專利名稱：基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光子晶體的光 信號延遲器件，適用于光通信領(lǐng)域和光子集成器件。
技術(shù)背景-
光子晶體是指不同介質(zhì)周期性排列所形成的材料。
光子晶體具有兩個重要性質(zhì)，光子晶體最本質(zhì)的特征是具有光子 禁帶。光子禁帶是指在一定頻率范圍內(nèi)的光子，在光子晶體內(nèi)某些方 向上是被嚴(yán)格禁止傳播的。光子晶體的另一個特征是光子局域。它是 與光子晶體的缺陷能級緊密相連的。在光子晶體中引入雜質(zhì)或缺陷， 在光子禁帶中產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷能級，和缺陷能級相吻合頻率的光子被 陷制在缺陷位置， 一旦其偏離缺陷位置，光就迅速衰減，這樣在光子 晶體的光子禁帶中出現(xiàn)帶寬極窄的缺陷態(tài)。
基于以上兩條性質(zhì)就可以像控制電子在半導(dǎo)體中的運動那樣來 控制光子的自發(fā)輻射和光子的傳播。
根據(jù)介質(zhì)在空間周期性分布的維度不同，可分為一維，二維和三 維光子晶體。
由于三維光子晶體制作工藝復(fù)雜，目前主要研究集中在一維和二維光 子晶體。常見的二維光子晶體結(jié)構(gòu)是在高介電常數(shù)材料的平板上制作 周期性排列的孔陣，在孔中填充低介電常數(shù)的材料，比如空氣，便得
到了光子晶體。
在周期結(jié)構(gòu)中如果引入缺陷，則會在帶隙中引入缺陷模，它意味 著在晶體的特定方向上，具有缺陷模頻率的光能通過光子晶體，在別 的方向上由于帶隙的存在則是禁戒的，這樣便可以對光子進行控制。 這一缺陷可以是線缺陷，也可以是微腔缺陷。
基于光子晶體結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)可以實現(xiàn)延遲光信號的功能，并且器件 結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，可以與其他光子晶體器件或者其他元件進行集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光子晶體的光信號延遲器件，通過 在二維光子晶體中引入線缺陷和微腔缺陷，利用光波在微腔內(nèi)的傳播 時間來實現(xiàn)光信號的延遲。
本發(fā)明可應(yīng)用于光信號的延遲，光信號的補償，光信號的編碼等等。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，包括一個直線型光子晶體 輸入波導(dǎo)， 一個光子晶體微腔， 一個直線型光子晶體輸出波導(dǎo)。
在上述技術(shù)方案中，二維光子晶體可以在空氣橋類型平板結(jié)構(gòu)
(如圖3所示)實現(xiàn)，也可以在SOI(silicononinsulator)平板(如圖5 所示)等結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。
在上述技術(shù)方案中，光子晶體結(jié)構(gòu)由在第一介電常數(shù)的半導(dǎo)體材 料平板上制作周期性排列的孔，在孔中填充第二介電常數(shù)的材料制 成。所述第一介電常數(shù)大于第二介電常數(shù)， 一般常見第二介電常數(shù)材
料為空氣，也可以填充其他介質(zhì)材料。
在上述方案中，該器件可以傳輸?shù)墓獠ㄩL覆蓋范圍在0.4到1.6微米。
在上述方案中，在完整光子晶體結(jié)構(gòu)抽取若干個空氣孔，形成微 腔。在靠近微腔處，抽取一排空氣孔，而形成直線型光子晶體波導(dǎo)， 輸入和輸出波導(dǎo)都由此方法構(gòu)成。
在上述方案中，可以通過調(diào)整微腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整延遲時間。
本發(fā)明的工作流程
光波由輸入波導(dǎo)進入器件，耦合進圓形微腔，然后光波沿微腔邊 緣傳播，在微腔內(nèi)傳播數(shù)千至數(shù)萬個周期周期后，由輸出波導(dǎo)耦合輸 出。本發(fā)明正是利用光波在微腔內(nèi)的傳播時間來實現(xiàn)光信號的延遲。 本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明以簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了光信號的延遲，工作原理簡單，通過 局部微調(diào)光子晶體的參數(shù)，便可調(diào)整光信號的延遲時間。光子晶體波 導(dǎo)的損耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)波導(dǎo)。器件的尺寸小，整體器件整體尺度可 以小于10微米。器件制作采用半導(dǎo)體工藝，便于與其他器件集成，比 如半導(dǎo)體激光器，其他光子晶體波導(dǎo)等，為其在光子集成領(lǐng)域的實際 應(yīng)用提供了可能性。


圖l為完整二維光子晶體平板示意圖。半導(dǎo)體材料基板l，空氣孔2。
圖2為空氣橋型光子晶體信號延遲器件的俯視示意圖。輸入波導(dǎo)
3，微腔缺陷4，輸出波導(dǎo)5。也為摘要附圖。
圖3為空氣橋型光子晶體信號延遲器件的側(cè)視示意圖?？諝饪?， 微腔缺陷4，空氣層6。
圖4為SOI型光子晶體信號延遲器件的俯視示意圖。微腔缺陷4， 輸入波導(dǎo)3，輸出波導(dǎo)5。
圖5為SOI型光子晶體信號延遲器件的側(cè)視示意圖。硅板7，微腔 缺陷4， 二氧化硅層8，空氣孔2。
具體實施例方式
實施例一
本發(fā)明空氣橋型光子晶體信號延遲器件的俯視圖如圖2所示。采 用GaAs材料作為基板。在上面制作周期性排列的空氣孔，空氣孔的 排列方式為三角晶格周期。在中心部位去掉七個空氣孔，即在這個部 分不制作空氣孔，構(gòu)成圓形微腔。分別去出一排空氣孔，構(gòu)成輸入波 導(dǎo)和輸出波導(dǎo)。制作過程中，腐蝕掉GaAs基片的襯底，使整個器件 懸在空氣中，基板上下以空氣層作為限制層，來限制光波在垂直方向 的傳播。該結(jié)構(gòu)周期為300nm，空氣孔半徑為90nm，厚度為250nm， 可傳輸波長為1.34"m光信號。工作過程，光波由輸入波導(dǎo)進入器件， 耦合進圓形微腔，在微腔內(nèi)傳播數(shù)千至數(shù)萬個周期，實現(xiàn)信號延遲， 然后由輸出波導(dǎo)耦合輸出。器件工作過程簡單，由光子晶體的性質(zhì)決 定，光信號的損耗非常小。
實施例二
SOI(silicon on insulator)基片材料是在絕緣層上生長一層具有一
定厚度的單晶硅薄膜。由于絕緣的Si02折射率遠(yuǎn)小于Si，使得在垂直 方向上對光場有很強的限制，因而有優(yōu)異的導(dǎo)波特性。
本發(fā)明SOI型光子晶體信號延遲器件的俯視示意圖如圖4所示。Si 層7，厚度為240nm， Si02層8，厚度為lum，在Si層制作周期性排列
的空氣孔，刻蝕深度達到Si02層?？諝饪椎呐帕蟹绞綖槿蔷Ц裰芷冢?br> 也可以是方形晶格，矩形晶格，圓形晶格等，也可以是周期性或者準(zhǔn) 周期結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)周期為410nm，空氣孔半徑為131nm。在中心部位去掉七個 空氣孔，即在這個部分不制作空氣孔，構(gòu)成圓形微腔。分別去出一排 空氣孔，構(gòu)成輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)?？蓚鬏敳ㄩL為1.55um光信號。 工作過程，光波由輸入波導(dǎo)進入器件，耦合進圓形微腔，在微腔內(nèi)傳 播數(shù)千至數(shù)萬個周期，實現(xiàn)信號延遲，然后由輸出波導(dǎo)耦合輸出。
選取不同的半導(dǎo)體材料系的材料，改變光信號的傳輸波段，變化 范圍為0.3 P m-1.6 u m波段。如GalnAsP材料系可傳播1.4 u m-1.6 P m 波段，AlGalnAs材料系可傳播1.5um附近波段，GalnNAs材料系可傳 播1.2 ii m-1.4 u m波段，GaInAs材料系可傳播l.O u m-1.4 u m波段， AlGaAs材料系可傳播0.8 u m-0.9 u m波段，GalnN材料系可傳播0.3 P m-0.4um波段。
光子晶體的填充比從0.1-0.9范圍內(nèi)可以調(diào)整，光子晶體周期從 幾十納米到幾百微米可調(diào)，空氣孔直徑從幾十納米到幾百微米可調(diào)， 空氣孔內(nèi)可填充其他介質(zhì)材料，微腔并不僅限于去除七個空氣孔形成 的微腔，可去除一個或多個空氣孔來形成微腔，微腔形狀并不限于圓
形微腔，可以為方形微腔，三角形微腔等其他形狀。通過調(diào)整上述參 數(shù)以及改變微腔的形狀和大小，控制信號的延遲時間。
該器件可以在空氣橋型結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)，也可以在低折射率覆蓋型結(jié) 構(gòu)實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，其特征在于該器件包括由半導(dǎo)體材料基板(1)、空氣孔(2)、輸入波導(dǎo)(3)、微腔缺陷(4)、輸出波導(dǎo)(5)；材料基板(1)上制作周期性排列的空氣孔(2)，通過不制作空氣孔(2)來形成微腔缺陷(4)；與微腔相鄰的輸入波導(dǎo)(3)和輸出波導(dǎo)(4)為線缺陷，作為光波耦合輸入和輸出的通道；光波由輸入波導(dǎo)(3)進入器件，耦合進圓形微腔(4)，在微腔內(nèi)傳播數(shù)千至數(shù)萬個周期，實現(xiàn)信號延遲，然后由輸出波導(dǎo)(5)耦合輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利l要求所述基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，其特征在于在二維平板上制作周期性排列的空氣孔(2)，排列方式可以是周期性或者準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利l要求所述基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，其 特征在于選取不同的半導(dǎo)體材料，改變光信號的傳輸波段，變化范圍 為0.3um-1.6lim波段。
4、 根據(jù)權(quán)利l要求所述基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，其 特征在于光子晶體的填充比為0.1-0.9，光子晶體周期從幾十納米到 幾百微米可調(diào)，空氣孔直徑從幾十納米到幾百微米可調(diào)，通過調(diào)整上 述參數(shù)以及改變微腔的形狀和大小，控制信號的延遲時間。
5、 根據(jù)權(quán)利l要求所述基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，其 特征在于該器件可以是空氣橋型結(jié)構(gòu),也可以是低折射率覆蓋型結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，由輸入波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)，微腔構(gòu)成。工作過程光波由輸入波導(dǎo)進入器件，耦合進入微腔，在微腔內(nèi)傳播數(shù)千至數(shù)萬個周期，實現(xiàn)信號延遲，然后由輸出波導(dǎo)耦合輸出。本發(fā)明具有器件工作過程簡單，光信號的損耗非常小，便于與其他器件集成的特點。
文檔編號G02B6/12GK101387763SQ200810051308
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者云 劉, 劉光裕, 寧永強, 特 李, 莉 秦 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所