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一种二维 硅基 光子晶体线 缺陷慢光波导装置

阅读：345发布：2024-01-04

专利汇可以提供一种二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于光学设备制造技术领域，涉及一种二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，二维硅片的表面上沿二维硅片的硅片长边的方向顺序排列刻蚀制有单轴对称圆弓形散射元，二维硅片的对称轴处留有一排没有刻蚀制有单轴对称圆弓形散射元而形成线缺陷；相邻的单轴对称圆弓形散射元的中心在二维硅片的表面上呈等边六边形排列，单轴对称圆弓形散射元为两个半圆缺对合构成；二维硅片上分别依次排列挖制的单轴对称圆弓形散射元为通透结构；线缺陷的方向与单轴对称圆弓形散射元的长轴方向平行；其结构简单，体积小，成本低，稳定性高，效率高，简单易行，群折射率高，慢光带宽大，信号保真好，可广泛应用于太阳能光电转换和光子晶体发光技术领域。，下面是一种二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，其特征在于主体结构包括二维硅片、单轴对称圆弓形散射元、线缺陷、硅片长边和硅片短边；长方形结构的板状二维硅片的表面上沿二维硅片的硅片长边的方向顺序排列刻蚀制有以二维硅片中心线为对称轴的6-10排单轴对称圆弓形散射元，二维硅片的对称轴处留有一排没有刻蚀制有单轴对称圆弓形散射元而形成线缺陷；每排单轴对称圆弓形散射元上等间距挖制有固定结构排列的90-100个单轴对称圆弓形散射元；相邻的单轴对称圆弓形散射元的中心在二维硅片的表面上呈等边六边形排列，六边形的边长等于晶格常数，晶格常数由光的工作波长确定，工作波长为
1550nm，晶格常数为300～350nm；单轴对称圆弓形散射元为两个半圆缺对合构成，其长轴半径都为b，短轴半径分别为c1和c2，两个短轴半径c1和c2能够变化；二维硅片上分别依次排列挖制的单轴对称圆弓形散射元为通透结构；线缺陷的方向与单轴对称圆弓形散射元的长轴方向平行；单轴对称圆弓形散射元的两个面的圆弓形用偏离度e1和e2表示，其中e1=1-c1/b，e2=1-c2/b，渐变结构根据参数e1、e2的不同取值，e1和e2的取值范围都为0～1。
2.根据权利要求1所述的二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，其特征在于实现慢光效应时，采用常规的计算机系统控制，红外光由光源发出后产生脉冲信号，脉冲信号通过偏振器后变成线偏振光进入偏振分束器，再将脉冲信号的其中一路直接用光纤进入功率放大器，另一路通过光纤透镜准直聚焦引入到二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，脉冲信号经过二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置后，使用光纤透镜将出射光耦合进入光纤中，然后再进入功率放大器；功率放大器对接收的两路信号进行放大后通过光电二极管将脉冲信号转换为电信号，再将转化后的电信号输入网络分析仪；然后对两路信号的相位在计算机系统上进行比较，得出其包络的相位差，排除其他干扰因素，得到光在光子晶体慢光波导装置中通过时产生的相位变化，从而计算出慢光效应。

说明书全文

一种二维硅基 光子晶体线 缺陷慢光波导装置

技术领域：

[0001] 本发明属于光学设备制造技术领域，涉及一种高群折射率、单轴对称、圆弓形散射元构成的二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导结构，特别是一种二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置。背景技术：

[0002] 慢光效应是电磁波具有比光速低很多的群速度，光子晶体慢光结构由于其结构微小紧凑、传输损耗少和室温运行等特点，在实际应用中具有无可比拟的优势。现有的光子晶体慢光波导主要有线缺陷波导和点缺陷耦合波导两种形式，线缺陷波导中的光波群速度一般较大，但色散相对较小；点缺陷耦合波导可以实现较小的群速度，但其色散较大。目前，多数研究集中于获得较低的群速度、色散较小的结构：一是对线缺陷波导通过增加或减少线缺陷的宽度，在线缺陷中间加平行缝隙，调整空气孔的半径，引入啁啾波导或异质结构，将靠近线缺陷的两排空气孔沿波导方向平移等方式；二是对点缺陷耦合波导通过调整微腔半径，在调整微腔半径同时调整其周围空气孔的半径，改变相邻微腔的距离或双缺陷微腔，同时改变缺陷柱半径及其周围介质柱的位置等方法；还有些研究将两种缺陷模式结合起来，如在线缺陷波导中引入高品质因数Q的多个微腔或者单一量子点微腔等。但是，上述研究方法集中在结构的周期性排列方面，所采用的散射元主要是圆柱形散射元，只有少量研究改变了散射元的形状，更极少用到单轴对称的散射元结构，而获得有效群折射率也多为光速的十几分之一或者几十分之一，这些结构适用于光学延时线和缓冲器等信息处理技术领域。对于应用于激发荧光和促进光电转换等领域的慢光结构和应用于信息传输的慢光波导的要求不同，传输光信息的慢光结构要求信号保真传输，必须有效地减少色散；应用于激发荧光发光和促进太阳能光电转换领域的慢光结构，主要是能量传输和转化，追求的是低群速度（高的群折射率），而较少考虑色散方面的问题。

[0003] 单轴对称散射元是光子晶体结构的一种新发展，为了优化禁带和慢光的关系，单轴对称散射元增加了散射元的结构参数，并打破了它原来对称形散射元的模式，将结构由双轴对称改为单轴对称，目前这方面的研究尚未间有报道。现有的研究已证明，高群折射率的慢光结构可以激发荧光用于各种高效照明，而有慢光效应的多层结构，可以极大增长光在结构中的传播时间，从而提高光电转化效率和促进太阳能的利用。所以，如果单轴对称散射元构建的线缺陷波导能实现高群折射率，就可以应用于激发荧光和促进太阳能光电转换等领域。单轴对称散射元构建的线缺陷波导具有参量多、体积很小、易于制作和集成等优点，可以通过设计结构来控制慢光效果，工作环境没有特殊要求，可以在常温下工作，便于与光纤系统耦合匹配等。因此，寻求设计一种高群折射率、单轴对称、圆弓形散射元构成的二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，带动荧光发光和太阳能光电转换应用等方面的突破，为慢光在能量转化和吸收等领域提供新的结构和方向，具有重要的现实应用价值。发明内容：

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种具有高群折射率、单轴对称、圆弓形散射元构成的二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，带动荧光发光和太阳能光电转换应用等方面的突破，为慢光在能量转化和吸收等领域提供新的结构和方向，实现高群折射率的慢光效应，使光的群速度降低，可应用于提高太阳能光电转换或光子晶体发光效率等多个领域。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的主体结构包括二维硅片、单轴对称圆弓形散射元、线缺陷、硅片长边和硅片短边；长方形结构的板状二维硅片的表面上沿二维硅片的硅片长边的方向顺序排列刻蚀制有以二维硅片中心线为对称轴的6-10排单轴对称圆弓形散射元，二维硅片的对称轴处留有一排没有刻蚀制有单轴对称圆弓形散射元而形成线缺陷；每排单轴对称圆弓形散射元上等间距挖制有固定结构排列的90-100个单轴对称圆弓形散射元；相邻的单轴对称圆弓形散射元的中心在二维硅片的表面上呈等边六边形排列，六边形的边长等于晶格常数，晶格常数由光的工作波长确定，工作波长为1550nm，晶格常数为300～
350nm；单轴对称圆弓形散射元为两个半圆缺对合构成，其长轴半径都为b，短轴半径分别为c1和c2，两个短轴半径c1和c2能够变化；二维硅片上分别依次排列挖制的单轴对称圆弓形散射元为通透结构；线缺陷的方向与单轴对称圆弓形散射元的长轴方向平行；单轴对称圆弓形散射元的两个面的圆弓形用偏离度e1和e2表示，其中e1=1-c1/b，e2=1-c2/b，渐变结构根据参数e1、e2的不同取值，e1和e2的取值范围都为0～1。

[0006] 本发明装置的群折射率ng和色散的关系由公式（1）表示：

[0007]

[0008] 其中neff是群有效折射率，c为光速，vg群速度，k是波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，k=2πneff/λ，λ为工作频率的波长；对慢光的ng＞＞neff条件下，由公式（1）得到公式（2），

[0009]

[0010] 其中归一化频率f表示为f=ωa/2πc，由于对色散的要求不高，ng的值保持相对稳定。

[0011] 本发明实现慢光效应时，采用常规的计算机系统控制，红外光由光源发出后产生脉冲信号，脉冲信号通过偏振器后变成线偏振光进入偏振分束器，再将脉冲信号的其中一路直接用光纤进入功率放大器，另一路通过光纤透镜准直聚焦引入到二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置，脉冲信号经过二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置后，使用光纤透镜将出射光耦合进入光纤中，然后再进入功率放大器；功率放大器对接收的两路信号进行放大后通过光电二极管将脉冲信号转换为电信号，再将转化后的电信号输入网络分析仪；然后对两路信号的相位在计算机系统上进行比较，得出其包络的相位差，排除其他干扰因素，得到光在光子晶体慢光波导装置中通过时产生的相位变化，从而计算出慢光效应。

[0012] 本发明与现有技术相比，其结构简单，体积小，成本低，稳定性高，效率高，简单易行，群折射率高，慢光带宽大，信号保真好，可广泛应用于太阳能光电转换和光子晶体发光等多个技术领域。附图说明：

[0013] 图1为本发明的主体结构原理示意图。

[0014] 图2为本发明涉及的单轴对称圆弓形散射元的结构原理示意图，其中b为散射元长轴；c1和c2分别为散射元短轴。

[0015] 图3为本发明装置实现慢光效应的光路结构原理示意图，包括计算机系统a、光源b、偏振器c、偏振分束器d、二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置e、功率放大器f、光电二极管g和网络分析仪h。

[0016] 图4为本发明的实施例中归一化频率f和波数k的关系曲线图，其中，e1=0.3不变，e2从0.1到1.0变化。具体实施方式：

[0017] 下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

[0018] 实施例：

[0019] 本实施的主体结构包括二维硅片1、单轴对称圆弓形散射元2、线缺陷3、硅片长边4和硅片短边5；长方形结构的板状二维硅片1的表面上沿二维硅片1的硅片长边4的方向顺序排列制有以二维硅片中心线为对称轴的6-10排单轴对称圆弓形散射元2，二维硅片1的对称轴处留有一排没有刻蚀圆弓形散射元形成的线缺陷3；每排单轴对称圆弓形散射元
2上等间距挖制有固定结构排列的90-100个单轴对称圆弓形散射元2；单轴对称圆弓形散射元2的中心在二维硅片1的表面上呈等边六边形排列，六边形的边长等于晶格常数，晶格常数由光的工作波长确定，工作波长为1550nm，晶格常数为300～350nm；单轴对称圆弓形散射元2为两个半圆缺对合构成，其长轴半径都为b，短轴半径分别为c1和c2，两个短轴半径c1和c2能够变化；二维硅片1上分别依次排列挖制的单轴对称圆弓形散射元2为通透结构；线缺陷3的方向与单轴对称圆弓形散射元2的长轴方向平行；单轴对称圆弓形散射元2的两个面的圆弓形用偏离度e1和e2表示，其中e1=1-c1/b，e2=1-c2/b，渐变结构根据参数e1、e2的不同取值，e1和e2的取值范围都为0～1。

[0020] 本实施例实现慢光效应时，采用常规的计算机系统a控制，红外光由光源b发出后产生脉冲信号，脉冲信号通过偏振器c后变成线偏振光进入偏振分束器d，再将脉冲信号的其中一路直接用光纤进入功率放大器f，另一路通过光纤透镜准直聚焦引入到二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置e，脉冲信号经过二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置e后，使用光纤透镜将出射光耦合进入光纤中，然后再进入功率放大器f；功率放大器f对接收的两路信号进行放大后通过光电二极管g将脉冲信号转换为电信号，再将转化后的电信号输入网络分析仪h；然后对两路信号的相位在计算机系统a上进行比较，得出其包络的相位差，排除其他干扰因素，得到光在光子晶体慢光波导装置中通过时产生的相位变化，从而计算出慢光效应。

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