0.82W₀。

负色散波导如图2(b)所示，即在图2(a)所示波导中间加上一行，此时波导宽度也不是原来的0.82W₀而改为0.85W₀，中间加上的一行小孔半径为0.85R。其它参数不变。

利用超原胞及平面波展开法，我们得到两种波导的色散关系如图3所示。对于正色散波导其色散关系如图3(a)，将利用其TE模式第七子带，该带电场沿垂直波导方向对称。该束缚模式为缺陷态，在光锥之外大波矢处有慢光效应，而且其下带边具有正的色散效应，图中横黑直线所示。对于负色散波导，由于中间有一行小孔，其将对原缺陷态(第七子带)起作用，将其向上推移，第六子带向上提升，形成具有慢光效应的束缚态，而且在上带边具有负色散效应。图3中与黑直线相交的两个带即为波导工作区域，两者均是慢光区，色散符号相反。

图4(a)给出了正色散波导TE模式第7子带群折射率与频率关系曲线，(b)为负色散波导TE模式第6子带群折射率与频率关系曲线，(c)为正色散波导TE模式第7子群速度色散与频率关系曲线，(d)为负色散波导TE模式第6子带群速度色散与频率关系曲线。分别将(a)和(b)，(c)和(d)绘到一个坐标中，得到(e)正负色散波导TE模式子带群折射率与频率关系曲线及(f)正负色散波导TE模式子群速度色散与频率关系曲线。图4(e)、(f)所示归一化频率位置为0.2785，在此处正负色散波导具有50以上的群折射率，在附近优化，群折射率可以更高，在此我们主要给出补偿思路。在此归一化频率处正负色散波导的群速度色散分别为75和-75s/m²，在等长度内即可实现完全补偿。

根据以上分析，我们提出具有色散补偿效应的慢光光子晶体波导设计，如图5所示。当工作波长设定为1550nm时，利用归一化频率0.2785推出晶格周期为1550×0.2785＝431.7nm，晶格孔半径为133.8nm，正色散波导宽度为613nm；负色散波导中间缺陷孔半径为113.7，波导宽度为635.5。在两个波导直接对接时，如果距离不合适，损耗会很严重，通过时域有限差分仿真，当采用如图5所示的耦合方式时，可以获得较小的损耗，其中错开尺寸为晶格孔半径。

图6为进行了色散补偿的慢光波导中的光场传输图，两部分波导传播模式不同，但实现了很好的耦合。图7为色散补偿慢光波导中短脉冲的传输情况，三个监测点相互间隔5微米，脉冲原始宽度取357微米(乘以1/(1e+6×c)可转换为时间，其中c为真空光速)，经过正色散波导传输，脉冲展宽到365微米，然后经过负色散波导，脉宽压缩到350微米。说明该慢光波导实现了色散补偿。由于时域有限差分精度所限，完美匹配条件不易获得，如果经过大量优化会得到更好结果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。