专利名称：具有缺陷态的二维光子晶体光开关及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光子晶体的应用技术，尤其是一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关及其应用。
背景技术：
光子晶体是制备集成光子器件的重要基础。利用光子晶体所制备的光开关，可以用作光学多路传输器、光学再生器，并应用到光学取样系统中，能够非常有效地控制光的传输过程，因而在光计算和光信息处理领域有非常重要的应用。但是，实现光开关需要高质量的光子晶体，尤其对光子带隙的要求更为苛刻，因此，受光子晶体制备技术的限制，到目前为止，还没有三维光子晶体光开关的实验研究报道。目前，对光子晶体光开关的研究工作仍主要集中在理论研究方面(文献1，A.Huttunen，P.Torma，“Band Structure for Nonlinear Photonic Crystals”，J.Appl.Phys.，2002，91(7)3988-3991)，人们提出了许多机理来实现光子晶体光开关(文献2，P.Tran，“Optical Limiting and Switching of Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic BandgapStructure with a Defect”，J.Opt.Soc.Am.B 1997，14(10)2589-2594；文献3，P.Tran，“Optical Switching with a Nonlinear Photonic Crystala Numerical Study”，Opt.Lett.1996，21(15)1138-1140；文献4，P.M.Johnson，A.F.Koenderink，W.L.Vos，“Ultrafast Switching of Photonic Density of States in Photonic Crystals”，Phys.Rev.B2002，66(11)081102(R))，其中在实验中被普遍采用的是光子带隙偏移机理(文献5，M.Scalora，J.P.Dowling，C.M.Bowden and M.J.Bloemer，“Optical Limiting andSwitching of Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials”，Phys.Rev.Lett.1994，73(10)1368-1371)。但是，利用光子带隙偏移机理制造的光开关，由于带边的群速度色散很大，容易造成脉冲的变形。并且，由于很难制造出带边很陡的光子晶体，因此，利用光子带隙偏移机理制造的光开关的效率不高。通常，人们利用在光子带隙中引入缺陷态，利用缺陷态的移动来实现光开关(文献6，ShengLAN，SatoshiNISHIKAWA，HiroshiISHIKAWA，andOsamuWADA，”Engineering PhotonicCrystal Impurity Bands for Waveguides，All-Optical Switches and Optical DalayLines”，Ieice Trans.electron.，2002，E85-c(1)181-189；文献7，Sheng Lan，SatoshiNishikawa，andOsamu Wada，”Leverging deep photonic band gaps in photonic crystalimpurity bands”，Appl.Phys.Lett.2001，78(15)2101-2103)，利用半导体材料通过外延生长技术来制备一维光子晶体，通过生长的材料厚度的不同引入缺陷，利用光子晶体带隙中缺陷的移动来实现光子晶体光开关，但是这种方法存在很大的缺陷一是光子晶体的制备过程非常复杂，不易调控，制造时造成的偏差较大，难以制备出理想的光子晶体；二是对光传输时的能量在其他二维上衍射造成能量损失，使其效率不高。另外通过缺陷态的耦合(文献8 Sheng Lan and Hiroshi Ishikawa，“Coupling ofdefect pairs and generation of dynamical band gaps in the impurity bands of nonlinearphotonic custals for all-optical switching”，Journal of Applied Physics”，2002，91(5)2573-2577)来实现光开关，把柱子按周期性排列起来来制备光子晶体，但由于柱子的尺寸很小，排列起来很困难，且在选择缺陷态时很难找到频率相同但场分布不同的模式，因此，实验上很难实现。这就极大地限制了光子晶体光开关的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足而提供一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关，该光开关是利用半导体材料通过微加工技术制备出高质量的带有缺陷态的二维非线性光子晶体，利用半导体材料自身的三阶非线性光学Kerr效应和快的响应时间来实现对探测光传输过程的“开”与“关”的控制作用。
本发明的另一目的在于提供一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关的应用。
本发明的目的可通过如下措施来实现一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其中该光开关是在二维光子晶体上设缺陷态微腔制成；其中该二维光子晶体是在模板上设三阶非线性极化率薄膜，然后根据晶格常数在非线性极化率薄膜上刻蚀有正常微腔和缺陷态微腔形成。
所述的缺陷态微腔的最大内径大于或小于所述的正常微腔的最大内径。
所述的缺陷态微腔的最大内径为小于1/2晶格常数。
所述的正常微腔的最大内径为小于1/2晶格常数。
所述的晶体的晶格常数为200nm-700nm。
所述的模板的折射率小于三阶非线性极化率薄膜的折射率。
所述的模板为SiO2。
所述的三阶非线性极化率薄膜为GaAs。
所述的三阶非线性极化率薄膜的随泵浦光强变化的折射率n=n0+120π2cn02Re(χ(3))I,]]>其中，n0为薄膜本身的线性折射率，是一个常数；c为真空中的光速，χ(3)为三阶非线性极化率薄膜的三阶非线性极化率，是一个复数；Re(χ(3))表示取χ(3)实部的数值，I为光开关的泵浦信号光强。
本发明的另一目的可通过如下措施来实现一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关的应用。
当具有缺陷态的二维光子晶体光开关用于对探测光进行光开关时，将泵浦信号光与探测光的时间重合；当改变泵浦光的光强时，二维光子晶体的缺陷态模式发生移动从而实现对探测光的开关作用。
本发明相比现有技术具有如下优点本发明利用半导体材料通过微加工技术制备出高质量的带有缺陷态的二维非线性光子晶体，利用半导体材料自身的三阶非线性光学Kerr效应和快的响应时间来实现对探测光传输过程的“开”与“关”的控制作用。本发明由于利用聚焦离子束刻蚀薄膜，用此方法打孔比周期性排列柱子要容易准确的多。本发明在SiO2基底上通过分子束外延方法生长出GaAs薄膜，由于GaAs和SiO2与空气的折射率比较大，可以利用全反射来限制光在垂直方向上的损失。制造时，可以控制晶格常数的大小、正常孔径的大小、缺陷孔的大小，从而可以在可见光和红外波段很大范围内实现光子晶体光开关，从而提供一种实现光子晶体光开关的非常简单、实用的方法。本发明制造容易，步骤简单，应用范围广。
本发明的原理如下本发明选择折射率和三阶非线性极化率都比较高的材料。在SiO2模板上，通过分子束外延方法生长出一层GaAs薄膜。利用聚焦离子束刻蚀方法，在GaAs薄膜上打孔。测量所制样品的透过谱。使探测光位于光子晶体缺陷态处。根据三阶非线性光学Kerr效应，半导体非线性材料受到强泵浦光的激发作用，其折射率n将发生变化。非线性材料折射率的变化，将引起光子晶体缺陷态模式发生变化。选择探测光的波长使其位于光子晶体缺陷态模式处。光子晶体缺陷态模式移动将引起探测光透过率的改变，使探测光透过光子晶体或者沿原路被反射回去，从而对探测光的传输过程起到“开”与“关”的控制作用。通过改变晶格常数、正常孔半径、缺陷孔半径等结构参数，可以在可见光到红外波段大范围内实现二维光子晶体光开关。
图1是带有缺陷态的二维光子晶体示意图；图2是利用微加工技术制备的红外波段带有缺陷态的二维非线性GaAs光子晶体示意图，其中，晶格常数是400nm，正常孔半径是160nm，缺陷孔半径是110nm，圆孔和背景介电常数分别为1.0和11.56，模板的折射率是1.4；图3是未引入缺陷时的光子晶体的透过谱曲线；图4是改变中间孔径的半径引入缺陷时的光子晶体的透过谱曲线；图5是缺陷态模式随折射率变化的移动曲线，左侧脉冲n＝3.4，右侧脉冲n＝3.39；图6是样品的折射率变化大小随光强的变化关系曲线；图7是探测光的透过率随光强的变化曲线；图8是改变两个孔径的大小形成缺陷态的光子晶体示意图；图9是利用缺陷态移动实现光子晶体光开关的原理示意图.
具体的实施方式参照图1，一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关的制备尽量选择折射率高的材料。高的折射率可以使光子晶体的带隙的宽度、深度增大，从而制成高质量的光子晶体，实现高效率的光开关。且尽量选择具有高的三阶非线性极化率的材料。这样，可以用较小的光强就可以使折射率有较大的变化，从而使缺陷模有较大的移动，实现高效率的光开关。
然后用一种折射率较小的材料作为模板，利用分子束外延方法在模板上生长出一层所选用的非线性材料薄膜。
根据实际要求，选择合适的晶格常数、正常孔半径，缺陷孔半径等光子晶体结构参数，使光子晶体缺陷态处在可见光(或者红外)波段中所处的位置。
利用聚焦离子束刻蚀方法，在模板薄膜上打孔。
测量所制样品的透过谱。
(1)光开关效应的实现。
步骤1利用半导体材料自身的三阶非线性光学Kerr效应来实现光开关。在强激光(泵浦光)的激发作用下，半导体材料的折射率n随着泵浦光强的不同而改变n=n0+120π2cn02Re(χ(3))I--------(1)]]>其中，n0为半导体材料的线性折射率，是一个常数。c为真空中的光速，χ(3)为材料的三阶非线性极化率，是一个复数。Re(χ(3))表示取χ(3)实部的数值，I为泵浦光强。半导体材料折射率的变化，将引起光子带隙中缺陷模的位置发生改变。
如果半导体材料的三阶非线性极化率χ(3)为正值。根据三阶非线性光学Kerr效应，在泵浦光的作用下，半导体材料的折射率将增加，这使有效折射率n增大，从而使光子晶体缺陷模向长波方向移动。如果半导体材料的三阶非线性极化率χ(3)为负值，在泵浦光的作用下，半导体材料的折射率将减小，这使有效折射率n减小，从而使光子晶体缺陷模向短波方向移动。选择探测光的波长位于光子缺陷模处。光子缺陷模式的移动将引起探测光透过率的改变，使探测光透过光子晶体或者沿原路被反射回去，从而对探测光的传输过程起到“开”与“关”的控制作用。
(2)测量光开关对探测光传输过程的控制作用步骤1调节时间延迟，使泵浦光和探测光在时间上完全重合；步骤2改变泵浦光的强度，使其从0逐步增加，测量探测光的透过率随泵浦光强度的变化关系曲线，该曲线反映光开关对探测光传输过程的开关控制作用；(3)大波段光子晶体光开关的实现步骤1根据光子晶体的缺陷态所处的光波段位置，改变晶格常数、正常孔半径、缺陷孔半径等光子晶体结构参数；重复上述过程1)，过程2)的各个步骤，即可在大波段范围内实现光子晶体光开关。
实施例1红外波段利用光子晶体缺陷态的移动实现二维光子晶体光开关作用1)材料的选择选择折射率高的GaAs(n＝3.4)材料。高的折射率可以使光子晶体的带隙的宽度、深度增大，从而制成高质量的光子晶体，实现高效率的光开关。GaAs有高的三阶非线性极化率(n2＝-4.1×10-13cm2/W，石旺舟，“纳米GaAs镶嵌在SiO2介质中的薄膜制备、结构和光学性质的研究”，N91525，P51，中国科学院文献情报中心)，可以用较小的光强就可以使折射率有较大的变化，从而使缺陷模有较大的移动，实现高效率的光开关。
2)样品的制备。
步骤1用一种折射率较小的材料作为模板，利用分子束外延方法生长出一层所选用的非线性材料(GaAs)薄膜。我们选用的基底为SiO2(折射率n＝1.4)，如图2。
步骤2根据实际要求，选择合适的晶格常数、正常孔半径，缺陷孔半径等光子晶体结构参数，使光子晶体缺陷态在可见光(或者红外)波段中所处的位置。我们选择晶格常数为400nm，正常孔半径为160nm，缺陷孔半径为110nm。
步骤3利用聚焦离子束刻蚀方法，在模板薄膜上打孔，采用微加工技术制备出带有缺陷态的二维非线性光子晶体如图2所示。
步骤4测量所制样品的透过谱曲线如图4所示。
3)测量光开关对探测光传输过程的控制作用参照图9，调节时间延迟，使泵浦光和探测光在时间上完全重合。改变泵浦光的强度，使其从0逐步增加，在光子晶体缺陷态的中心频率处测量探测光的透过率随泵浦光强度的变化关系曲线，如图7所示。参照图5、6，没有泵浦光作用时，探测光的透过率为-10.9dB，在泵浦光作用最强时，探测光的透过率为-57.0dB。这样，就实现了对探测光传输过程的开与关的控制作用。
由此，实现了红外波段的二维光子晶体光开关。
本发明的另一实施例参照图8，该光子晶体上具有两个缺陷态微腔。
权利要求
1.一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其中该光开关是在二维光子晶体上设缺陷态微腔制成；其中该二维光子晶体是在模板上设三阶非线性极化率薄膜，然后根据晶格常数在非线性极化率薄膜上刻蚀有正常微腔和缺陷态微腔形成。
2.如权利要求1所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的缺陷态微腔的最大内径大于或小于所述的正常微腔的最大内径。
3.如权利要求1或2所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的缺陷态微腔的最大内径为小于1/2晶格常数。
4.如权利要求1或2所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的正常微腔的最大内径为小于1/2晶格常数。
5.如权利要求1所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的晶体的晶格常数为200nm-700nm。
6.如权利要求1所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的模板的折射率小于三阶非线性极化率薄膜的折射率。
7.如权利要求1所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的模板为SiO2。
8.如权利要求1所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的三阶非线性极化率薄膜为GaAs。
9.如权利要求1或6所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关，其特征在于所述的三阶非线性极化率薄膜随泵浦光强变化的折射率n=n0+120π2cn02Re(χ(3))I,]]>其中，n0为薄膜本身的线性折射率，是一个常数；c为真空中的光速，χ(s)为三阶非线性极化率薄膜的三阶非线性极化率，是一个复数；Re(χ(3))表示取χ(3)实部的数值，I为光开关的泵浦信号光强。
10.一种权利要求1所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关的应用。
11.如权利要求10所述的具有缺陷态的二维光子晶体光开关的应用，其特征在于当其用于对探测光进行光开关时，将泵浦信号光与探测光的时间重合；当改变泵浦光的光强时，二维光子晶体的缺陷态模式发生移动从而实现对探测光的开关作用。
全文摘要
本发明涉及一种具有缺陷态的二维光子晶体光开关及其应用，本发明采用微加工技术，利用半导体材料的高折射率，制备出高质量带有缺陷态的二维光子晶体，利用半导体材料的高三阶非线性极化率和半导体材料的快响应时间来实现光开关，从而提供了一种实用、方便、高效率的在光通讯、光计算等领域有广泛用途的光开关的方法。本发明可以在可见光和红外区域大范围内实现光开关。
文档编号G02F1/015GK1514272SQ0216020
公开日2004年7月21日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者刘元好, 胡小永, 王义全, 韩守振, 程丙英, 张道中 申请人:中国科学院物理研究所