幾種典型光子晶體波導(dǎo)器件及應(yīng)用*

金偉華，呂金光，王維彪，梁中翥，秦余欣，梁靜秋

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部，北京100083；

2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130033）

·大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用·

幾種典型光子晶體波導(dǎo)器件及應(yīng)用*

金偉華1，呂金光2，王維彪2，梁中翥2，秦余欣2，梁靜秋2

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部，北京100083；

2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130033）

光子晶體是一種周期性的人工微結(jié)構(gòu)，由不同介電常數(shù)的材料在空間周期性排列構(gòu)成。光子晶體具有光子禁帶和光子局域特性，依據(jù)光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作的二維光子晶體器件具有微型化、高集成度和性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模集成光路和全光網(wǎng)絡(luò)中具有十分重要的應(yīng)用前景。重點(diǎn)介紹了幾種典型的二維光子晶體器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用，分析了設(shè)計(jì)與制作二維光子晶體器件過程中存在的一些關(guān)鍵問題與難點(diǎn)，并總結(jié)了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢。

光子晶體；二維光子晶體；波導(dǎo)；光子晶體器件；集成光學(xué)；光通信；全光網(wǎng)絡(luò)

1 引言

自從1987年E.Yablonovich和S.John提出了光子晶體的概念，光子晶體就得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究。光子晶體是一種周期性的人工微結(jié)構(gòu)，由具有不同介電常數(shù)的材料在空間按照一定的方式周期性排列構(gòu)成。光子晶體對電磁波的調(diào)制作用和半導(dǎo)體晶體中周期勢場對電子的調(diào)制作用類似，當(dāng)電磁波通過光子晶體時(shí)，光子晶體中有序排列的介電結(jié)構(gòu)將會使電磁波發(fā)生布拉格散射，從而使光子晶體產(chǎn)生能帶分裂，進(jìn)而出現(xiàn)光子帶隙。當(dāng)電磁波的頻率正好位于光子晶體帶隙區(qū)域時(shí)，電磁波將會被晶體反射而不進(jìn)入晶體。因此，光子能帶之間的光子帶隙能夠使人們控制光子在光子晶體中的傳輸。光子帶隙的產(chǎn)生及帶隙寬度、帶隙位置等性質(zhì)與光子晶體的結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)差、填充比及介質(zhì)的連通性等特征有關(guān)，產(chǎn)生條件較為苛刻。除了光子帶隙外，光子局域是光子晶體的另一個(gè)重要特征。如果在光子晶體中產(chǎn)生介電缺陷或發(fā)生介電無序，光子晶體中的光子就會出現(xiàn)光子局域。當(dāng)能帶區(qū)域的一個(gè)光子經(jīng)發(fā)射產(chǎn)生在晶體內(nèi)，其將被定域化而無法逸出晶體。光子帶隙中的缺陷態(tài)使得只有特定頻率的電磁波可以在這個(gè)缺陷能級中傳播。光子局域是光子晶體應(yīng)用的重要特征。通過在光子晶體中引入缺陷和制造缺陷態(tài)的方式，可以制作各種類型的光子晶體功能器件。

光子晶體的特殊性質(zhì)為人為控制電磁波的傳播提供了可能，而隨著對光子晶體特性研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在光子晶體內(nèi)還存在著反常色散特性。近幾年來，基于光子晶體負(fù)折射特性的研究，如超分辨聚焦、超分辨成像等功能應(yīng)用也成為光子晶體的研究熱點(diǎn)[1-2]。光子晶體還可以用于制作許多光學(xué)器件，例如波導(dǎo)器件[3-4]、耦合器件[5-6]、超棱鏡[7-8]、光子晶體光纖[9]等，在光集成、光通信、全光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2 二維光子晶體及器件

根據(jù)不同介電常數(shù)的材料在空間排列方式的不同，光子晶體可以分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體。一維光子晶體是指在一維方向上不同介電常數(shù)的材料呈現(xiàn)有序排列的介電結(jié)構(gòu)；二維光子晶體是指在二維空間上不同介電常數(shù)的材料呈現(xiàn)有序排列的介電結(jié)構(gòu)；三維光子晶體是指不同介電常數(shù)的材料在三維空間上呈周期性介電結(jié)構(gòu)。

2.1 二維光子晶體

由于三維光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其制作難度較大，而二維光子晶體相比于一維光子晶體和三維光子晶體，其制作比較簡單，且應(yīng)用價(jià)值更高。在制作技術(shù)方面，DarrenFreeman等人采用聚焦離子束技術(shù)（FIB）制作了晶格周期為500nm、空氣孔直徑為300nm的二維三角晶格空氣孔結(jié)構(gòu)光子晶體[10]，如圖1所示。

圖1 二維三角晶格空氣孔結(jié)構(gòu)光子晶體

光子晶體除光子帶隙與光子局域特性以外，電磁波在光子晶體帯隙外也具有一些新奇的傳播特性。電磁波在光子晶體帯隙外的傳播主要取決于光子晶體的反常色散特性。光子晶體的反常色散特性主要包括負(fù)折射效應(yīng)、超棱鏡效應(yīng)等。光子晶體超棱鏡具有極高的波長分辨率，可以達(dá)到普通棱鏡的一百倍以上[11]。利用光子晶體的反常色散特性，可以制成波分復(fù)用器件，如圖2所示。該二維光子晶體器件由兩部分組成，左邊為二維光子晶體超棱鏡，主要用于電磁波的波長分解，右邊為二維光子晶體波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)電磁波不同波長的頻率輸出，當(dāng)電磁波通過光子晶體時(shí)會產(chǎn)生負(fù)折射效應(yīng)。圖3為Luo等人研究的二維正方晶格光子晶體對電磁波的負(fù)折射效應(yīng)，可以看出點(diǎn)光源經(jīng)二維光子晶體的負(fù)折射后在其近場得到相應(yīng)的點(diǎn)像[12]。

圖2 二維光子晶體波分復(fù)用器

圖3 二維光子晶體負(fù)折射成像

2.2 二維光子晶體波導(dǎo)器件

二維光子晶體波導(dǎo)是最基本的光子晶體器件，因此二維光子晶體波導(dǎo)器件的研究是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前位于紅外波段的二維光子晶體的制備與可見光波段相比相對比較容易，并且位于紅外波段的二維光子晶體器件處于通信波段，因此二維光子晶體器件在紅外通信波段的研究是目前光子晶體器件研究的主要頻段。二維光子晶體波導(dǎo)是通過在二維光子晶體中引入線缺陷得到的，線缺陷的引入有許多種方式，可以通過在介電材料的周期性排布結(jié)構(gòu)中消除一行或幾行介質(zhì)孔或介質(zhì)柱得到；也可以通過改變一行或幾行介質(zhì)孔或介質(zhì)柱的形狀、尺寸或位置等幾何參數(shù)獲得。Tetsuya Tada等人在硅基底上制作了二維正方晶格介質(zhì)柱W1型光子晶體波導(dǎo)[13]，如圖4所示。其中圖4(a)是在光子晶體結(jié)構(gòu)中去除了一行介質(zhì)柱而獲得的介電常數(shù)異常型的二維光子晶體波導(dǎo)；圖4(b)是通過縮小一行介質(zhì)柱直徑而獲得的結(jié)構(gòu)異常型的二維光子晶體波導(dǎo)。圖中二維光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為490 nm，介質(zhì)柱直徑為120 nm，介質(zhì)柱高度為120 nm，圖4(b)中線缺陷介質(zhì)柱直徑為60nm。圖4(c)為圖4(b)結(jié)構(gòu)異常型二維光子晶體波導(dǎo)的透射光譜，可以看出該二維光子晶體波導(dǎo)對于935 nm波長的光具有明顯的透射特性。

圖4 二維正方晶格介質(zhì)柱W1型光子晶體波導(dǎo)

如果在二維光子晶體介電材料的周期性排布結(jié)構(gòu)中引入三行線缺陷，便可以獲得W3型二維光子晶體波導(dǎo)。中科院物理所韓守振等人在SOI（Silicon On Insulator）上利用刻蝕工藝制作了二維三角晶格空氣孔結(jié)構(gòu)W3型光子晶體波導(dǎo)器件[14]，并制作了脊型結(jié)構(gòu)的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)電磁波在波導(dǎo)器件內(nèi)的輸入輸出，如圖5(a)所示。圖中二維光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為420 nm，空氣孔直徑為240 nm，樣品總長度為0.3 mm。該光子晶體波導(dǎo)器件的透射光譜如圖5(b)所示，可以看出該W3型光子晶體波導(dǎo)在1520 nm-1640 nm波段內(nèi)有光出射，具有良好的傳輸性能。

圖5 二維三角晶格空氣孔結(jié)構(gòu)W3型光子晶體波導(dǎo)

與傳統(tǒng)的光學(xué)波導(dǎo)相比，光子晶體波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)在于在波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎處電磁波的傳輸損耗較低。由于光子晶體轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)是光子晶體功能器件的重要組成部分，因此降低光子晶體轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)的傳輸損耗，提高其電磁波傳輸效率是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容[15]。IwanMarki等人制作了二維光子晶體90°直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)[16]，并進(jìn)行了通光測試，如圖6所示。測試結(jié)果表明該光子晶體90°直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)與輸入、輸出錐形波導(dǎo)整體的電磁波傳輸效率達(dá)到90%以上。

除了二維光子晶體直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)以外，Sanshui Xiao等人設(shè)計(jì)了兩種二維光子晶體弧形轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)，分別為60°弧形轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)和180°U形轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)器件[17]，如圖7所示。與直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)器件相比，弧形轉(zhuǎn)角的波導(dǎo)器件可以使電磁波在較寬的波段內(nèi)能夠具有較低的傳輸損耗，從而提高電磁波的傳輸效率。

圖6 光子晶體90°轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)及通光測試

圖7 光子晶體60°和180°轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)

此外，二維光子晶體T分支波導(dǎo)和Y分支波導(dǎo)也是光子晶體波導(dǎo)重要的應(yīng)用方向。光子晶體分支波導(dǎo)本身作為一種分束器，其在波分復(fù)用及干涉儀等方面有著十分廣泛的應(yīng)用[18]。Shanhui Fan等采用諧振腔設(shè)計(jì)了二維光子晶體T分支波導(dǎo)[19]，如圖8 (a)所示。數(shù)值計(jì)算表明，該光子晶體T分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)兩臂的電磁波傳輸效率均高于49.5%。Daquan Yang等設(shè)計(jì)了二維光子晶體Y分支波導(dǎo)器件，該器件具有較高的帶寬與較高的傳輸效率，在1472nm–1634 nm波段內(nèi)，該二維光子晶體Y分支波導(dǎo)器件兩個(gè)分支上電磁波的傳輸效率均高于45%以上[20]，如圖8(b)所示。

圖8 二維光子晶體T分支波導(dǎo)和Y分支波導(dǎo)

光子晶體波導(dǎo)可以對電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用，形成形式比較復(fù)雜的駐波，大幅度降低電磁波在光子晶體波導(dǎo)中的傳播群速度，即產(chǎn)生光子晶體慢光效應(yīng)。相對于電磁自感透明、半導(dǎo)體材料載流子振蕩以及光纖非線性效應(yīng)等方法,光子晶體慢光效應(yīng)對環(huán)境條件要求相對比較寬松，且具有集成度高的優(yōu)點(diǎn)[21-22]。圖9所示為Sara Ek等人所設(shè)計(jì)制備的二維光子晶體慢光波導(dǎo)。

圖9 二維光子晶體慢光波導(dǎo)

2.3 二維光子晶體濾波器及波分復(fù)用器

二維光子晶體波導(dǎo)和諧振腔是二維光子晶體功能器件的基礎(chǔ)，基于這兩種器件的二維光子晶體濾波器[23-24]、耦合器[25]、波分復(fù)用器[26]等光通信或集成光學(xué)器件正開展廣泛研究。而J.D.Joannopoulos等人對光子晶體諧振腔耦合模理論的完善，更是為各種光子晶體功能器件的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)[27-28]。Shanhui Fan等人首先設(shè)計(jì)了基于二維光子晶體諧振腔和波導(dǎo)耦合的光子晶體濾波器[29]，其尺度在微米量級。AkihikoShinya等人利用二維光子晶體諧振腔和波導(dǎo)耦合作用設(shè)計(jì)并制作了三角晶格空氣孔結(jié)構(gòu)的二維光子晶體濾波器[30]，如圖10所示。該二維光子晶體濾波器由兩個(gè)平行排列的二維光子晶體波導(dǎo)和一個(gè)位于波導(dǎo)之間的光子晶體微腔組成。對于由入射波導(dǎo)輸入的電磁波，符合光子晶體微腔諧振頻率的電磁波可以通過光子晶體微腔，從而從出射波導(dǎo)輸出；而不符合光子晶體微腔諧振頻率的電磁波則從入射波導(dǎo)的另一端輸出。

圖10 二維三角晶格空氣孔結(jié)構(gòu)光子晶體濾波器

由于波分復(fù)用器件是光通信中的關(guān)鍵器件，因而基于光子晶體結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用器件是當(dāng)前光子晶體研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)方向。波分復(fù)用器的原理與濾波器類似，從根本上講也可以認(rèn)為是一種濾波器。Ahmed Sharkawy等人利用二維光子晶體諧振腔與波導(dǎo)間的耦合設(shè)計(jì)了多通道形式的二維光子晶體波分復(fù)用器[31]，如圖11所示。該光子晶體波分復(fù)用器件共有六個(gè)波長信道，且單信道譜線的半峰寬為2nm，表明該二維光子晶體波分復(fù)用結(jié)構(gòu)在整個(gè)通光頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多通道分光。

圖11 二維光子晶體波分復(fù)用系統(tǒng)

3 二維光子晶體器件制備技術(shù)

相對于三維光子晶體，二維光子晶體器件的制作簡單，并可廣泛應(yīng)用于光通信、信息科學(xué)、光電集成等領(lǐng)域。對于微波波段和太赫茲波段的二維光子晶體器件，由于其工作波長較長，光學(xué)表面微結(jié)構(gòu)的尺寸較大，因此可以使用精密機(jī)械加工的方法進(jìn)行制備；但對于紅外波段的二維光子晶體器件，由于其工作波長較短，光學(xué)表面微結(jié)構(gòu)的尺寸較小，目前主要采用光刻和蝕刻技術(shù)進(jìn)行制備。

為了實(shí)現(xiàn)足夠?qū)挼墓庾訋?，光子晶體器件的材料在使用波段范圍內(nèi)應(yīng)該具有較高的折射率和較小的吸收系數(shù)。而許多半導(dǎo)體材料在紅外波段具有較高的折射率和較小的吸收系數(shù)，因此可以選擇合適的半導(dǎo)體材料作為光子晶體器件的制備材料。光子晶體器件所使用的半導(dǎo)體材料主要有Si、Ge、SiO2、SOI（Silicon On Insulator）、Ⅲ-Ⅴ族化合物（如GaAs）等，另外一些金屬材料及有機(jī)材料（如PMMA等）也是制備光子晶體器件的常用材料。

基于半導(dǎo)體材料的二維光子晶體器件的制備工藝主要是光刻工藝和蝕刻工藝，其中用于光刻的掩模板制作主要采用深紫外光刻（Deep UV Lithography，DUV）、電子束直寫（Electron Beam Lithography，EBL）等光刻曝光工藝。而蝕刻工藝主要采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（Induction Coupling Plasma,ICP）、電子回旋共振等離子體刻蝕（Microwave Electron Cyclotron Resonance,ECR）、反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching,RIE）等干法刻蝕工藝[32-33]。這些工藝都具有較高的制作精度，且工藝相對比較成熟。干法刻蝕工藝是目前二維光子晶體器件制備的主要工藝手段，可以滿足紅外波段二維光子晶體器件的結(jié)構(gòu)精度要求。Lidroikis E等人使用深紫外光刻配合干法刻蝕技術(shù)制備了二維光子晶體器件[34]，如圖12所示。

圖12 使用DUV光刻與干法刻蝕制作的二維光子晶體器件

聚焦離子束刻蝕（Focused Ion Beam,FIB）是另一種二維光子晶體器件制備工藝，它是一種直寫干法刻蝕工藝，利用聚焦的高能離子束對材料表面進(jìn)行加工。聚焦離子束刻蝕不需要昂貴的掩模版，無需曝光過程，直接在基底上利用聚焦離子束刻蝕出二維光子晶體圖形結(jié)構(gòu)，具有極高的結(jié)構(gòu)精度。但是，聚焦離子束刻蝕工藝是將高能的離子束聚焦在基底表面，通過逐點(diǎn)刻蝕獲得表面結(jié)構(gòu)，制備效率較低。此外，采用聚焦離子束刻蝕工藝對表面面積比較大的二維光子晶體器件進(jìn)行加工時(shí)，需要通過拼接處理獲得大面積表面結(jié)構(gòu)，容易引入因拼接而導(dǎo)致的位置誤差，降低了結(jié)構(gòu)精度?？偟膩碚f，聚焦離子束刻蝕工藝可以保證二維光子晶體器件的制作精度要求，雖無法用于大規(guī)模生產(chǎn)，但是一種非常適于科研試驗(yàn)的光子晶體器件制備工藝。

4 結(jié)束語

通過對光子晶體器件現(xiàn)階段的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，介紹了光子晶體波導(dǎo)、光子晶體濾波器及光子晶體波分復(fù)用器等光子晶體器件具有微小的體積、較高的集成度以及優(yōu)異的光學(xué)性能，是光通信、光集成及全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的理想光學(xué)器件。然而，光子晶體器件在存在性能優(yōu)勢的同時(shí)，也因極小的體積使得其在裝配及測試方面還面臨著一些亟待解決的問題。首先，光子晶體器件的尺寸大多為電磁波的波長量級，這使得其通光孔徑極小，從而將電磁波從光源高效的耦合到光子晶體器件內(nèi)部具有很高的難度。因此能夠?qū)崿F(xiàn)高效光接入的光耦合器件的設(shè)計(jì)和制作對于光子晶體器件的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。其次，在進(jìn)行光子晶體器件的實(shí)際應(yīng)用過程中需要將光子晶體器件與其他傳統(tǒng)的光學(xué)器件連接在一起，因此光子晶體器件與傳統(tǒng)光學(xué)器件之間的高效耦合對于光集成具有較為重要的意義。最后，在光通信、光集成及全光網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用方面，需要將不同功能的光子晶體器件集成到同一芯片上，而光子晶體功能器件間的通光孔徑難以做到完全相同，所以不同通光孔徑的光子晶體器件之間的光學(xué)互連問題也是光子晶體器件實(shí)際應(yīng)用過程中亟待解決的問題。

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Development of Two Dimensional Photonic Crystals and Devices

Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Wang Weibiao2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Liang Jingqiu2
（1.Optoelectronics Technology Invention Examination Department,PECC,SIPO,Beijing 100083,China; 2.State Key Laboratory of Applied Optics,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）

Photonic crystal is a kind of artificial microstructure in which the materials with different dielectric constant arrange periodically in space.The two dimensional photonic crystals devices,designed and fabricated based on the photonic band gap and the photon localization,show the advantages of compact structure,high integration level and the excellent optical functionalities,and will play an important role in the future integrated photonic/optical circuit and all-optical networks.An overview of the development of two dimensional photonic crystals devices is presented.The key problems in designing and fabricating two-dimensional photonic crystals devices are discussed,and the progresses in this field are also presented.

Photonic crystals；Two dimensional photonic crystals；Waveguide；Photonic crystals devices；Integrated optics；Optical communication；All-optical networks

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.001

TN256；O431.1

B

1002-2279-（2017）02-0001-07

國家自然科學(xué)基金(60877031)

金偉華(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光電材料。

2016-11-23