光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构

摘要

本发明公开了一种光子晶体波导侧边双腔全光二级管结构，构成光子晶体结构介质柱为圆形介质柱，其周期排列为正方格子排列；构成光子晶体结构介质柱之间的距离为晶格常数；空腔是由波导上方第二排构成光子晶体介质柱中取消三根构成光子晶体介质柱所构成。本发明正反投射比和单向透射率很高，在正向导通率最高可达到80%左右，反向截止导通率几乎可达100%；期间所需光功率很小，阈值功率为0.34mw，且光子晶体具有可根据调节自身的晶格常数来调节禁带范围的特点，通过可调节晶格常数来调节工作波段。不需要外界泵浦激励，为光无源器件，便于集成于全光网络中，因此具有较大的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件，具体地说是涉及一种利用光子晶体波导两侧双腔非对称耦合实现的全光二级管。

背景技术

在信息量日益膨胀的今天，传统信息网络已不再满足人们的需求，然而随着通信业务需求的增加，各种新技术不断改进和完善，全光网络随之被提出，这一技术避免了传统通信网络中中间节点电子瓶颈问题，受到世界各国的重视，必将成为未来网络发展的最终趋势。

全光二级管作为未来全光信号处理的关键部件之一，必须不断的研究其实现方法，加以改进和完善使其能够更方便，更高效的实现正向导通，反向截至的功能。本发明所设计的双腔全光二级管不需要外界能量激励泵浦，完全是全光控制行为，除了具有单向导通效率高，阈值功率小，工作波段可调等有点外结构设计简单，给工艺制造带来了很大的便捷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现全光二级管的设计结构，不仅能实现优异的工作性能，且结构设计简单，便于实现。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。光子晶体波导侧边双腔全光二级管结构，包括背景、构成光子晶体结构介质柱、反向透射端口/正向入射端口、反向入射端口/正向透射端口、晶格常数、波导、微腔对应介质柱、微腔和空腔；

所述构成光子晶体结构介质柱为圆形介质柱，其周期排列为正方格子排列；

所述构成光子晶体结构介质柱之间的距离为晶格常数，晶格常数用于调节光子晶体能带范围；

所述空腔是由波导上方第二排构成光子晶体介质柱中取消三根构成光子晶体介质柱所构成；

所述微腔对应介质柱是位于空腔的左边取消的第一根构成光子晶体介质柱的正下方波导内位置的圆形介质柱，且与微腔07对应，其大小与构成光子晶体介质柱相等；

所述微腔为椭圆形介质柱，微腔的尺寸用于调节微腔的Fano峰的Q值和透射率；

所述构成光子晶体结构介质柱、微腔、微腔对应介质柱的材料为GaAs；

所述背景的材料为空气；

所述光子晶体波导侧边双腔全光二级管的结构，波导左端为反向透射端口/正向入射端口，波导右端为反向入射端口/正向透射端口。

 一种光子晶体波导侧边双腔全光二极管应用于光网络全光通信技术及其设备装置。

本发明的光子晶体侧边双腔全光二极管结构，正反投射比和单向透射率很高，在正向导通率最高可达到80%左右，反向截止导通率几乎可达100%；期间所需光功率很小，阈值功率为0.34mw，且光子晶体具有可根据调节自身的晶格常数来调节禁带范围的特点，通过可调节晶格常数来调节工作波段。不需要外界泵浦激励，为光无源器件，便于集成于全光网络中，因此具有较大的应用价值。

附图说明

图1为本发明设计结构示意图；

图2为空腔的透射峰谱图；

图3为具有高Q值得微腔Fano峰谱图；

图4为空腔与微腔相互干涉形成两分离透射谱图；

图5为输入光工作频率为0.446ωa/2πc时正反向透射端口随入射光强变化透射图；

图中：01.背景，02.构成光子晶体结构介质柱，03.反向透射端口/正向入射端口，04.反向入射端口/正向透射端口，05.波导，06.微腔对应介质柱，07.微腔，08.空腔，a.晶格常数。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。如图1所示，光子晶体波导侧边双腔全光二级管结构，包括背景01、构成光子晶体结构介质柱02、反向透射端口/正向入射端口03、反向入射端口/正向透射端口04、晶格常数a、波导05、微腔对应介质柱06、微腔07和空腔08。

所述构成光子晶体结构介质柱02为圆形介质柱，其周期排列为正方格子排列；所述构成光子晶体结构介质柱02之间的距离为晶格常数a，晶格常数a用于调节光子晶体能带范围；所述空腔08是由波导05上方第二排构成光子晶体介质柱02中取消三根构成光子晶体介质柱02所构成；所述微腔07对应介质柱06是位于空腔08的左边取消的第一根构成光子晶体介质柱02的正下方波导05内位置的圆形介质柱，且与微腔07对应，其大小与构成光子晶体介质柱02相等；所述微腔07为椭圆形介质柱，微腔07的尺寸用于调节微腔07的Fano峰的Q值和透射率；所述构成光子晶体结构介质柱02、微腔07、微腔对应介质柱06的材料为GaAs；所述背景01的材料为空气；所述光子晶体波导侧边双腔全光二级管的结构，波导05左端为反向透射端口/正向入射端口03，波导05右端为反向入射端口/正向透射端口04。

光子晶体侧边双腔全光二极管结构，利用波导05两侧的空腔08与微腔07非对称耦合，并通过调节微腔07的尺寸大小，来调节微腔07透射峰位置，使得两个腔（即：空腔08和微腔07）相互干涉。在一定频率范围内，出现两个分离但是挨得很近的透射峰，如图4所示。选择输入光工作频率在两分离峰之间并且靠近微腔07的fano峰的位置。输入光正向入射，在增加光强时，由于局域在微腔07中的光离正向入射入端口03的距离更短，会首先与输入光发生耦合，由于微腔07的光Kerr效应，微腔07的Fano峰会先红移到工作频率位置，最终实现对输入光的正向导通，反向截至的功能。本发明选择输入光的工作频率并无确定的某一值，在两分离峰之间低谷处并靠近微腔07的Fano峰的位置。在本发明中选择输入光工作频率为0.446ωa/2πc，在微腔07的光Kerr效应下，随着输入光的光强增加，正向入射时微腔07的Fano峰先红移到工作频率，输入光正向导通，反向截止。

本发明的实现步骤如下：

首先，调节光子晶体晶格常数a的大小，确定工作频率波段。

其次，计算空腔08峰值频率位置，计算结果如图2所示。

然后，调节微腔07尺寸大小，使得其Fano峰值频率略大于空腔峰值频率。如图3所示，其透射率可达95%，品质因子为3797。

最后，根据图4空腔08与微腔07相互干涉形成两分离透射谱图，选择入射光工作频率为0.446ωa/2πc，其中ω为角频率，a为晶格常数，c为光速。分别将入射光分别从正向入射端口03和反向入射端口04入射。由于非线性材料折射率为：n(x,z)=n₀+n₂E²(x,z),其中n₀是材料在无光强照射下的折射率，n₂是材料的非线性系数,E²(x,z)是局域的电场强度，随着入射光的光强逐渐增强，微腔07在光Kerr效应下的折射率不断增加，微腔07的Fano峰往低频方向移动，当移动到和工作频率一致，器件由反射变成透射状态。由于结构的非对称性，正向和反向入射时光局域在微腔07中的强度不同，正向入射时的光局域在微腔07中的光强大大超过反向入射时局域在微腔07中的光强，反向入射的光需要更强的光强才能将微腔07的Fano峰移动到工作频率处。如图5所示，显示了入射光工作频率为0.446ωa/2πc时正反向透射端口随入射光强变化透射图。在0.34-0.51 mW/μm之间正向导通反向截止，所需光强阈值为0.34mW/μm，其透射率可达到80%，当反向入射光的光强增强到0.51 mW/μm时，反向入射的光击穿全光二级管，从反向透射端口03透射。

本发明的光子晶体波导侧边双腔全光二极管应用于光网络全光通信技术及其设备装置。