一种椭圆孔光子晶体Slot波导的慢光特性优化方法与流程

本发明涉及属于微纳光电子器件设计领域，特别是一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法。
背景技术：
：慢光是指光以低于真空光速c的群速度传播。利用光在媒介中的高速传播特性，现代光互联和光通信技术已经极大的改变了人类社会，推动了信息时代的不断发展。众所周知，在当前实用光通信中，电信号的缓存和延迟已有可靠的技术手段，但在信号缓存与转换时往往需要光电和电光信号之间的转换，而这种转换显然限制了信号的传递速度与效率。如果能够实现全光缓存，构建全光通信网络，则可以大大改善这种现象。全光缓存技术的突破是当今高速光信号传输与处理中的瓶颈和关键技术。慢光即使光速减慢以至于能够停滞或存储光的技术，是克服全光缓存困难的最佳方式。相比其他几种慢光的产生方法而言，光子晶体波导的慢光产生技术具有以下几个优点：器件体积小，处于微米量级；能够在室温下产生慢光；带宽大等。但是在常规的光子晶体波导中的慢光，很大一部分都被局限在高折射率区域，这将会影响光与低折射率材料的相互作用，从而限制光子晶体波导慢光在实际中的应用。光子晶体slot波导是在2008年提出的一种新型的波导结构，它结合了光子晶体波导易于集成以及slot波导可以将光限制在低折射率区域的优点，这样慢光会被束缚在低折射率的空气槽内，空间上增加了信号的强度，可以加强光与待测物质的相互作用。然而在光子晶体slot波导的制备过程中，因为硅材料具有热膨胀效应，导致光子晶体slot波导的群折射率会随着温度的变化而变化；同时在常规的槽波导中，群折射率会随着波长的变化而发生变化，因此会产生很强的群速度色散现象，导致光脉冲信号变宽，波形会发生畸变。2010年，j.wu等人通过改变光子晶体slot波导中空气槽两侧的空气孔位置实现了宽带、低群速度色散的慢光，仿真结果表明，这种光子晶体slot波导结构可以产生群折射率为54，带宽为3.3nm。2011年，伊朗学者通过改变光子晶体slot波导中空气槽两侧的空气孔的半径，将群速度提高到40，带宽达到10nm。2012年，东北大学等学者通过将波导方向的晶格常数增加为1.06a，形成斜体结构的光子晶体slot波导，并同时通过改变光子晶体slot波导中空气槽两侧的空气孔位置，最终得到了群折射率为100，带宽为2.85nm的慢光。但是由于光子晶体的孔形状和尺寸很难精确控制，以上几种方法虽然在一定程度上改善了光子晶体slot波导的慢光特性，但是却同时增加了光子晶体slot波导制备的复杂性。而且在实际应用中，光子晶体slot波导的慢光特性还会不可避免地会受到孔径尺寸，位置尺寸等制备误差的影响，这将会严重限制光子晶体slot波导慢光的应用范围。技术实现要素：本发明提出了一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法。实现本发明的技术解决方案为：一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法，包括以下步骤：步骤1、构建一个椭圆孔三角晶格光子晶体slot波导结构；步骤2、在椭圆孔光子晶体slot波导中靠近空气槽的第一排空气孔内填充折射率为n1的液体，在第二排空气孔内填充折射率为n2的液体；步骤3、计算出此时群折射率ng、带宽δλ以及群速度色散β2的大小，并记录此时第一排空气孔内液体的折射率n1，第二排空气孔内液体的折射率n2以及群折射率ng、带宽δλ以及群速度色散β2的大小；步骤4、将原有的液体移除，在第一排空气孔内填充液体折射率n1与前一次折射率n1不同的液体，第二排空气孔内填充液体折射率n2与前一次折射率n2不同的液体，重新计算出此时群折射率ng、带宽δλ以及群速度色散β2的大小；步骤5、重复步骤4，直至测得n组群折射率ng以及带宽δλ；步骤6、从记载的数据中选取群速度色散β2为-106-106ps2/km时，群折射率ng以及带宽δλ最大的一组，以此时第一排空气孔内折射率n1值的液体以及第二排空气孔内液折射率n2值的液体分别作为椭圆孔光子晶体slot波导中的填充液体。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的液体填充的椭圆孔三角晶格光子晶体slot波导的慢光特性优化方法，可以在光子晶体slot波导已经制作完成的情况下，通过微调填充液体折射率的大小，使其慢光的特性不受椭圆孔尺寸制造误差的影响。2)本发明提出的这种液体填充的椭圆孔三角晶格光子晶体slot波导的慢光特性优化方法，优化过程中，保持椭圆孔的尺寸和位置不发生变化，与那些通过调节波导结构参数(孔的尺寸大小，位置，形状等)的优化方法相比，该方法更为简单，降低了制作工艺的复杂性，同时也可以减小制造误差。而且当椭圆孔的长短轴出现制作误差时，可以通过调节靠近slot的第一、二排椭圆孔内填充液体的折射率来稳定慢光的特性。下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。附图说明图1为本发明的椭圆孔光子晶体slot波导的结构示意图。图2为本发明的椭圆孔液体填充装置图。图3为本发明的椭圆孔光子晶体slot波导的导模色散曲线与填充液体折射率的关系图，其中，图3(a)为椭圆孔光子晶体slot波导的导模色散曲线与第一排椭圆孔填充液体折射率n1的关系图，图3(b)为椭圆孔光子晶体slot波导的导模色散曲线与第二排椭圆孔填充液体折射率n2的关系图。图4为本发明一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法得到的液体填充的椭圆孔光子晶体slot波导的群折射率曲线。图5为本发明一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法得到的液体填充的椭圆孔光子晶体slot波导的群速度色散曲线。图6为椭圆孔长半轴存在制造误差时的椭圆孔光子晶体slot波导的群折射率曲线图，其中，图6(a)为椭圆孔长半轴制造误差δx＝0.008a时椭圆孔光子晶体slot波导的群折射率曲线图，图6(b)为椭圆孔长半轴制造误差δx＝-0.008a时的椭圆孔光子晶体slot波导的群折射率曲线图，图6(c)为椭圆孔短半轴制造误差δy＝0.006a时的椭圆孔光子晶体slot波导的群折射率曲线图，图6(d)为椭圆孔短半轴制造误差δx＝-0.006a时的椭圆孔光子晶体slot波导的群折射率曲线图。具体实施方式本发明提出一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法，包括以下步骤：步骤1、构建一个椭圆孔三角晶格光子晶体slot波导结构，具体步骤为：步骤1-1：选取一块二氧化硅玻璃作为波导基质；步骤1-2：在波导基质上镀一层厚度为400nm的硅介质薄膜；步骤1-3：在镀好硅介质薄膜的波导基质上刻蚀等边三角排列的椭圆形空气孔，形成奇数排三角晶格椭圆孔光子晶体，其中，椭圆形空气孔长半轴x＝0.4a，短半轴y＝0.3a，刻蚀的slot宽度w＝0.32a，其中，a为晶格常数，即椭圆形空气孔之间的距离；步骤1-4：用硅介质填充中间一排椭圆空气孔，并在其上刻蚀一个空气槽，形成椭圆孔三角晶格光子晶体slot波导结构。步骤2、在椭圆孔光子晶体slot波导中靠近空气槽的第一排空气孔内填充折射率为n1的液体，在第二排空气孔内填充折射率为n2的液体，具体填充方式为：通过三轴微型操纵器控制外直径为200nm的小型微量吸管向空气孔内填充液体。步骤3、计算出此时群折射率ng、带宽δλ以及群速度色散β2的大小，并记录此时第一排空气孔内液体的折射率n1，第二排空气孔内液体的折射率n2以及群折射率ng、带宽δλ以及群速度色散β2的大小，具体方法为：根据群折射率ng的定义公式：计算出群折射率ng，式中，ω为光波的归一化频率；k为波矢；vg为慢光的群速度；根据公式计算出带宽δλ，式中，a为晶格常数，ω0为慢光的中心频率；根据公式计算出群速度色散β2的大小。步骤4、将原有的液体移除，在第一排空气孔内填充液体折射率n1与前一次折射率n1不同的液体，第二排空气孔内填充液体折射率n2与前一次折射率n2不同的液体，重新计算出此时群折射率ng、带宽δλ以及群速度色散β2的大小；步骤5、重复步骤4，直至测得n组群折射率ng以及带宽δλ，其中，n的取值范围为30～70。步骤6、从记载的数据中选取群速度色散β2为-106-106ps2/km时，群折射率ng以及带宽δλ最大的一组，以此时第一排空气孔内折射率n1值的液体以及第二排空气孔内液折射率n2值的液体分别作为椭圆孔光子晶体slot波导中的填充液体。根据群速度的定义公式：可知群折射率ng的值由导模色散曲线的一阶导数得到。因此，只有当色散曲线在很大的频率范围内呈线性并且斜率很小时，才能够同时获得高群折射率和大带宽的慢光。图3为椭圆孔光子晶体slot波导的导模色散曲线与第一排椭圆孔填充液体折射率n1和第二排椭圆孔填充液体折射率n2之间的关系图。从图中可以看出，随着n1的增加，色散曲线整体向低频移动，并且色散曲线尾部(即大波矢k处)向低频方向移动更加迅速，导致导模曲线线性部分的斜率也在逐渐增加。随着n2的增加，导模色散曲线向低频方向移动，然而，色散曲线的中部变化趋势比较明显，色散曲线的尾部变化很小，这就会导致色散曲线的整体形状发生一些显著的变化。通过前面的分析，可以通过适当减小n1来适当减小色散曲线尾部的斜率，然后同时适当的增加n2来合理地调节色散曲线中部的斜率，这样的话就有可能使得椭圆孔光子晶体slot波导的导模色散曲线在较大的一段频率范围内呈现出平带，这一部分也就对应着较高的群折射率。从而，本发明提出的一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法，通过在椭圆孔光子晶体slot波导中靠近slot的第一排空气孔内填充折射率为n1的液体，在第二排空气孔内填充折射率为n2的液体，实现大宽带、低群速度色散的慢光特性。由于液体填充这一操作可以在光子晶体slot波导制备之后进行，所以能够更加灵活地控制光子晶体槽波导的慢光特性，因此光子晶体slot波导空气孔半径的制备误差对光子晶体slot波导慢光特性的影响可以通过微调填充液体的折射率来消除或者降低。这样不仅可以降低光子晶体波导制备的复杂性，还可以为光子晶体slot波导慢光在实际中的应用提供了可能性。此外，本发明提出的一种椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性优化方法，可重复利用椭圆孔光子晶体slot波导，并可以根据实际应用需要在同一块光子晶体slot波导中填充不同折射率的液体，以实现不同的慢光特性，大大提高光子晶体slot波导的利用率。下面结合实施例进行更详细的描述。实施例1本实施例中，在椭圆孔光子晶体slot波导中靠近slot的第一排空气孔内填充折射率为n1的液体，在第二排空气孔内填充折射率为n2的液体，并根据慢光效果反复调节填充的液体的折射率，得到慢光特性较好的椭圆孔光子晶体slot波导。具体调节过程为：固定n1＝1.3，分别令n2＝1.75,1.73,1.71,1.69,1.67。当n1＝1.3时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表1中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.31.7533.30.00210.2584512.60.2711.31.7336.30.00160.25879.60.2251.31.7139.30.00130.258857.80.1971.31.69430.0010.25960.1661.31.6748.10.00090.259155.40.167表1然后固定n1＝1.31，分别令n2＝1.74,1.72,1.70,1.68,1.66。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.31时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)统计在表2中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.311.7436.80.00180.258310.80.2561.311.7239.80.00140.25848.40.2161.311.70440.00120.25857.20.2041.311.6848.50.00090.258785.40.1691.311.6654.30.00070.258854.20.147表2然后固定n1＝1.32，分别令n2＝1.74,1.72,1.70,1.68,1.66。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.32时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表3中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.321.7340.70.001550.25819.30.2441.321.7144.40.00130.258257.80.2241.321.6950.20.00090.258455.40.1751.321.6756.30.00070.258554.20.1521.321.65660.00050.2587530.128表3然后固定n1＝1.33，分别令n2＝1.73,1.72,1.70,1.68,1.66,1.64。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.33时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表4中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.331.7343.50.00140.25788.40.2361.331.72460.00130.257957.80.2321.331.70510.001150.25816.90.2271.331.6857.20.000850.25825.10.1681.331.66670.00060.25833.60.1561.331.6479.60.00040.25852.40.123表4然后固定n1＝1.34，分别令n2＝1.72,1.71,1.69,1.67,1.65,1.63。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.34时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表5中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.341.7249.60.00120.25767.20.2311.341.7151.80.00110.257656.60.2211.341.69600.00080.25794.80.1861.341.67690.00060.2583.60.1611.341.6581.10.000450.25812.70.1411.341.63101.20.00030.258251.80.118表5然后固定n1＝1.35，分别令n2＝1.71,1.70,1.68,1.66,1.64,1.62。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.35时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表6中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.351.7156.60.00110.257456.60.2421.351.7061.30.0010.25756.00.2381.351.6870.50.00070.257654.20.1921.351.6683.20.00050.257753.00.1611.351.64105.40.00030.257851.80.1231.351.62135.10.00020.2581.20.105表6然后固定n1＝1.36，分别令n2＝1.70,1.69,1.67,1.65,1.63,1.61。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.36时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表7中。表7然后固定n1＝1.37，分别令n2＝1.69,1.68,1.66,1.64,1.62,1.60。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.37时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表8中。n1n2ngδωω0δλ(nm)ndbp1.371.6982.60.00070.256954.20.2251.371.6891.40.000550.257053.30.1961.371.66114.40.00040.25722.40.1781.371.64151.70.00030.257251.80.1771.371.62244.50.00020.25741.20.1901.371.60405.40.00010.257450.60.157表8然后固定n1＝1.38，分别令n2＝1.68,1.67,1.65,1.63,1.61。为了更加有效，更加直观明了地呈现出，当n1＝1.38时，随着n2的不断减小，椭圆孔slot光子晶体波导慢光特性的变化趋势，我们通过matlab数据处理软件计算处理仿真得到的数据，将慢光的各项主要性能参数(平均群折射率ng、带宽δω或δλ，中心频率ω0以及归一化延迟带宽积ndbp)都统计在表9中。表9最终得到五组慢光效果较好的数据，当n1＝1.3，n2＝1.75时，可以产生折射率为33.3，带宽为12.6nm的慢光(波导a)；当n1＝1.35，n2＝1.71时，可以产生折射率为56.6，带宽为6.6nm的慢光(波导b)；当n1＝1.37，n2＝1.69时，可以产生折射率为82.6，带宽为4.2nm的慢光(波导c)；当n1＝1.38，n2＝1.65时，可以产生折射率为165，带宽为1.8nm的慢光(波导d)；当n1＝1.38，n2＝1.63时，可以产生折射率为247，带宽为1.2nm的慢光(波导e)。以波导c为例，设长短轴的制造误差分别为δx和δy，假设所设计的波导c的椭圆孔的长短半轴的制造误差分别为±2％。当δx＝0.008a，δy＝0时，我们将折射率n1为1.37的液体换为折射率n1为1.40的液体，将折射率n2为1.69的液体换为折射率n2为1.718的液体；；当δx＝0，δy＝0.006a时，我们将折射率n1为1.37的液体换为折射率n1为1.337的液体，将折射率n2为1.69的液体换为折射率n2为1.65的液体；当δx＝0，δy＝-0.006a时，我们将折射率n1为1.37的液体换为折射率n1为1.305的液体，将折射率n2为1.69的液体换为折射率n2为1.615的液体。这样通过适当微调n1和n2的值，从而保证椭圆孔光子晶体slot波导的慢光特性不发生变化。当前第1页12