（光学专业论文）基于硅二维光子晶体和周期介质波导的无源器件.pdf

摘要 基于硅二维光子晶体和周期介质波导的 无源器件 专业：光学 博士生：张轰 指导教师：李宝军教授 摘要 光子晶体和周期介质波导是设计和制作光子器件的新型结构。基于这两种结 构的各种光子器件凭借超高的结构紧凑度和优越的传输性能已经成为集成光子 学领域的研究热点之一。单晶硅材料则是在光电子集成器件中一直有着重要应用 的常规半导体材料，其透明波段恰为研究者们广泛关注的光纤通信波段( c 波段) 和太赫兹波段，因此基于硅光子晶体和周期介质波导的无源光子器件在这两个波 段都有着重要的应用价值，国际上对于这方面的设计、制作和应用等研究工作已 广泛展开，并在短时间内取得了丰硕的研究成果。尽管如此，人们在基于硅光子 晶体和周期介质波导的器件设计和应用方面仍面临一些挑战，例如降低器件结构 的复杂程度、突破器件结构受晶格方向的限制、提高器件工作带宽、调节器件工 作波长、以及光波波段传输行为在太赫兹波段的适用性等。因此，本论文将主要 针对这几个问题研究几种基于硅二维光子晶体和周期介质波导的无源器件，通过 模型搭建、物理分析和数值模拟计算的方法进行器件的设计和优化。 本论文主要有如下四点创新： - 利用将拐角部分弧形化的方法提出并研究了三种基于硅二维光子晶体的波 导弯曲互连结构，在尽量小的结构空间内使得波导弯曲更为平滑，最大程度 地减小光波在波导弯曲结构中传播时所经历的传播环境变化或传输性质改 摘要 变，减小弯曲损耗，提高传输效率和高传输带宽。 首先，提出并研究一种圆弧形的硅柱型二维光子晶体波导弯曲互连结构。该 波导弯曲结构改变了拐角处的光子晶体晶格布局，使其按照圆弧形状排列，不仅 能够实现从o o 到1 8 0 0 多种不同角度的波导弯曲，而且在整个光子带隙频率范围 都能够获得9 8 以上的传输效率。其次，提出并研究一种工作于光通信波段( 1 5 5 l a i n 附近) ，结构紧凑且简单的空气孔型硅平板二维光子晶体波导弯曲结构。在波 导弯曲的拐角处引入一个圆弧形空气槽，不仅能够减小弯曲损耗、增大高传输带 宽，而且该方法能够同时适用于6 0 0 和1 2 0 0 波导弯曲。最后，将在空气孔型硅平 板二维光子晶体中波导弯曲结构嵌入圆弧形空气槽这一应用进行拓展，设计不受 晶格方向限制的任意角度硅平板二维光子晶体波导弯曲，实现平板内光子器件的 任意角度弯曲互连。 - 进行硅柱型二维光子晶体波导交叉互连结构的设计和优化研究。在波导交叉 结构的连接处引入一个正方形微腔结构，并通过嵌入硅柱型二维光子晶体线 缺陷中的直条介质波导结构改善微腔的谐振及其与波导的耦合效果，使该波 导交叉结构可以在较大的频率范围内达到高传输、低串扰的传输要求。 在将波导交叉结构建立在利用谐振腔结构的模型基础上，确定了在这一波导 交叉结构中获得高传输、低串扰带宽所需的条件。将线缺陷波导替换为嵌入硅柱 型二维光子晶体线缺陷的直条硅波导，并通过计算确定了二维光子晶体和直条硅 波导的结构参数，保证这种结构的波导能够在光子带隙频率范围内获得较大的单 模传输频带。在波导交叉结构的中心放置截面为正方形的长方体硅柱作为微腔结 构，并确定正方形微腔的相关结构参数的最佳值。这种波导交叉结构可以有效地 减小串扰和各种损耗，获得较大的高传输带宽和低串扰带，较好地实现光波信号 的交叉传输。 - 利用硅二维光子晶体构建太赫兹多模波导模型，通过理论推导和模拟计算来 研究太赫兹波在硅二维光子晶体多模波导中的多模干涉效应和自成像原理， h 摘要 验证其在太赫兹波段的适用性；在计算出太赫兹波自成像位置的基础上设计 并制作基于多模干涉效应及自成像原理工作的太赫兹滤波器和分束器。 选用单晶硅作为介质构建了两种用于太赫兹波段的二维光子晶体结构，并在 此基础上构建了相应的对称型太赫兹多模波导模型。通过理论推导和模拟计算研 究了太赫兹波在硅二维光子晶体多模波导中的对称型多模干涉效应及自成像原 理，验证其在太赫兹波段的适用性，并得到了成像条件和成像位置。在计算出自 成像位置的基础上设计出基于自成像原理工作的太赫兹滤波器和分束器。通过模 拟和计算对两种太赫兹无源器件进行了性能预测，结果表明器件性能较好。通过 对所设计的器件模型进行结构及参数的适当调整，利用在单晶硅片上进行电感耦 合等离子刻蚀工艺制作了这两种太赫兹器件。 一通过引入一段半径较小的缺陷部分构成一种基于硅周期介质波导的 f a b r y - p 6 r o t 微腔，通过移动缺陷部分能够达到调节微腔谐振波长的效果， 且谐振波长调节过程中微腔品质因数( q 值) 几乎维持一个定值。 通过在硅周期介质波导中引入一小段缺陷波导作为异质结构的方法构建了 一种f a b r y - p 6 r o t 型微腔，q 值的计算结果约为1 0 0 0 。研究了移动缺陷部分对微 腔谐振波长和相应q 值的影响，结果表明随着缺陷长度的增大，微腔的谐振波 长发生红移，而对应的q 值则在谐振波长红移的整个过程中几乎维持定值；谐 振波长随缺陷长度的变化曲线符合一个二次函数曲线。这种微腔可以在维持恒定 q 值的情况下通过横移缺陷硅柱这一简单的方法对谐振波长进行调节。 关键词：硅：二维光子晶体；周期介质波导；波导弯曲；波导交叉；f a b 吁- p d r o t 微腔 i i i a b s t ra c t p a s s i v ed e v i c e si ns i l i c o n b a s e d p e r i o d i cd i e l e c t r i cw a v e g u i d e s a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c s ) a n dp e r i o d i cd i e l e c t r i cw a v e g u i d e s ( p d w g s ) a r eb o t h n o v e ls t r u c t u r e sf o rc o n s t r u c t i n gp h o t o n i cd e v i c e s w i t ht h ea d v a n t a g e so fu l t r ah i g h c o m p a c t n e s sa n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s ，p h o t o n i ed e v i c e si np c sa n dp d w g sh a v e b e c o m eh o tp u r s u i t si nt h ef i e l do fi n t e g r a t e d p h o t o n i c s a sac o n v e n t i o n a l s e m i c o n d u c t o r , s i l i c o n ( s i ) h a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei no p t o e l e c t r o n i c s t h e t r a n s p a r e n tb a n d so fs ii n c l u d et h eo p t i c a l - f i b e r - c o m m u n i c a t i o nb a n d ( cb a n d ) a n d t h et e r a h e r t zb a n d ，b 0 廿lo fw h i c ha r ec u r r e n t l ye x t e n s i v e l yc o n c e r n e db yr e s e a r c h e r s t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o n so fp a s s i v ep h o t o n i cd e v i c e si ns i b a s e dp c sa n dp d w g s a r ei m p o r t a n tf o rt h eb o t hb a n d sa b o v e t h ef i e l do fr e s e a r c hi np a s s i v ed e v i c e si n s i b a s e dp c sa n dp d w g sh a su n d e r g o n em a j o rd e v e l o p m e n t si nt h et h e o r y , t h e f a b r i c a t i o n ，a sw e l la st h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s h o w e v e r , c h a l l e n g e ss t i l le x i s ti n s i m p l i f y i n gt h ed e v i c es t r u c t u r e s ，a v o i d i n gt h el a t t i c eo r i e n t a t i o nr e s t r i c t i o n ，w i d e n i n g t h eo p e r a t i n gb a n d w i d t h ，t u n i n gt h eo p e r a t i n gw a v e l e n g t h s ，a p p l y i n gl i g h t w a v e p r o p a g a t i o nb e h a v i o ri nt e r a h e r t zb a n d ，e r e t os o l v et h er e m a n i n gp r o b l e m s ，i nt h i s w o r k , s e v e r a lk i n d so fp a s s i v ed e v i c e si ns i - b a s e dt w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) p c sa n d p d w g sa r es t u d i e dw i t hm o d e l i n g , t h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t i n g t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i sw o r ka lea sf o l l o w s ： t h r e ek i n d so fw a v e g u i d eb e n d si ns i - b a s e d2 dp c sa r ep r o p o s e da n d s t u d i e dw i t ht h ec o n c e p to fc u r v i n gt h eb e n d i n gc o r n e r s t h ew a v e g u i d e b e n d sa r es m o o t h e n e dw r h i nv e r yl i m i t e ds p a c et oe n s u r et h a tt h eg u i d e d i v a b s t r a c t l i g h t w a v ee x p e r i e n c e sav e r ys l i g h td i f f e r e n c eo fp r o p a g a t i o np r o p e r t i e s b e t w e e ns t r a i g h tw a v e g u i d e sa n db e n d s ，r e s u l t i n gi nr e d u c e db e n d i n gl o s s a n dw i d eh i g h - t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h f i r s t ，w a v e g u i d eb e n d si ns ip i l l a r2 dp c sa l ep r o p o s e da n ds t u d i e d t h es i p i l l a r sa tt h eb e n d i n gc o m e ra r er e a r r a n g e do na r c s ，l e a d i n gt oah i g ht r a n s m i s s i o n m o r et h a n9 8 f o rt h ew h o l ef r e q u e n c i e sw i t h i nt h ep h o t o n i cb a n d g a pf o rb e n d sw i t h b e n d i n ga n g l e sf r o m0 。t o18 0 0 t h e n ，u l t r a c o m p a c tw a v e g u i d eb e n d sw i t hs i m p l e t o p o l o g yi n2 ds ip cs l a b sa r ep r o p o s e db yu s i n ga na n n u l a ra i rg r o o v ea tt h eb e n d c o m e rt oi m p r o v et r a n s m i s s i o n sa to p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t h s ( a r o u n d1 5 5 心【1 1 ) l o wb e n d i n gl o s sa n dw i d eh i g l l - t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hc a nb ea c h i v e di nb o t h 6 0 0a n d12 0 0b e n d s f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no fi n c o r p o r a t i n ga n n u l a ra i rg r o o v e si s e x t e n d e dt od e s i g na r b i t r a r ya n g l ew a v e g u i d eb e n d si n2 ds ip cs l a b sw h i l e a v o i d i n g t h ep cl a t t i c eo r i e n t a t i o nr e s t r i c t i o nt ob e n d i n ga n g l e s a w a v e g u i d ei n t e r s e c t i o ni ns ip i l l a r2 dp c si sd e s i g n e da n do p t i m i z e d b y u s i n g as q u a r er e s o n a n tc a v i t ya tt h ec r o s s i n gs e c t i o na n du s i n gs t r i p w a v e g u i d e se m b e d d e di n2 dp c s ，t h ew a v e g u i d ei n t e r s e c t i o nc a np r o v i d e w i d eb a n d w i d t h sf o rb o t hh i g ht r a n s m i s s i o na n dl o wc r o s s t a l k b a s e do nw a v e g u i d ei n t e r s e c t i o nm o d e l sa p p l y i n gr e s o n a n tc a v i t y , t h ec o n d i t i o n s f o rh i 曲t r a n s m i s s i o na n dl o wc r o s s t a l ka r eo b t a i n e d l i n e d e f e c tw a v e g u i d e sa l e r e p l a c e db ys t r i pw a v e g u i d e se m b e d d e di np c s ，a n dt h ep a r a m e t e r sf o rp c sa n ds t n p w a v e g u i d e sa r ed e t e r m i n e dt oe n s u r eal a r g es i n g l e m o d eg u i d i n gb a n di nt h e p h o t o n i cb a n d g a p ac u b o i di sp l a c e da tt h ec e n t e ro ft h ei n t e r s e c t i o nt oa c t 鹤a s q u a r ec a v i t y , a n dt h ep a r a m e t e r sf o rt h ec a v i t ya r eo p t i m i z e dt oa c h i e v ew i d e b a n d w i d t h sf o rb o t hh i g l lt r a n s m i s s i o na n dl o wc r o s s t a l k a p p f i c a b i l i t yo fm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ee f f e c ta n ds e r f - i m a g i n gp r i n c i p l ef o r t h zw a v e si n2 ds ip cm u l t i m o d ew a v e g u i d em o d e l sa r ei n v e s t i g a t e dw i t h v t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n ds i m u l a t i o n s a c c o r d i n g l y , at h zb e a ms p l i t t e ra n d at h zf d t e rb a s e do nm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ee f f e c ta n ds e l f - i m a g i n g p r i n c i p l ea r ed e s i g n e da n d f a b r i c a t e d t w ot y p e so f2 ds ip cs t r u c t u r e sa rec o n s i d e r e dt os e tu pc o r r e s p o n d i n gm o d e l s o fs y m m e t r i ct h zm u l t i m o d ew a v e g u i d e s s y m e t r i cm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ee f f e c t a n ds e l f - i m a g i n gp r i n c i p l ef o rt h zw a v e si n2 ds ip cw a v e g u i d e sm o d e l sa r e i n v e s t i g a t e d t h es e l f - i m a g i n gc o n d i t i o n sa n di m a g i n gp o s i t i o n sa r et h e no b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ei m a g i n gp o s i t i o n s ，at h zb e a ms p l i t t e ra n dat h z f i l t e ra r ed e s i g n e d a n dt h ep e r f o r m a n c e sa r ee v a l u a t e dw i t hs i m u l a t i o n sa n dc a l c u l a t i o n s t h et w ot h z d e v i c e sa r ef a b r i c a t e di n s iw a f e r sb yi n d u c t i v e l y - c o u p l e d p l a s m ae t c h i n gt e c h n i q u e w i t hm o d e r a t ea d j u s t m e n ti nd e v i c es t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r s 一f a b 畔6 r o tm i c r o c a v i t i e si ns ip d w g sa r ep r o p o s e db yi n t r o d u c i n ga d e f e c ts e c t i o nw i t has m a l l e rp i l l a rr a d i u s t h er e s o n a n tw a v e l e n g t hc a nb e t u n e db ys h i f t i n gp i l l a r si nt h ed e f e c t , a n dt h ev a l u eo fq u a f i t yf a c t o rq n e a r l yk e e p s ac o n s t a n t f a b 哆- p 6 r o tm i c r o c a v i t i e sa r ef o r m e db yi n t r o d u c i n gas h o r td e f e c tw a v e g u i d et o a c t 邵ah e t e r o s t r u c t u r ei ns ip d w g s ，w i t hac a l c u l a t e dqo fa b o u t10 0 0 t h e i n f l u e n c eo fs h i f t i n gd e f e c t p i l l a r s o i lr e s o n a n tw a v e l e n g t h sa n dqv a l u e si s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t 谢t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e f e c tl e n g t h ，t h er e s o n a n t w a v e l e n g t he x h i b i t sar e ds h i f tw h i l et h ec o r r e s p o n d i n gqn e a r l yk e e p sac o n s t a n t i t i sf o u n dt h a tt h e r ei saq u a d r a t i cr e l a t i o nb e t w e e nt h et h er e s o n a n tw a v e l e n g t ha n dt h e d e f e c tl e n g t h t h ep r o p o e df a b 秽斗6 r o tm i c r o c a v i t i e sh a v et h ea b i l i t yt os i m p l yt u n e t h er e s o n a n tw a v e l e n g t hb ys h i f i n gd e f e c tp i l l a r sw i t hac o n s t a n tq k e yw o r d s ：s i l i c o n ；t w o - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l s ；p e r i o d i cd i e l e c t r i c w a v e g u i d e s ；w a v e g u i d eb e n d s ；w a v e g u i d ei n t e r s e c t i o n s ；f a b 蚪6 r o t m i c r o c a v i t i e s v i 论文原创性声明 本人郑重声明：所成交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 9 殿日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名导师签名： 日期：2 0 0 9 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期：2 0 0 9 年乒月丑月 第一章导论 第一章导论帚一早哥下匕 1 1 二维光子晶体和周期介质波导概述 1 1 1 二维光子晶体概述 18 8 7 年，l r a y l e i g h 首次研究了周期介质材料( p e r i o d i cm e d i am a t e r i a l s ) 中 的电磁波传输行为，他发现一种含有周期性双晶面结构的结晶矿物( c r y s t a l l i n e m i n e r a lw i t hp e r i o d i ct w i n n i n gp l a n e s ) 中有着独特的反射特性：在某一段很窄的 频带范围内的光是无法透过晶面传输而被完全反射的，这段频带与光的入射角度 有关，而且反射光的颜色也会随着入射角度而发生变化。事实上，r a y l e i g h 所发 现的这种周期性双晶面结构及其发生全反射的频带就是一维光子晶体 ( o n e - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l s ) 和对应的光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p s ) ，这 一发现则开启了人们对多层膜系结构即薄膜的探索和应用。 然而，在r a y l e i g h 发现和研究了一维光子晶体及其单向光子带隙整整1 0 0 年 之后，具有全向光子带隙( o m n i d i r e c t i o n a lp h o t o n i cb a n d g a p s ，即与晶面入射角 度无关的光子带隙) 的二维、三维光子晶体概念才在1 9 8 7 年由e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n 分别独立提i i 1 ，2 】。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子 晶体能够调制具有相应波长的电磁波：当电磁波在光子晶体中传播时，由于存在 布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构，能带与能带之间出现带隙即 光子带隙，所具能量( 光波频率) 处在光子带隙内的光子不能进入该晶体，因而 光子晶体也被称为光子带隙材料( p h o t o n i cb a n d g a pm a t e r i a l s ) 3 】。事实上，“光 子晶体”( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 这一名称正是引入了全向光子带隙这一概念并结合 电磁学和固体物理学而产生的，所以严格地说光子晶体的概念自提出至今仅有 2 0 多年。一维、二维和三维光子晶体的结构示意图如图1 1 所示，其中灰白两色 分别代表两种折射率不同的介质。 自然界中并不存在含有全向光子带隙的二维或三维周期介质材料，因此通常 所说的光子晶体都是人工设计和制作的、在光学尺度上具有周期性介质结构，即 第一章导论 折射率在一维或三维方向上呈周期性分布，且折射率分布川期( 品格常数) 为光 波波k 数量级的介质结构。光子晶体和二# 导体在基本模型和研究思_ e 。啊许多相 似之处，原则上人们可以通过设计和制造光了晶体及其器件，使操纵和控制光子 的梦想成为可能 4 。凼此，光子晶体可以说是光子领域的半导体材料 5 ，6 1 ，在过 去2 0 年问，光f 晶体的理论、设计、制作和应川等方而得到了迅猛的发展【7 2 2 ， 光r 品体已成为光子学领域的一个重要分支 2 3 2 7 1 。 图1 1 一维、二维和二维光了晶体结构拆意幽 虽然二维和i 维光子品体都具有全向光子带隙，但二维光子品体结构相对复 杂( 在三维方向p 都要求折射率严格按照周期分布) ，设计和制作也相对困难， 因此结构相比三维光子品体更为简单的二维光子晶体就成为了光子学领域尤其 足纳米光子学和集成光子学巾最受关注的新型结构。设训和伟4 作方面简易、器件 传输性能优越、器什尺寸极小等特点使得基于二维光子晶体构建的各种光子器件 被公认为用于全固态、高密度、芯片级光子器件集成的最佳选择之 2 8 3 0 。二 维光予晶体按照折射率分布结构的不同可以分为两种类型：高折射率介质柱型和 低折射率介质孔型，即分别由低折射率介质中按一定晶格秩序排列的高折射率介 质柱和由高折射率介质平板中按照一定晶格秩序排列的低折射率介质孔组成的 晶体结构。般来说，为了使基于二维光子晶体的器件有较大的工作带宽，光子 晶体的光子带隙频率范围应尽可能大。而决定光子带隙的最主要因素是晶格类型 和两种介质的折射率差。已有研究结果表u y 9 1 ，两种介质折射率差值越大，则 光干带隙越大，故低折射率介质宜选用空气，而另一介质则应选用折射率较大的 第一章导论 介质：对于曲种类型的二维光了品体来说，高折射率介质柱型光九羯体在y q 方晶 格( s q u a r el a t t i c e ) 中能够获得较大的光了带隙，而低折射率介质 l 型光了品体 则在三角品格( t r i a n g u l a r l a t t i c e ) 中能够获得较大的光子带隙。因此，e l 前最为 常用的两种_ 维光子晶体结构是山卒气中按四方品格排列的介质柱和由介质平 板十按照二角出格排列的空c 孑l 组成的，如图1 2 所示，其中d 表示两种介质的 叫隔周期，即光子品体的品格常数。川术构建光子品体的介质通常都琏拌折射率 较高的：仁导体材料，如啦品硅( s i l i c o n ) 、刊“也镓( g a a s ) 、磷化钠( i n p ) 等。 i 刳1 2 两种常川的二维光r 品体结构。( a ) 卒气中按蚪方品格排列的 介质枉构成的二维光九铀体：f b ) 介质平扳t l 按照一角品格_ _ | _ 列的空 气孔匀l 成的二维光了品体。a 为光了品件的品格常数。 直接利用完整的二维光7 品体结构已经可以实现一t b 特殊的光波传输行为， 例如超棱镜现魏( s u p c r p r i s m s ) 3 l 】、负折射现缘( n e g a t i v er e 疗a c t i o n ) 3 2 、超 透镜现象( s u p e r l e n s i n g ) 3 3 、自准苴效应( s e l f - c o l l i m a t i n g ) 3 4 等。不过，二 维光子晶体z f 构建光子器件方血更为泛的成h j 则是通过在完整的光r 晶体中 引入小同彤式的缺陷束实现的，其- i 最为简单且应用最多的是通过引入线缺陷 ( l i n ed e f e c t ) 构成的一维光了晶体波导( w a v c g u i d e ) 和通过引入点缺陷( p o i n t d e f e c t ) 构成的二维光子品体微腑( m i c r o c a v i t y ) 。二维光了品体的缺辅处能够形 成缺陷模( d e f e c tm o d e ) ，在线缺| 5 f j 内即为二维光子品体波导所支持的导模 ( g u i d e dm o d e ) ，在点缺陷内则为二维光r 品体微腔所支持的谐振模( r e s o n a n t m o d e ) 。进入缺陷内h 频率处n 子带隙范围内的光波能够以缺陷所支持的模式 第一章导论 进行传输或谐振，受光子带隙的限制作用无法向缺陷以外的环境中进行辐射而被 严格地限制在缺陷内，如图1 3 所示。因此，二维光子晶体波导和微腔都是性能 极好的元件，是构建新型光子器件和进行大规模光子器件集成的理想选择。其中， 二维光子晶体线缺陷波导不仅是传输光波信号的通道而且可以用来构建其他功 能更为复杂的光予器件，奉论文第二、三、四章的研究内容都将以二维光子晶体 波导为基础进行的；二维光子晶体微腔也可以用来设计和构建不同功能、性能极 佳的超小光子器件，本论文第五章关于微腔结构的研究中将会对光子晶体微腔及 其应用做更为详细的介绍。 二重j 氍 0 00 褥o0 0 oq0 0ooq00 000000 o o 0 00o 0o0 oo 0ooo o o oo ooo 00 oo 0 o0o ( a )嘞 图1 - 3 光波在二维光了晶体线缺陷波导和点缺陷微腔内的传输和谐振 情况。( a ) 光波在线缺陷波导内传输；( b ) 光被在点缺陷微腔内谐振。 1 1 2 周期介质波导概述 周期介质波导( p e r i o d i cd i e l c c t r i c w a v e g u i d e s ) 也是两种折射率不同的介质在 空间呈周期分布而构成的。与二维光子晶体结构不同的是，周期介质波导中的两 种介质是仅在一个方向上以一固定间距间隔排列而构成的，比如空气中一排等间 距的介质柱队列或者直条介质上一排等间距的空气孔队列等。周期介质波导的导 光机理是依靠介质柱或空气孔队列本身存在的导模使光波沿波导方向传输，这也 0 o o 0 o o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o o 0 o 0 0 o 0 0 o o 0 o o 0 0 o o 0 0 0 0 o 0 o o 第一章导论 与二维光子晶体线缺陷波导依靠光子带隙限制光波从而形成缺陷模的机理不同。 图1 - 4 为周期介质波导的导模能带结构图以及光波在周期介质波导内的传输情况 3 5 1 。为了增大使周期介质波导的导模频带范围、增强波导限制光波的能力，两 种介质折射率差值也应尽可能大，因此周期介质波导中的低折射率介质一般也是 空气，而另一介质则也应选用折射率较大的介质。 o 5 主“4 蓍 ：o j k t g u i d e c lm o d e 留二 高i 蔷茜厂、蠡r 茜r 志1 盔1 。 k a 2 图1 4 周期介质波导的导模能带结构图以及光波在周期介质波导内的 传输情况( 图片来源于文献p 5 】) 。( 砷导模能带结构图中插图为波 导结构及计算能带结构所需单无；光波传输情况。 事实上，周期介质波导这一概念的提出及理论方面的研究还要早于二维光子 晶体 3 6 3 8 ，但由于周期介质波导中不存在严格意义上的全向光子带隙，而且能 带结构和色散曲线不如二维光子晶体丰富，对光子的操控能力尤其是实现光波特 殊传输行为的能力也就不如二维光子晶体，所以在很长一段时间内周期介质波导 的研究成果要远少于二维光子晶体。不过，周期介质波导也有自身独特的优势， 第一章导论 即尺、j 极小咀及结构f _ ；j 单、灵活。刈丁相同的工作波长，圳划介质波导的结构尺 寸监远小r 传统介质波导和维光子晶件线缺陷波导；对于州种。作原理的波导 器件而占，基于川期介质波甘的器什尺寸也要小十基于二维光子一吼体波导的器 件，且嚣件结构【! 土婴简单得多。例如图i 5 所不的阿种基千定m 祸台原删i 。作的 1 2 光功率分束揣3 9 ，4 0 ，司以看山基十周期介厦波导的分束器无沦托器件尺寸 还是结构简易程度方“l 都要优j 二二维光_ f 品体波导分m 器。冈此，周期介质波导 也足一种适合构建超紧凑新型光子器件的波导结构 4 1 ，4 2 】，最近几年利用川期介 赝波导世计光了器件的研究也存逐渐丹温。本| 史第血章埘摧j 周删介质波导的 微腔结构研究巾将会进一步介引用期介质波导的导光性能及其住构建子利，功能 的光子器件方面的应，| 。 ”“邕e e e c o u p l i n g i r e , o n ： ： ： ( b ) 幽i 5 两种基于定向耦台原理【作的ix 2 光功牢分柬器结构示意崮。 ( 砷基于二维光子晶体波导的1 2 光功率分柬器( 图片来源于立献 【3 卅) ；( b ) 基于周期介质波导的1 2 光功率分束器( 图片来源十立献 【4 州) 。 第聿导静 1 2 硅材料在无源光子器件中的应用 上一节已经提到，用来构建光子晶体或周期介质波导的介质通常选择折射率 较高的半导体材料，单晶硅就是其中之一。作为一种常规半导体材料，单晶硅及 各种硅基材料在光电子器件及集成上一直有着重要的应用 4 3 】。由于与微电子器 件加工技术相兼容，硅基光电子器件制作工艺已比较成熟，且硅基器件适合太规 模集成，因而硅材料在光电子器件及集成方面备受重视。但是，全硅基光电子器 件芯片级集成在其发展的早期却遇到了阻碍，这主要是由于是单晶硅为间接带隙 材料，因此在制作激光器等有源光电子器件上存在较大的困难。不过，随着近几 年在硅发光以及硅基拉曼激光器等方面取得的突破 悼4 6 】，全硅基光电子器件集 成的前景又重新为人们普遍看好。事实上，硅材料在构建光波导等无源光子元器 件方面一直是比较理想的介质材料 4 7 4 8 ，这主要是由于单晶硅在研究者们广泛 关注的一些电磁波段内吸收系数极低，几乎对这些电磁波透明，且在这些波段内 都具有较高的折射率( 3 扣35 ) 。单晶硅材料的透射强度谱线如图1 - 6 所示 4 9 】。 t r a n s m i t t a n c et ( 柚v s w a v e l e n g t h 九 n 厂 图1 石单晶硅材料的透射强度辫线( 图表来源于【4 9 ) 从固i - 6 中可以看出，单晶硅的透明波段恰好包含第三代光纤通信波段( c 波段，l5 5 岬波长附近) 和目前逐渐成为国际研究热点的太赫兹波段( t e r a h e r t z ， 简称t h z ，1t h z = 1 0 “n z ) ，所以硅基光子无源器件在这两个波段都有着重要 第一章导论 的应用价值。对15 5 岬附近的光纤通信波段来说，硅基无源光子器件的性能及 集成度将直接决定新型光子器件芯片和新一代光纤通信系统的发展；而对t h z 波段来说，单晶硅作为极少数对t h z 波透明的自然介质之一更是成为构建t h z 波导和其它t h z 无源器件的理想材料。单晶硅材料的这些物理特性以及其成熟 的器件制作和集成工艺使得硅基无源光子器件已成为光子学尤其是集成光子学 研究中最为活跃的领域之 5 0 5 3 1 ，而硅基无源光子器件的重大研究进展也是光 子学研究者们最为关注的研究成果之- - 5 4 5 7 1 。 上节提到，二维光子晶体和周期介质波导都是构建新型光子器件和进行光 子器件集成的理想结构，因此用单晶硅材料制作的二维光子晶体和周期介质波导 及其构建的各种无源光子器件无疑将成为集成光子学领域中备受瞩1 7 的研究目 标之一。目前，硅基二维光子晶体和周期介质波导的设计和制作方面都己取得了 一些较好的成果 5 8 ，5 9 1 ，图1 7 即为利用光刻工艺制作的硅二维光子晶体线缺陷 波导和硅周期介质波导扫描电镜( s e m ) 照片。除了简单的波导结构外，基于硅 二维光予晶体和周期介质波导的其它功能无源器件也取得了一些值得关注的研 究成果，例如波导弯曲和波导y 形分支结构 5 9 1 ，模斑转换器( s p o ts i z ec o n v e r t e r ) 和慢光波导( s l o w - l i g h tw a v e g u i d e s ) 6 0 ，【三c 及微腔结构等 6 h 。总之，硅二维 光子晶体和硅周期介质波导在新型光子无源器件方面的应用使得硅材料在集成 光子学领域仍将发挥重要作用1 4 8 ，5 3 1 。 图1 4 利用光刻工艺制作的硅二维光子晶体线缺陷波导和硅周期介质 波导s e m 照片( 图片来源于文献 5 8 ) 。( a ) 硅二维光了晶体线缺陷波 导，两处较大凹槽是为了固定单模光纤的位置以便于光波耦台入波导； ( 吣硅周期介质波导。 第一章导论 鉴于硅材料在制作新型光子器件及集成方面的优势和硅基光子器件可观的 应用