一种可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的制作方法

1.本发明涉及光信息处理技术领域，尤其涉及一种可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔。


背景技术：

2.光学微腔是一种能够将光限制在一定区域中的光学谐振腔。光子晶体微腔是由光子晶体结构构成的光学微腔，光子晶体微腔能够提供较强的光
‑
物质相互作用，故常常被用于产生二次谐波。如何在光子晶体微腔中实现亚微米波段附近的高效二次谐波信号是研究者关注的重要方向。以往工作中，研究者提出了诸多方案以提高光子晶体微腔中的二次谐波转换效率，除了转换效率之外，稳定性亦是影响二次谐波产生质量的重要性能参数。以往研究表明，光子晶体微腔中的制备缺陷会对二次谐波的谐振模的谐振波长、品质因子及二次谐波转换效率产生严重影响。
3.经对现有技术的检索发现，研究人员采用了旋磁材料构成的光子晶体波导产生二次谐波。该结构中由于外加了磁场，旋磁材料的磁导率变为各向异性，时间反演对称性被打破，实现了光量子霍尔效应，导致基波信号及二次谐波信号皆受拓扑保护，进而能够绕过金属障碍向前单向传输。但旋磁材料的磁光效应仅在微波波段有效，故该效应难以推广至通讯波段。
4.经检索还发现，研究人员采用电介质柱构成的光子晶体波导来生成高稳定性的二次谐波，该结构中因电介质柱单元的c3对称性的形成，实现了光量子能谷霍尔效应，导致基波信号及二次谐波信号皆能通过锐利的转角波导而不发生谷间散射。但该结构使用的光子晶体需要做到极厚，故在微波波段容易加工和制备，但同样难以推广至通讯波段。
5.因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够在通讯波段工作、能够产生高稳定性二次谐波且容易加工制备的光学器件，以克服现有技术的上述缺陷。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是发明一种能在通讯波段工作的光子晶体微腔，该光子晶体微腔产生的二次谐波的谐振模的谐振波长在特定外加缺陷的情况下基本不发生偏移，具有良好的稳定性。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔，由多个a型微腔单元、多个b型微腔单元、多个c型微腔单元密铺而成，整体成二维矩形阵列布置，其中，多个所述c型微腔单元构成三角区域，所述三角区域为大等边三角形与小等边三角形之间的区域，所述大等边三角形与所述小等边三角形的三个边分别平行且距离相等，所述a型微腔单元位于所述三角区域的外侧，所述b型微腔单元位于所述三角区域的内侧，所述a型微腔单元由一个a型正三棱台空气孔与一个a型铌酸锂薄膜片构成，所述b型微腔单元由一个b型正三棱台空气孔与一个b型铌酸锂薄膜片构成，所述c型微腔单元由一个c1型正三棱台空气孔、一个c2型正三棱台空气孔与一个c型铌酸锂薄膜片构成，其中所述a
型正三棱台空气孔、所述c2型正三棱台空气孔是倒置的，所述b型正三棱台空气孔、所述c1型正三棱台空气孔是正置的，所述a型铌酸锂薄膜片、所述b型铌酸锂薄膜片、所述c型铌酸锂薄膜片是由铌酸锂薄膜制成，所述a型铌酸锂薄膜片、所述b型铌酸锂薄膜片、所述c型铌酸锂薄膜片的横截面外形为菱形，所述菱形的集合构成2个正三棱柱的组合体，所述可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔可以有特定外加缺陷。
8.进一步地，相邻所述a型微腔单元、所述b型微腔单元、所述c型微腔单元的中心距离等于所述菱形的边长，即一个晶格常数，所述二维矩形阵列有x列、y行，x≥16，y≥28。
9.进一步地，所述菱形由两个正三角形组成，所述菱形的边长为680nm，所述a型正三棱台空气孔、所述b型正三棱台空气孔、所述c1型正三棱台空气孔、所述c2型正三棱台空气孔分别位于所述正三棱柱的正中，所述a型正三棱台空气孔、所述b型正三棱台空气孔、所述c1型正三棱台空气孔、所述c2型正三棱台空气孔的三个侧面分别平行于所述正三角形的三个边。
10.进一步地，所述a型正三棱台空气孔、所述b型正三棱台空气孔、所述c1型正三棱台空气孔、所述c2型正三棱台空气孔的侧面的倾角为70
°
，所述a型正三棱台空气孔、所述b型正三棱台空气孔的上底边长为640nm，下底边长为300nm，所述c1型正三棱台空气孔、所述c2型正三棱台空气孔的上底边长为490nm，下底边长150nm。
11.进一步地，所述铌酸锂薄膜折射率设置为各向异性张量，具体参数为：n
x
＝2.2
‑
2.3，n
y
＝2.1
‑
2.2，n
z
＝2.2
‑
2.3。
12.进一步地，所述a型正三棱台空气孔、所述b型正三棱台空气孔、所述c1型正三棱台空气孔、所述c2型正三棱台空气孔是由所述铌酸锂薄膜刻蚀而成。
13.进一步地，所述铌酸锂薄膜厚度为270nm。
14.进一步地，所述特定外加缺陷为所述三角区域的一角向内侧方向移动u个晶格常数的距离，所述晶格常数为所述菱形的边长，u≤5。
15.进一步地，所述铌酸锂薄膜可由钽酸锂薄膜替代。
16.在本发明的较佳实施方式中，所述可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔由多个a型微腔单元、多个b型微腔单元、多个c型微腔单元沿x向，y向密铺而成，整体成二维矩形阵列布置，所述二维矩形阵列有59列、32行，多个所述c型微腔单元构成的三角区域为大等边三角形与小等边三角形之间的区域，所述大等边三角形边长为13个晶格常数，所述小等边三角形为11个晶格常数，所述a型微腔单元位于所述三角区域的外侧，所述b型微腔单元位于所述三角区域的内侧。所述可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔由铌酸锂薄膜刻蚀而成，所述铌酸锂薄膜的折射率设置为各向异性张量，具体参数为：n
x
＝2.21，n
y
＝2.13，n
z
＝2.21。在所述可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的左侧放置一平面波源，向右激励波长为1500nm
‑
1600nm、功率为1w的横电模偏振脉冲光，在可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的右侧放置一监视器，可获得各个波长的透过率，并生成透射谱图、坡印廷矢量模场分布图，在透射谱图中，有四个明显的谐振模，即第一谐振模、第二谐振模、第三谐振模、第四谐振模，其中第三谐振模具有较优良的品质因子及透过率，其谐振波长为1567nm，品质因子为1412。因受到光量子能谷霍尔效应的拓扑保护，在1550nm附近第三谐振模的谐振波长不随特定外加缺陷的加入而发生偏移，且其附近不会有新的谐振模产生。
17.本发明的原理是：为了实现光量子能谷霍尔效应拓扑保护，本发明所述的光子晶
体设计成由两个部分拼接而成，一部分由正置的正三棱柱空气孔及铌酸锂薄膜构成，一部分由倒置的正三棱柱空气孔及铌酸锂薄膜构成，两种正三棱柱空气孔在倒空间的k点频率支持不同方向的功率涡旋，进而实现拓扑保护效应。为了扩大光子晶体的带隙范围，在所述两个部分的中间添加了额外的正置和倒置正三棱柱空气孔及铌酸锂薄膜构成的区域。为了提高品质因子，中间部分的正三棱柱空气孔的几何尺寸与内侧、外侧的正三棱柱空气孔有所不同，同时考虑在制备作工艺上，在铌酸锂薄膜上刻蚀的正三棱柱空气孔会造成斜角，实际刻蚀的应是正三棱台空气孔而非三棱柱台空气孔。
18.与现有技术相比，通过本发明的实施，达到了以下明显的技术效果：
19.(1)本发明提出的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔可在1550nm波长附近的通讯波段工作，产生的谐振模的谐振波长不随特定外加缺陷而发生偏移，具有高稳定性。
20.(2)应用本发明提出的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔产生的第三谐振模的场分布具有能量紧紧束缚在边界处的特点。
21.(3)本发明提出的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔可应用于二次谐波、三次谐波产生及和频差频等其他非线性过程。
22.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
23.图1是本发明的一个较佳实施例的二维平面示意图；
24.图2是本发明的一个较佳实施例的a型微腔单元的二视图；
25.图3是本发明的一个较佳实施例的b型微腔单元的二视图；
26.图4是本发明的一个较佳实施例的c型微腔单元的二视图；
27.图5是本发明的一个较佳实施例的a型微腔单元的三维立体图；
28.图6是本发明的一个较佳实施例的b型微腔单元的三维立体图；
29.图7是本发明的一个较佳实施例的c型微腔单元的三维立体图；
30.图8是本发明的一个较佳实施例实现的透射谱图；
31.图9是本发明的一个较佳实施例实现第三谐振模的坡印廷矢量模场分布图；
32.图10是本发明的加入特定外加缺陷实施例的二维平面示意图；
33.图11是本发明的加入特定外加缺陷实施例的稳定性测试图。
34.其中，1
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a型微腔单元，11
‑
a型正三棱台空气孔，12
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a型铌酸锂薄膜片，2
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b型微腔单元，21
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b型正三棱台空气孔，22
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b型铌酸锂薄膜片，3
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c型微腔单元，31
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c1型正三棱台空气孔，32
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c2型正三棱台空气孔，33
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c型铌酸锂薄膜片，4
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大等边三角形，5
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小等边三角形，301
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第一谐振模，302
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第二谐振模，303
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第三谐振模，304
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第四谐振模。
具体实施方式
35.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
36.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以
相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
37.实施例一：
38.如图1所示，本发明提供了一种可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔，由多个a型微腔单元1、多个b型微腔单元2、多个c型微腔单元3沿x，y轴密铺而成，整体成二维矩形阵列布置，所述二维矩形阵列有59列、32行。其中，多个c型微腔单元3构成三角区域，所述三角区域为大等边三角形4与小等边三角形5之间的区域，大等边三角形4与小等边三角形5的三个边分别平行且距离相等，a型微腔单元1位于所述三角区域的外侧，b型微腔单元2位于所述三角区域的内侧。大等边三角形4的边长为13个晶格常数，小等边三角形5的边长为11个晶格常数。相邻a型微腔单元1、b型微腔单元2、c型微腔单元3的中心距离为1个晶格常数。如图2、图5所示，a型微腔单元1由一个a型正三棱台空气孔11与a型铌酸锂薄膜片12构成；如图3、图6所示，b型微腔单元2由一个b型正三棱台空气孔21与b型铌酸锂薄膜片22构成；如图4、图7所示，c型微腔单元3由一个c1型正三棱台空气孔31、一个c2型正三棱台空气孔32与c型铌酸锂薄膜片33构成。其中，a型正三棱台空气孔11、c2型正三棱台空气孔32是倒置的，b型正三棱台空气孔21、c1型正三棱台空气孔31是正置的，a型铌酸锂薄膜片12、b型铌酸锂薄膜片22、c型铌酸锂薄膜片33是由铌酸锂薄膜制成，所述铌酸锂薄膜厚度为270nm，所述铌酸锂薄膜的折射率设置为各向异性，具体参数为：n
x
＝2.21，n
y
＝2.13，n
z
＝2.21。
39.如图2、图3、图4所示，a型铌酸锂薄膜片12、b型铌酸锂薄膜片22、c型铌酸锂薄膜片33的横截面外形为菱形，所述菱形的集合构成2个正三棱柱的组合体，所述正三角形的边长为680nm，a型正三棱台空气孔11、b型正三棱台空气孔21、c1型正三棱台空气孔31、c2型正三棱台空气孔32分别位于所述正三棱柱的正中，a型正三棱台空气孔11、b型正三棱台空气孔21、c1型正三棱台空气孔31、c2型正三棱台空气孔32的三个侧面分别平行于所述正三角形的三个边。a型正三棱台空气孔11、b型正三棱台空气孔21、c1型正三棱台空气孔31、c2型正三棱台空气孔32的侧面的倾角为70
°
，a型正三棱台空气孔11、b型正三棱台空气孔21的上底边长为640nm，下底边长为300nm，c1型正三棱台空气孔31、c2型正三棱台空气孔32的上底边长为490nm，下底边长150nm。a型正三棱台空气孔11、b型正三棱台空气孔21、c1型正三棱台空气孔31、c2型正三棱台空气孔32是由所述铌酸锂薄膜刻蚀而成。
40.如图1所示，在所述可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的左侧箭头处放置一平面波源，向右激励波长为1500nm
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1600nm、功率为1w的横电模偏振脉冲光，在可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的右侧放置一监视器，可获得各个波长的透过率，并生成如图8所示的透射谱图、如图9所示的坡印廷矢量模场分布图。如图8所示的透射谱图中，有四个明显的谐振模，分别是第一谐振模301、第二谐振模302、第一谐振模303、第四谐振模304，其中第三谐振模303具有较优良的品质因子及透过率，其谐振波长为1567nm，品质因子为1412，第三谐振模303的场分布具有能量紧紧束缚在边界处的特点。
41.实施例二：
42.本实施例与实施例一基本相同，区别之处在于：如图11所示，在本实施例的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔加入特定外加缺陷，即所述三角区域的右下角c型微腔单元3向内侧方向移动u1＝u个晶格常数的距离，u≤5。所述三角区域的右下角c型微腔单元3移动后形成的新的c型微腔单元3的区域，其外侧依然是a型微腔单元1。
43.如图10所示，在本实施例的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的左侧箭头处放置一平面波源，在本实施例的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔的右侧放置一监视器。所述三角区域的右下角c型微腔单元3向内侧方向每移动1个晶格常数的距离，即向右激励波长为1500nm
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1600nm、功率为1w的横电模偏振脉冲光，进行一次测试实验，直至完成u1＝1个晶格常数、u1＝2个晶格常数、u1＝3个晶格常数、u1＝4个晶格常数、u1＝5个晶格常数等5次试验，而移动距离u1＝0时的试验数据取自实施例一。根据实验数据生成如图11所示的稳定性测试图，横坐标u为移动距离的晶格常数的数量，终坐标为波长，图11中圆点对应的是第三谐振模303的谐振波长，三角点对应的是其它谐振模的谐振波长，可以看到，在1550nm附近的第三谐振模303的谐振波长不随所述第一种特定外加缺陷的加入而发生偏移，且没有新的谐振模产生。
44.通过上述的实施例可以看出，对可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔加入特定外加缺陷，第三谐振模303的谐振波长几乎保持不变，第三谐振模303的附近没有出现新的谐振模，且第三谐振模303的场分布具有能量紧紧束缚在边界处的特点，这表明本发明的可在1550nm波长附近工作的光子晶体微腔能容忍一定程度的缺陷，产生的第三谐振模303具有良好的稳定性。
45.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。