專利名稱：復合結構光子晶體的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體行業光電子技術領域，尤其涉及一種用于實現三維光波調控的復合結構光子晶體。
背景技術：
光子晶體是不同介電性能的材料在空間中周期排列的結構，可以對光子在該材料中的傳播行為起到強烈的調制作用。光子晶體的一個典型特征，就是光子帶隙的存在，處于禁帶內的光子態不能在光子晶體中傳播。根據介電材料在空間維度的分布，光子晶體可以分為一維、二維和三維光子晶體。1991年，美國科學家制作出了世界上第一個具有全方位光子帶隙的光子晶體結構。隨后，世界各地的科學家設計制作了各種各樣的光子晶體結構。如果在光子晶體材料中引入擾動或者缺陷，就會在光子晶體能帶中引入缺陷態。點缺陷中產生的光子將被局域在這個缺陷周圍，形成缺陷腔。利用這種缺陷模式，世界各地的科學家制作了各種各樣的光子晶體點缺陷激光器。同樣，也可以在光子晶體中引入線缺陷，形成光子晶體光波導。在實現本發明的過程中，申請人意識到現有技術存在如下技術缺陷雖然三維光子晶體具有全帶隙，在各個方向都能對光子進行限制，但是制作工藝復雜，成本較高；同三維光子晶體相比，二維光子晶體具有制作簡單，實用性強的優點，不過它的缺點在于只能在三維空間的兩個維度調控光子，在第三個維度上對光子的調控能力較弱。
發明內容
(一)要解決的技術問題為解決上述缺陷，本發明提供了一種基于二維平板光子晶體的復合結構光子晶體，以解決通常的二維光子晶體平板在垂直于平板方向對光波調控能力較弱的問題。( 二 )技術方案根據本發明的一個方面，提供了一種復合結構光子晶體。該復合結構光子晶體包括疊層設置的三層二維光子晶體板；其中中間層的二維光子晶體板水平設置，用于實現在X-Y平面上對光波的調控；上層和下層的二維光子晶體板豎直設置，分別位于中間層的二維光子晶體板的上下兩側，其法線方向與中間層的二維光子晶體板法線方向垂直，用于實現在Z方向上對光波的調制。優選地，本發明復合結構光子晶體中，上層、中間層、下層的二維光子晶體板的帶隙均覆蓋待調制光波的波長；上層和下層的二維光子晶體板的帶隙偏振相同，并且與中間層的二維光子晶體板的帶隙偏振相反。優選地，本發明復合結構光子晶體中，在中間層的二維光子晶體板上設置缺陷結構；上層和下層的二維光子晶體板的厚度至少能覆蓋該缺陷結構。該缺陷結構為線缺陷結構或點缺陷結構。優選地，本發明復合結構光子晶體中，上層、中間層、下層的二維光子晶體板的材料由預設的能帶特征及缺陷態特征確定，為半導體材料或介質材料；上層、中間層、下層的二維光子晶體板的光子晶體參數由預設的能帶特征及缺陷態特征確定。優選地，本發明復合結構光子晶體中，上層、中間層、下層的二維光子晶體通過以下方式中的一種固定一體成型方式；鑲嵌到預置支架方式；鍵合方式；或緩沖層壓接方式。(三)有益效果本發明具有下列有益效果1、本發明實現了對光波的三維調控，解決了通常的二維光子晶體平板在垂直于平板方向對光波調控能力較弱的問題；2、本發明的通用性較強，通過對三個光子晶體周期，空氣孔半徑的調節，可以設計不同的帶隙。帶隙可以從可見光范圍跨越到紅外，在很大波長范圍內實現對光波調控；3、在本發明中，通過在中間層光子晶體中引入缺陷，可以制作特定功能的光電子器件，比如光波導，光學微腔，三維光學調控的實現，極大提高這些器件的光學性能。
圖Ia為本發明實施例復合結構光子晶體)(Z平面的示意圖；圖Ib為本發明實施例復合結構光子晶體^平面的示意圖；圖Ic為本發明實施例復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板XY平面的示意圖；圖加為本發明實施例一復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板的TE能帶圖；圖2b為本發明實施例一復合結構光子晶體上/下層二維光子晶體板的TE能帶圖；圖3為本發明實施例一復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板缺陷波導的示意圖；圖4為本發明實施例二復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板缺陷腔的示意圖；圖5為本發明實施例二復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板缺陷腔的共振波長圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明公開了一種基于二維平板光子晶體的復合結構光子晶體。該復合結構光子晶體包含三個二維晶格光子晶體，它們疊層放置，處于中間位置的光子晶體的空氣孔方向與處于兩端的光子晶體的空氣孔方向垂直，三個二維光子晶體的參數(材料、周期、空氣孔半徑、板的厚度)根據各自預設的能帶參數和缺陷態特征確定。利用本發明，可以在三個維度實現對光的調控。在本發明的一個基礎的實施例中，公開了一種復合結構光子晶體。該復合結構光子晶體包括疊層設置的三層二維光子晶體板。其中，中間層的二維光子晶體板水平設置，用于實現在X-Y平面上對光波的調控；上層和下層的二維光子晶體板豎直設置，分別位于中間層的二維光子晶體板的上下兩側，其空氣孔的方向與中間層的二維光子晶體板空氣孔的方向垂直，用于實現在Z方向上對光波的調制。優選地，本實施例中，上層、中間層、下層的二維光子晶體板的帶隙均覆蓋光波的波長；上層和下層的二維光子晶體板的帶隙偏振相同，并且與中間層的二維光子晶體板的帶隙偏振相反。本實施例可以在三個維度實現對光的調控。與傳統的二維光子晶體板相比，本實施例提高了對垂直于光子晶體板方向的光的調控。而與傳統三維光子晶體相比，本實施例利用了成熟的二維光子晶體制備技術，制作工藝相對簡單。為了更加清楚地了解本發明復合結構光子晶體的組成，給出本發明的另一個實施例。圖Ia為本發明實施例復合結構光子晶體)(Z平面的示意圖。圖Ib為本發明實施例復合結構光子晶體^平面的示意圖。圖Ic為本發明實施例復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板XY平面的示意圖。如圖la、圖Ib及圖Ic所示，該復合結構光子晶體包括疊層設置的三層二維光子晶體板。其中，上層二維光子晶體板為在)(Z平面的二維光子晶體，其厚度沿Y方向，厚度為D1。中間層的二維光子晶體板為XY平面的二維光子晶體，其厚度沿Z 方向，厚度為D2。下層的二維光子晶體板為TL平面的二維光子晶體，其厚度沿Y方向，厚度為D3。需要說明的是，在本實施例中，光子晶體均為圓形晶格，而在實際應用中，三個光子晶體結構的材料、周期、空氣孔半徑、平板厚度可以分別設計，以便實現特定的功能。為了實現特定的功能，經常會在光子晶體中引入缺陷結構。在本發明進一步的實施例中，提供了一種復合結構光子晶體。該復合結構光子晶體中，在中間層的二維光子晶體板上設置缺陷結構；上層和下層的二維光子晶體板的厚度至少能覆蓋該缺陷結構。典型地， 缺陷結構為線缺陷結構或點缺陷結構。當該缺陷結構為線缺陷結構時，上層和下層的二維光子晶體板的厚度大于線缺陷結構的橫向長度，并沿缺陷結構的縱向覆蓋線缺陷結構。優選地，線缺陷結構可以為在中間層的二維光子晶體板上去掉一排空氣孔所形成缺陷波導；上層和下層的二維光子晶體板沿缺陷波導的縱向覆蓋缺陷波導。當該缺陷結構為點缺陷結構時，上層和下層的二維光子晶體板的厚度大于點缺陷結構的直徑，并覆蓋該點缺陷結構。優選地，點缺陷結構在在中間層的二維光子晶體板中去掉一個空氣孔所形成光子晶體缺陷腔；上層和下層的二維光子晶體板覆蓋光子晶體缺陷腔。本發明復合結構光子晶體中，從構成二維光子晶體的各種參數，包括晶格周期及空氣孔形狀、尺寸等而言，由預設的能帶特征及缺陷態特征確定。從構成二維光子晶體的材料而言，三層二維光子晶體板的材料由預設的能帶特征及缺陷態特征確定，三層二維光子晶體板的材料可以相同，也可以不同，材料的選擇種類也很多，可以是半導體材料，如GaAs、 hP、Si，也可以是常見的介質材料，如Si02。本發明復合結構光子晶體中，從上層和下層二維光子晶體板與中間層的二維光子晶體板的結合方式而言，為了保持三個平板的相對位置，組合結構的固定方式，可以靈活選擇，如果三層板的材料相同，可以用微納米加工技術直接加工出這種三層板結構；如果材料
6不同，可以將三塊板分別鑲嵌在已經固定好的支架中，或者通過鍵合或緩沖層壓接等方式
固定在一起。因此，在具體設計該復合結構光子晶體時，首先根據需要調控的光波的頻率和偏振態，確定三個光子晶體板的帶隙范圍和偏振態，然后選擇合適的晶格周期和空氣孔半徑。 例如，需要調控的光波具有的電磁分量為Hy，Ex, Ez，波長為1550nm。中間層光子晶體的設計原則是能夠產生包含1550nm的TE帶隙，上下層光子晶體的設計原則是能夠產生包含 1550nm的TM帶隙。以下將在上述實施例的基礎上，給出本發明的最優實施例。需要說明的，該最優的實施例僅用于理解本發明，并不用于限制本發明的保護范圍。并且，在無特別注明的情況下，在相同或不同實施例中出現的技術特征在不相互沖突的情況下可以組合使用。實施例一中間層的二維光子晶體的材料選用GaAs，折射率為η = 3. 5，光子晶體為三角晶格，周期為a = 380nm，空氣孔半徑r = 0. 3a，厚度為D2 = a。上下層光子晶體的材料選用 Si，折射率為η = 3. 4，光子晶體為三角晶格，周期b = 1070nm，空氣孔半徑r = 0. 4b，厚度為 D1 = D3 = 3a。用平面波方法計算得到中間層光子晶體的TE能帶圖如圖加所示。如圖加所示， 空氣孔半徑與周期的比值(r/a)為0.3，垂直方向的坐標為周期/波長(a/λ)，水平方向的坐標表示晶格方向，該光子晶體的TE帶隙覆蓋了 1550nm的波長。用平面波方法計算得到上下兩層光子晶體的TM能帶圖如圖2b所示。如圖2b所示，空氣孔半徑與周期的比值(r/a)為0.4，垂直方向的坐標為周期/波長(a/λ)，水平方向的坐標表示晶格方向，該光子晶體的TM帶隙也覆蓋了 1550nm的波長。在中間層二維光子晶體板中去掉一排空氣孔，也就是將其中的一排空氣孔用GaAs 材料填充，形成如圖3所示的缺陷波導。波導的寬度為a。將上/下層二維光子晶體板正對著波導放置，平板的方向沿著波導的方向。因為上/下層二維光子晶體板的厚度為3a，所以平板除了覆蓋缺陷波導之外，還可以覆蓋波導最鄰近的兩排空氣孔。在上述設計中，TE偏振的波長為1550nm的光波，可以在中間層缺陷波導中傳播。 中間層的TE偏振，恰好是上下層的TM偏振，1550nm波長剛好處于上下層的TM禁帶中。所以在TL平面不能傳播，這樣光波就能很好地被限制在中間層的二維光子晶體板缺陷波導中。實施例二中間層二維光子晶體板的材料選用hP，折射率為η = 3. 4，光子晶體為三角晶格， 周期為a = 420nm,空氣孔半徑r = 0. 3a,厚度設計為D2 = a。上/下層二維光子晶體板的材料選用Si，折射率為η = 3. 4，光子晶體為三角晶格，周期b = 1220nm，空氣孔半徑r = 0. 4b，厚度設計為D1 = D3 = 3a。在中間層二維光子晶體板中去掉一個空氣孔，即在一個空氣孔中填充InP材料， 形成光子晶體缺陷腔，如圖4所示。圖5為本發明實施例二復合結構光子晶體中間層二維光子晶體板缺陷腔的共振波長圖。在圖5中，橫坐標為波長，縱坐標為相對共振強度。如圖5所示，中間層缺陷腔的 TE偏振共振波長為1765nm，該1765nm波長剛好處在上下層光子晶體的TM禁帶中，這樣缺陷腔在三個維度都能夠受到很好的約束。綜上所示，本發明具有下列有益效果1、本發明實現了對光波的三維調控，解決了通常的二維光子晶體平板在垂直于平板方向對光波調控能力較弱的問題；2、本發明的通用性較強，通過對三個光子晶體周期，空氣孔半徑的調節，可以設計不同的帶隙，帶隙可以從可見光范圍跨越到紅外，在很大波長范圍內實現對光波調控。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種復合結構光子晶體，其特征在于，該復合結構光子晶體包括疊層設置的三層二維光子晶體板；其中中間層的二維光子晶體板水平設置，用于實現在X-Y平面上對光波的調控； 上層和下層的二維光子晶體板豎直設置，分別位于所述中間層的二維光子晶體板的上下兩側，其法線方向與所述中間層的二維光子晶體板法線方向垂直，用于實現在Z方向上對光波的調制。
2.根據權利要求1所述的復合結構光子晶體，其特征在于所述上層、中間層、下層的二維光子晶體板的帶隙均覆蓋所述待調制光波的波長； 所述上層和下層的二維光子晶體板的帶隙偏振相同，并且與中間層的二維光子晶體板的帶隙偏振相反。
3.根據權利要求1所述的復合結構光子晶體，其特征在于 在所述中間層的二維光子晶體板上設置缺陷結構；所述上層和下層的二維光子晶體板的厚度至少能覆蓋該缺陷結構。
4.根據權利要求3所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述缺陷結構為線缺陷結構；所述上層和下層的二維光子晶體板的厚度大于所述線缺陷結構的橫向長度，并沿所述缺陷結構的縱向覆蓋所述線缺陷結構。
5.根據權利要求4所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述線缺陷結構為在所述中間層的二維光子晶體板上去掉一排空氣孔所形成缺陷波導；所述上層和下層的二維光子晶體板沿所述缺陷波導的縱向覆蓋所述缺陷波導。
6.根據權利要求5所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述中間層的二維光子晶體板的材料為GaAs，光子晶體為三角晶格，周期為％，其空氣孔的半徑0. 3 ，厚度 ；所述上層和下層的二維光子晶體板的材料為Si，光子晶體為三角晶格，周期Sb1，其空氣孔的半徑0. 4bi，厚度3ai。
7.根據權利要求3所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述缺陷結構為點缺陷結構；所述上層和下層的二維光子晶體板的厚度大于所述點缺陷結構的直徑，并覆蓋該點缺陷結構。
8.根據權利要求7所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述點缺陷結構在在所述中間層的二維光子晶體板中去掉一個空氣孔所形成光子晶體缺陷腔；所述上層和下層的二維光子晶體板覆蓋所述光子晶體缺陷腔。
9.根據權利要求8所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述中間層的二維光子晶體板的材料為^Ρ，光子晶體為三角晶格，周期為％，其空氣孔的半徑0. 3 ，厚度 ；所述上層和下層的二維光子晶體板的材料為Si，光子晶體為三角晶格，周期為Iv其空氣孔的半徑0. 4b2，厚度3 。
10.根據權利要求3所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述上層、中間層、下層的二維光子晶體板的材料由預設的能帶特征及缺陷態特征確定，為半導體材料或介質材料；所述上層、中間層、下層的二維光子晶體板的光子晶體參數由預設的能帶特征及缺陷態特征確定。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的復合結構光子晶體，其特征在于，所述上層、 中間層、下層的二維光子晶體通過以下方式中的一種固定一體成型方式；鑲嵌到預置支架方式；鍵合方式；或緩沖層壓接方式。
全文摘要
本發明公開了一種復合結構光子晶體。該復合結構光子晶體包括疊層設置的三層二維光子晶體板；其中中間層的二維光子晶體板水平設置，用于實現在X-Y平面上對光波的調控；上層和下層的二維光子晶體板豎直設置，分別位于所述中間層的二維光子晶體板的上下兩側，其法線方向與所述中間層的二維光子晶體板法線方向垂直，用于實現在Z方向上對光波的調制。本發明實現了對光波的三維調控，解決了通常的二維光子晶體平板在垂直于平板方向對光波調控能力較弱的問題。
文檔編號G02B6/12GK102213793SQ20111011977
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者晏新宇, 鄭婉華 申請人:中國科學院半導體研究所