[发明专利]侧面耦合单向传输光子晶体波导器件及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域中的一种微结构光子晶体元件，具体涉及一种侧面耦合单向传输光子晶体波导器件及制作方法。

背景技术

光子晶体是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列形成的人工微结构。近年来，基于光子晶体材料的光电功能器件得到了广泛的关注，利用光子晶体的光子禁带和光子局域特性，光子晶体波导、滤波器、光开关、耦合器等光子晶体光电器件已见诸报道，为未来大规模光电集成以及全光网络的实现打下了良好的基础。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。由于带隙中没有任何态存在，频率落在带隙中的电磁波被禁止传播。如果在光子晶体中引入介电缺陷或介电无序，会出现光子局域现象，在光子带隙中将形成相应的缺陷能级，特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。通过在完整的二维光子晶体中引入缺陷，破坏光子禁带，引入缺陷态，可用来制作二维光子晶体功能器件。若在完整的二维光子晶体中引入线缺陷即去掉数排介质柱，那么相应频率的电磁波就只能在这个线缺陷中传播，离开线缺陷就会迅速衰减，可以通过在二维光子晶体中引入线缺陷来制作光子晶体波导。

实现光子晶体器件与传统光学器件或光源间的高效耦合对于未来全光网络的实现有着重要的意义。然而，由于光子晶体器件尺寸较小，在光子晶体器件与传统光学器件或光源的耦合过程中，耦合面积和耦合效率均难以提升。近年来，几何光学方法及倏逝波耦合等方法被提出以实现高效耦合。几何光学方法是通过使用聚焦透镜以及透镜光纤等外置几何光学器件将光聚焦到光子晶体器件入射端面以实现耦合的方法。然而，要想将光聚焦到光子晶体器件尺度上是非常困难的。另外，几何光学耦合方法从根本上讲并没有提高系统的耦合面积，而且过多外置器件的引入会使系统结构复杂化，不利于与其他器件的集成。同时，外置光学器件所引起的反射、散射损耗以及插值损耗会降低系统的耦合效率。倏逝波耦合方法利用倏逝波产生及耦合的原理将光从器件的顶端耦合到器件中，从而大大的提高了耦合面积。倏逝波方法也面临着一些问题，例如特定渐变光纤的加工、耦合过程中使用的渐变光纤与光子晶体器件的距离参数难以控制、需要精密的外置校准和调节系统以及外置的校准调节系统对集成度的影响等问题，这些都限制了倏逝波耦合方法的应用。因此，迫切需要一种耦合效率高、集成度高、操作简单且能够实现光子晶体器件与传统光学器件或光源高效耦合的方法。

发明内容

本发明提供一种能实现光子晶体波导和传统光学器件或外置光源间高效耦合的侧面耦合单向传输光子晶体波导器件及制作方法。

侧面耦合单向传输光子晶体波导器件，包括波导层、低折射率埋层和衬底层，所述波导层位于低折射率埋层的上部，低折射率埋层的下部与衬底层相连；所述波导层包括波导一区、缺陷区和波导二区；波导一区与波导二区的衔接处分布缺陷区，所述波导一区由多个介质柱周期性排列组成，所述波导二区最外面一行分布耦合介质柱，该行耦合介质柱构成耦合区，所述波导二区中包含多个沿平行于缺陷区方向排列的点缺陷，每个点缺陷与其周围的介质柱和最外面的耦合介质柱构成光子晶体谐振腔；多个光子晶体谐振腔并联；在最右端的光子晶体谐振腔中点缺陷的上部对应位置有一个反射介质柱，反射介质柱与缺陷区相邻，所述介质柱的半径r＝102nm，点缺陷由半径为r₁的介质柱构成，r₁＝51nm，所述耦合介质柱的半径r₂大于或小于介质柱的半径r，反射介质柱半径为r₃大于或小于介质柱的半径r。

侧面耦合单向传输光子晶体波导器件的制作方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、制备划片所需的划片槽；

步骤二、使用纳米压印工艺，制备刻蚀钛酸锶柱所需的光刻胶掩膜，并在其掩蔽下进行ICP刻蚀，制作侧面耦合单向传输光子晶体波导器件主体结构；

步骤三、加工对要求尺寸精度高于10nm的介质柱；

步骤四、去除器件结构边缘区；获得侧面耦合单向传输光子晶体波导器件。