幾種典型光子晶體波導器件及應用*

金偉華，呂金光，王維彪，梁中翥，秦余欣，梁靜秋

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

2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室，長春130033）

·大規(guī)模集成電路設計、制造與應用·

幾種典型光子晶體波導器件及應用*

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

2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室，長春130033）

光子晶體是一種周期性的人工微結構，由不同介電常數的材料在空間周期性排列構成。光子晶體具有光子禁帶和光子局域特性，依據光子晶體結構設計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，在大規(guī)模集成光路和全光網絡中具有十分重要的應用前景。重點介紹了幾種典型的二維光子晶體器件的結構特點和應用，分析了設計與制作二維光子晶體器件過程中存在的一些關鍵問題與難點，并總結了該領域的研究進展和發(fā)展趨勢。

光子晶體；二維光子晶體；波導；光子晶體器件；集成光學；光通信；全光網絡

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外學者的廣泛關注和深入研究。光子晶體是一種周期性的人工微結構，由具有不同介電常數的材料在空間按照一定的方式周期性排列構成。光子晶體對電磁波的調制作用和半導體晶體中周期勢場對電子的調制作用類似，當電磁波通過光子晶體時，光子晶體中有序排列的介電結構將會使電磁波發(fā)生布拉格散射，從而使光子晶體產生能帶分裂，進而出現光子帶隙。當電磁波的頻率正好位于光子晶體帶隙區(qū)域時，電磁波將會被晶體反射而不進入晶體。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。光子帶隙的產生及帶隙寬度、帶隙位置等性質與光子晶體的結構、介電常數差、填充比及介質的連通性等特征有關，產生條件較為苛刻。除了光子帶隙外，光子局域是光子晶體的另一個重要特征。如果在光子晶體中產生介電缺陷或發(fā)生介電無序，光子晶體中的光子就會出現光子局域。當能帶區(qū)域的一個光子經發(fā)射產生在晶體內，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缺陷能級中傳播。光子局域是光子晶體應用的重要特征。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)現在光子晶體內還存在著反常色散特性。近幾年來，基于光子晶體負折射特性的研究，如超分辨聚焦、超分辨成像等功能應用也成為光子晶體的研究熱點[1-2]。光子晶體還可以用于制作許多光學器件，例如波導器件[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、全光網絡等領域具有十分廣闊的應用前景。

2 二維光子晶體及器件

根據不同介電常數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的材料呈現有序排列的介電結構；二維光子晶體是指在二維空間上不同介電常數的材料呈現有序排列的介電結構；三維光子晶體是指不同介電常數的材料在三維空間上呈周期性介電結構。

2.1 二維光子晶體

由于三維光子晶體結構復雜，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，且應用價值更高。在制作技術方面，DarrenFreeman等人采用聚焦離子束技術（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構光子晶體[10]，如圖1所示。

圖1 二維三角晶格空氣孔結構光子晶體

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折射效應、超棱鏡效應等。光子晶體超棱鏡具有極高的波長分辨率，可以達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，可以實現電磁波不同波長的頻率輸出，當電磁波通過光子晶體時會產生負折射效應。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折射效應，可以看出點光源經二維光子晶體的負折射后在其近場得到相應的點像[12]。

圖2 二維光子晶體波分復用器

圖3 二維光子晶體負折射成像

2.2 二維光子晶體波導器件

二維光子晶體波導是最基本的光子晶體器件，因此二維光子晶體波導器件的研究是目前國內外研究的熱點。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構中消除一行或幾行介質孔或介質柱得到；也可以通過改變一行或幾行介質孔或介質柱的形狀、尺寸或位置等幾何參數獲得。Tetsuya Tada等人在硅基底上制作了二維正方晶格介質柱W1型光子晶體波導[13]，如圖4所示。其中圖4(a)是在光子晶體結構中去除了一行介質柱而獲得的介電常數異常型的二維光子晶體波導；圖4(b)是通過縮小一行介質柱直徑而獲得的結構異常型的二維光子晶體波導。圖中二維光子晶體結構的晶格常數為490 nm，介質柱直徑為120 nm，介質柱高度為120 nm，圖4(b)中線缺陷介質柱直徑為60nm。圖4(c)為圖4(b)結構異常型二維光子晶體波導的透射光譜，可以看出該二維光子晶體波導對于935 nm波長的光具有明顯的透射特性。

圖4 二維正方晶格介質柱W1型光子晶體波導

如果在二維光子晶體介電材料的周期性排布結構中引入三行線缺陷，便可以獲得W3型二維光子晶體波導。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構W3型光子晶體波導器件[14]，并制作了脊型結構的輸入波導和輸出波導，從而實現電磁波在波導器件內的輸入輸出，如圖5(a)所示。圖中二維光子晶體結構的晶格常數為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型光子晶體波導在1520 nm-1640 nm波段內有光出射，具有良好的傳輸性能。

圖5 二維三角晶格空氣孔結構W3型光子晶體波導

與傳統(tǒng)的光學波導相比，光子晶體波導的優(yōu)點在于在波導轉彎處電磁波的傳輸損耗較低。由于光子晶體轉彎波導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彎波導的傳輸損耗，提高其電磁波傳輸效率是一項重要的研究內容[15]。IwanMarki等人制作了二維光子晶體90°直角轉彎波導[16]，并進行了通光測試，如圖6所示。測試結果表明該光子晶體90°直角轉彎波導與輸入、輸出錐形波導整體的電磁波傳輸效率達到90%以上。

除了二維光子晶體直角轉彎波導以外，Sanshui Xiao等人設計了兩種二維光子晶體弧形轉彎波導，分別為60°弧形轉彎波導和180°U形轉彎波導器件[17]，如圖7所示。與直角轉彎波導器件相比，弧形轉角的波導器件可以使電磁波在較寬的波段內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°轉彎波導及通光測試

圖7 光子晶體60°和180°轉彎波導

此外，二維光子晶體T分支波導和Y分支波導也是光子晶體波導重要的應用方向。光子晶體分支波導本身作為一種分束器，其在波分復用及干涉儀等方面有著十分廣泛的應用[18]。Shanhui Fan等采用諧振腔設計了二維光子晶體T分支波導[19]，如圖8 (a)所示。數值計算表明，該光子晶體T分支波導結構兩臂的電磁波傳輸效率均高于49.5%。Daquan Yang等設計了二維光子晶體Y分支波導器件，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，該二維光子晶體Y分支波導器件兩個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分支波導和Y分支波導

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

圖9 二維光子晶體慢光波導

2.3 二維光子晶體濾波器及波分復用器

二維光子晶體波導和諧振腔是二維光子晶體功能器件的基礎，基于這兩種器件的二維光子晶體濾波器[23-24]、耦合器[25]、波分復用器[26]等光通信或集成光學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計提供了理論指導[27-28]。Shanhui Fan等人首先設計了基于二維光子晶體諧振腔和波導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耦合作用設計并制作了三角晶格空氣孔結構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平行排列的二維光子晶體波導和一個位于波導之間的光子晶體微腔組成。對于由入射波導輸入的電磁波，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的另一端輸出。

圖10 二維三角晶格空氣孔結構光子晶體濾波器

由于波分復用器件是光通信中的關鍵器件，因而基于光子晶體結構的波分復用器件是當前光子晶體研究領域中的一個熱點方向。波分復用器的原理與濾波器類似，從根本上講也可以認為是一種濾波器。Ahmed Sharkawy等人利用二維光子晶體諧振腔與波導間的耦合設計了多通道形式的二維光子晶體波分復用器[31]，如圖11所示。該光子晶體波分復用器件共有六個波長信道，且單信道譜線的半峰寬為2nm，表明該二維光子晶體波分復用結構在整個通光頻帶內可以實現多通道分光。

圖11 二維光子晶體波分復用系統(tǒng)

3 二維光子晶體器件制備技術

相對于三維光子晶體，二維光子晶體器件的制作簡單，并可廣泛應用于光通信、信息科學、光電集成等領域。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，光學表面微結構的尺寸較大，因此可以使用精密機械加工的方法進行制備；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，光學表面微結構的尺寸較小，目前主要采用光刻和蝕刻技術進行制備。

為了實現足夠寬的光子帶隙，光子晶體器件的材料在使用波段范圍內應該具有較高的折射率和較小的吸收系數。而許多半導體材料在紅外波段具有較高的折射率和較小的吸收系數，因此可以選擇合適的半導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材料（如PMMA等）也是制備光子晶體器件的常用材料。

基于半導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構精度要求。Lidroikis E等人使用深紫外光刻配合干法刻蝕技術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構，具有極高的結構精度。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，通過逐點刻蝕獲得表面結構，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行加工時，需要通過拼接處理獲得大面積表面結構，容易引入因拼接而導致的位置誤差，降低了結構精度。總的來說，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，但是一種非常適于科研試驗的光子晶體器件制備工藝。

4 結束語

通過對光子晶體器件現階段的研究進展進行綜述，介紹了光子晶體波導、光子晶體濾波器及光子晶體波分復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)異的光學性能，是光通信、光集成及全光網絡應用中的理想光學器件。然而，光子晶體器件在存在性能優(yōu)勢的同時，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部具有很高的難度。因此能夠實現高效光接入的光耦合器件的設計和制作對于光子晶體器件的實際應用具有十分重要的意義。其次，在進行光子晶體器件的實際應用過程中需要將光子晶體器件與其他傳統(tǒng)的光學器件連接在一起，因此光子晶體器件與傳統(tǒng)光學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、光集成及全光網絡等應用方面，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互連問題也是光子晶體器件實際應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