一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构

摘要

本发明提出了一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构。通过在光子晶体槽波导的两端，同时引入锥形渐变结构和谐振结构，使从脊波导出来的光束在光子晶体槽波导的入口和出口处发生干涉，因而产生自准直效应，减少由于阻抗失配引起的反射损耗，实现脊波导与光子晶体槽波导之间的高效率耦合。仿真结果表明，利用本发明提出的耦合结构，可以将脊波导与光子晶体槽波导间的透射率提高到90％，且其透射率具有很好的一致性，为光子晶体槽波导在光电子器件中的实际应用提供了基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构，属于微型光电子器件技术领域。

背景技术

光子晶体槽波导是2008年提出的一种新型结构(文献1.A.Di Falco，L. O’Faolain，T.F. Krauss.“Photonic crystal slotted slab waveguides.”Photonics and Nnostructures-Fundamentals  and Applications，2008，6：38-41.)，它结合了光子晶体波导与普通槽波导的优点，空气槽内 可以填充电光或低折射率待测材料，慢光被束缚在很窄的低折射率介质槽内，空间上增加 了信号的强度，进一步加强慢光与槽内低折射率物质的相互作用，可以用来实现小体积、 高灵敏度的各种全光器件(文献2.J.D.Ryckman，S.M.Weiss.“Localized field enhancements  in guided and defect modes of a periodic slot waveguide.”IEEE Photonics Journal，2011，3(6)： 986-995.)。

在实际应用中，光子晶体槽波导与普通光纤间的耦合是必不可少的。普通光纤发出的 发散光首先经光纤透镜准直聚焦后进入脊波导，然后再由脊波导出来进入光子晶体槽波 导。当光从脊波导入射到光子晶体槽波导时，由于两者之间光传播模式以及折射率的不同 而导致严重的阻抗失配，光会被剧烈的反射回来，由此带来的损耗被称为耦合损耗。2012 年，美国学者将脊波导末端切割成一个非常尖的锥形结构，再在光子晶体槽波导的端口引 出两个凹形的槽波导，将两者很好的吻合在一起。这样在脊波导中的光传播模式就会转变 为槽波导模式并耦合进光子晶体槽波导中。同时，逐渐改变输入和输出端的波导宽度形成 渐变结构，这样光在光子晶体中的折射率就会逐渐升高，最终将脊波导与光子晶体槽波导 之间的透射率提高到60％左右(文献3.C.Y. Lin，A.X.Wang，W.C.Lai，et al.Coupling loss  minimization of slow light slotted photonic crystal waveguides using mode matching with  continuous group index perturbation.Optics Letters，2012，37(2)：232-234.)。但是该耦合结构 需要在光子晶体槽波导的端口引出一段非常窄的凹形槽波导，不仅增加了制备的复杂性而 且会影响器件的机械稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于解决脊波导与光子晶体槽波导之间的耦合损耗问题，提供一种具 有高耦合效率的光子晶体槽波导结构。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构。该结构是 在光子晶体槽波导的两端，同时引入锥形渐变结构和谐振结构，使从脊波导出来的光束在光 子晶体槽波导的入口和出口处发生干涉，因而产生自准直效应，实现脊波导与光子晶体槽波 导之间的高效率耦合。

上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构可以在半导体材料基板绝缘体上硅(Silicon On  Insulator，SOI)上利用掩膜、电子束曝光、离子刻蚀、干法刻蚀、湿法腐蚀等技术形成空气桥 结构的光子晶体槽波导。

上述方案中，所述的光子晶体结构采用的是三角晶格结构，空气孔的半径r＝0.32a(其中 a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，为保证光子晶体器件工作在传输损耗 比较小的1550nm波段，一般晶格常数a取400nm左右。

上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构中，背景介质采用纯硅，折射率n＝3.48，硅厚 度h＝400nm；所有空气孔中均是空气，折射率均为n₀＝1。

上述方案中，所述的光子晶体槽波导，是指在普通的硅介质背景空气孔结构光子晶体的 基础上，去掉中间的一排空气孔形成W1结构的光子晶体波导，再在缺陷中心处放置一个宽 度为ω＝0.3a的空气槽。

上述方案中，所述的锥形渐变结构，是指在光子晶体槽波导的入口和出口处，去掉靠近 空气槽的第一排空气孔中的两个空气孔，同时去掉靠近空气槽的第二排空气孔中的一个空气 孔，最后将空气槽的长度缩短，使其两端距光子晶体槽波导的边界均为s＝2.9a，形成出口和 入口完全对称的光子晶体槽波导锥形渐变结构。

上述方案中，所述的谐振结构，是指在锥形渐变结构的基础上，在靠近空气槽的第二排 空气孔两端各引入一个半径为r₁＝0.45a的空气孔，使其与相邻的空气孔间距为一个晶格常数 a；在靠近空气槽的第一排空气孔两端各引入一个半径为r₂＝0.38a的空气孔，使其与相邻的空 气孔间距为一个晶格常数a；同时，在空气槽的两端各引入一个半径为r₃＝0.18a的空气孔， 使其与空气槽末端的距离为1.9a；最后，将脊波导的宽度增加至ω₀＝4.3a，在光子晶体槽波导 的入口和出口处形成完全一致的谐振结构。

(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)本发明提供的一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构，采用渐变结构和谐振结构 相结合的方法，只需要引入三种孔径的空气孔就可以实现高效率的耦合，这样可降低制备工 艺的复杂性。

2)本发明提供的一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构，可以将脊波导与光子晶体 槽波导间的透射率提高到90％，且其透射率具有很好的一致性，为光子晶体槽波导在光电子 器件中的实际应用提供了基础。

附图说明

以下各图所取的光子晶体槽波导的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1为脊波导与光子晶体槽波导的耦合结构示意图；

图2为引入光子晶体槽波导耦合结构前后的光透射谱对比图。

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， 对本发明的具体结构作进一步的详细说明。

本发明提出了一种具有高耦合效率的光子晶体槽波导结构，如图1所示为脊波导与光子 晶体槽波导的耦合结构示意图，它是通过在脊波导与光子晶体槽波导的入口和出口处，同时 引入锥形渐变结构和谐振结构而形成的。

脊波导和光子晶体槽波导采用相同的制备工艺在一块绝缘体上硅材料上加工，其中脊波 导为纯硅材料，光子晶体槽波导是在普通的三角晶格光子晶体中，将中间一排空气孔换成宽 度为ω＝0.3a的空气槽形成的。在光子晶体槽波导的结构中，a为晶格常数，即相邻空气孔之 间的间距，空气孔的半径为r＝0.32a。所有空气孔的折射率均为1，介质背景采用纯硅，折射 率为n＝3.48，硅厚度为h＝400nm。如图1所示，在脊波导和光子晶体槽波导的入口和出口处， 引入相同的锥形渐变结构和谐振结构。其中锥形渐变结构是通过去掉靠近空气槽的第一排空 气孔中的两个空气孔，同时去掉靠近空气槽的第二排空气孔中的一个空气孔，最后将空气槽 的长度缩短，使其两端距光子晶体槽波导的边界均相距s＝2.9a，这样便在光子晶体槽波导的 入口和出口处引入了完全对称的锥形渐变结构。而谐振结构是在锥形渐变结构的基础上，在 靠近空气槽的第二排空气孔两端各引入一个半径为r₁＝0.45a的空气孔，使其与相邻的空气孔 间距为一个晶格常数a；在靠近空气槽的第一排空气孔两端各引入一个半径为r₂＝0.38a的空 气孔，使其与相邻的空气孔间距为一个晶格常数a；同时，在空气槽的两端各引入一个半径 为r₃＝0.18a的空气孔，使其与空气槽末端的距离为1.9a；最后，将脊波导的宽度增加至ω₀＝4.3a， 在光子晶体槽波导的入口和出口处形成完全一致的谐振结构。通过引入锥形渐变和谐振结构， 从脊波导出来的光束将会在接口处发生干涉，因而产生自准直效应，减少由于阻抗失配引起 的反射损耗，实现脊波导与光子晶体波导之间的高效率耦合。

图2所示为利用麻省理工学院的MEEP软件仿真得到的引入光子晶体槽波导耦合结构前 后光透射谱对比图，Curve1为引入光子晶体槽波导耦合结构前的光透射谱，Curve2为引入光 子晶体槽波导耦合结构后的光透射谱。从图中可以看出，引入光子晶体槽波导耦合结构后， 可以将脊波导与光子晶体槽波导间的透射率提高到90％。在引入光子晶体槽波导耦合结构前， 由于脊波导与光子晶体槽波导之间存在严重的阻抗失配，光束在两者的接口处会产生 Fabry-Perot反射，光透射谱中会由于干涉条纹的存在而有严重的抖动。引入光子晶体槽波导 耦合结构可以减小阻抗失配，Fabry-Perot反射产生的干涉条纹幅度会大大降低，得到一致性 比较好的透射谱，透射率整体提高了50％，在靠近带边的高群折射率区域透射率提高了60％。