基于光子晶體的超寬帶光二極管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光二極管技術領域，具體涉及一種基于二維光子晶體的超帶寬全光二極管。
【背景技術】
[0002]光子晶體類似于半導體材料具有電子能帶，也具有導帶和禁帶(光子帶隙)。光子晶體又稱光子帶隙材料，是由一種或者多種介電材料所構成的、介電常數在空間周期性變化的一種人工設計的晶體。空間周期性分布的介電常數對入射光波的調制作用就形成了光子帶隙(禁帶)，波長(或者頻率)落入光子帶隙的光將被全部反射回去而不能透過光子晶體。利用光子晶體的光子帶隙，能夠實現對光的傳輸過程進行有效的人為控制，因而在集成光子器件和光通信領域具有非常廣泛的應用。基于光子晶體的光二極管是一種重要的集成光子器件，在光通訊、光計算和光信息處理等領域有著非常重要的應用。當前，許多研究者利用一種非對易光子晶體單向傳輸波導來研制全光二極管。基于磁光效應、光非線性、光聲效應以及間接能帶間光子躍迀等，打破了波導的對易性和時間反演對稱，實現了光子晶體波導的單向傳輸(專利1，CN1812211A ;文獻1，K.Liu, L.Shen, andS.He, “One-way edge mode in a gyromagnetic photonic crystal slab，，，OpticsLetters, V.37，4110(2012)，即 K.Liu, L.Shen, and S.He, “在旋磁平板光子晶體平板中的單向邊界模”，光學快報，V.37,4110(2012)文獻 2，H.Lira, Z.Yu, S.Fan, “Electricallydriven nonreciprocity induced by interband photonic transit1n on a siliconchip”, Phys.Rev.Lett.109，033901 (2012)，即 H.Lira, Z.Yu, S.Fan, “基于硅芯片的能帶間光子躍迀誘導電驅動非對易”物理評論快報.109，033901 (2012);文獻3，F.Li, J.Wang, LeoT.Varghese, “An all-silicon passive optical d1de”，Science,335，447(2012)，BP F.Li, J.Wang, Leo T.Varghese, “一個全光的無源光二極管”，科學，335，447 (2012);文南犬 4，H.Zhu, C.Jiang, “Optical isolat1n based on non-reciprocal micro-ringresonator”，IEEE J.Lightwave Technol.V29, 1647 (2011)，即朱海濱，姜淳，“基于非對易微環共振的光學隔離”，IEEE光波技術雜志.V29，1647(2011))盡管這些設計實現了完全的光隔離，但是由于制作限制或者帶寬太窄等缺點，這些設計至今難以實現單片集成的全光二極管。Li Zhiyuan等基于兩種晶格常數不同的硅基光子晶體(異質結)結構實現了一種全光二極管，其操作機理在于打破空間反演對稱導致的方向性帶隙差異(文獻5，C.Wang, C.Zhou, Z.Li, ^On-chip optical d1de based on silicon photonic crystalhetero-junct1ns", Opt.Express, vl9, 26948 (2011).即 C.Wang, C.Zhou, Z.Li, 〃 基于異質結硅光子晶體的單片光二極管〃，光學學報，vl9, 26948(2011))，但是其波長帶寬僅僅只有幾十個納米。在另外一種設計中(專利2，CN101692148)，通過在多層介質材料中加入一定周期的金屬狹縫和金屬層實現全光二極管，明顯的該結構不易集成。Feng Shuai等提出了一種基于二維光子晶體的方形缺陷實現了全光二極管，其操作機理在于缺陷和波導模的匹配與否(文南犬 6，S.Feng, Y.Wang, “Unidirect1nal reciprocal wavelength filtersbased on the square—lattice photonic crystal structures with the rectangulardefects", Optics Express, v 21, 220 (2013).即馮帥，王義全，“基于方形光子晶體方缺陷的單向對易波長濾波器〃，光學學報，V 21,220(2013).)。這種結構不僅制作困難，而且帶寬很窄。S.Fan等提出了一種尺寸超級微小的模式轉化二極管結構，但其耦合區內介質柱子的半徑尺寸優化后的數量級非常小，給器件的半導體制作帶來極大的挑戰(文南犬 7, V.Liu, David A.B.Miller, S.Fan, “Ultra-compact photonic crystal waveguidespatial mode converter and its connect1n to the optical d1de effect", Opt.Express, v20, 28388 (2012).即 V.Liu, David A.B.Miller, S.Fan, “超級微小的光子晶體波導空間模式轉化器及其光學二極管效應〃，光學學報，V 20, 28388 (2012).)。Amin Khavasi等人提出了基于光子晶體波導的寬帶全光二極管結構(文獻8，A.Khavasi, M.Rezaei, A.P.Fard, K.Mehrany, 〃A heuristic approach to the realizat1n of the wide-bandoptical d1de effect in photonic crystal waveguides, "Journal of Optics,v15, 075501 (2013).即 A.Khavasi, M.Rezaei, A.P.Fard, K.Mehrany, 〃 基于光子晶體波導實現寬帶光二極管的一種探索方法，〃光學雜志，V 15，075501 (2013).)。在這種結構中，有效的模式轉化和模式濾波基于光子晶體缺陷波導設計。其中模式轉化結構復雜，需要多條光子晶體波導才能實現，而且要取得高的模式轉化效率需要介質柱子的不規則移動，這種結構會帶來相當的實際制作難度。
【發明內容】
[0003]為了克服已有技術中光二極管的制作技術不成熟，結構復雜且帶寬較窄的不足，本發明提供一種基于二維光子晶體的超寬帶光二極管，結構較為簡單，僅由三根光子晶體波導，一個模式轉化和濾波區域以及一個波導匹配區域構成，具有相當大的帶寬且易于集成和制備。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0005]—種基于光子晶體的超寬帶光二極管，包括二根光子晶體多模線缺陷波導、一根光子晶體單模線缺陷波導、一個模式濾波與轉化區域和一個波導匹配區域，二根光子晶體多模線缺陷波導分別作為輸入波導和輸出波導，所述模式濾波與轉化區域包括一個光子晶體定向耦合器和二個90°光子晶體彎曲波導，所述輸入波導與光子晶體定向耦合器的一側連接，其中一個90°光子晶體彎曲波導的始端與所述光子晶體定向耦合器的另一側連接，所述其中一個90°光子晶體彎曲波導的末端與另外一個90°光子晶體彎曲波導的始端相連；所述另外一個90°光子晶體彎曲波導的末端與一根沿著平行方向的光子晶體單模線缺陷波導相連，所述光子晶體單模線缺陷波導與波導匹配區域連接，所述波導匹配區域與輸出波導相連。
[0006]進一步，所述光子晶體多模線缺陷波導通過在二維光子晶體中去除多列光子晶體介質柱獲得。
[0007]再進一步，所述定向耦合區域是基于光子晶體多模線缺陷波導的中心水平放置一列介質硅柱獲得，所述90°光子晶體彎曲波導通過在垂直方向去除的一列介質柱半徑而獲得。
[0008]所述單模線缺陷波導通過在二維光子晶體中去除一列光子晶體介質柱獲得。
[0009]所述輸入波導位于該光二極管的最左側，所述輸出波導位于該光二極管的最右偵U，所述輸入波導與光子晶體定向耦合器的左側連接，其中一個90°光子晶體彎曲波導的始端與所述光子晶體定向耦合器的右側連接。
[0010]本發明的技術構思為:在本發明中，模式濾波與轉化區域由一個光子晶體定向耦合器和二個90°光子晶體彎曲波導構成，它完成模式濾波功能和奇偶模相互轉化功能。模式濾波功能由一個光子晶體定向耦合器完成，它僅允許奇模通過，阻止偶模通過。模式轉化功能由該定向耦合器和二個90°光子晶體彎曲波導完成，它能夠實現奇偶模之間的相互轉化。
[0011]在本發明中，該光二極管的功能描述如下:在工作頻段，光子晶體多模線缺陷波導僅支持基模(偶模)和一個高階模(奇模)，輸入波導和輸出波導采用光子晶體多模線缺陷波導。而光子晶體單模先缺陷波導僅支持基模(偶模)。若高階奇模從該光二極管左側輸入波導入射，它將能夠通過模式濾波和轉化區域，轉化為偶模，因為光子晶體單模線缺陷波導僅支持偶模傳輸，經波導匹配區域之后，偶模將從輸出波導輸出。若偶模從該二極管左側輸入波導入射，則根本不能通過模式濾波和轉化區域，因為該區域的定向耦合器僅支持奇模傳輸，偶模不能通過該定向耦合器。若高階奇模從輸出波導側輸入，則不能通過該光二極管，因為光子晶體單模線缺陷波導不支持奇模傳輸，僅僅支持偶模傳輸。若偶模從輸出波導側輸入，則偶模能夠通過光子晶體單模線缺陷波導傳輸，經模式濾波與轉化區域后轉化為奇模后，從輸入波導輸出。
[0012]在本發明的光二極管中，所用二維光子晶體由II1-V組普通介質材料(如硅)構成，該光子晶體能夠基于互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝進行制作，易于集成。該基于二維光子晶體的光二極管，結構較為簡單、易于集成和制備、具有相當大的帶寬。通過設置光子晶體晶格常數的大小，可以自由選定某個下路波長在1550nm附近整個通信窗口處。這種光二極管提供了一種調控空間模的有效手段，能夠在多空間模的光系統中得到應用。
[0013]本發明的有益效果主要表現在:簡化結構、帶寬較大。
【附圖說明】
[0014]圖1為一種基于二維光子晶體波導的光二極管結構示意圖。
[0015]圖2為光子晶體多模線缺陷波導的模式色散圖。
[0016]圖3為光子晶體定向耦合器的模式色散圖。
[0017]圖4為奇模從光二極管的左側入射時的傳輸強度譜。
[0018]圖5為奇模從光二極管的右側入射時的傳輸強度譜。
[0019]圖6為波長1550nm時，奇模從光二極管的左側入射時的穩態光波傳播模式圖。
[0020]圖7為波長1550nm時，偶模從光二極管的左側入射時的穩態光波傳播模式圖。
[0021]圖8為波長1550nm時，奇模從光二極管的右側入射時的穩態光波傳播模式圖。
[0022]圖9為波長1550nm時