几种典型光子晶体波导器件及应用*

金伟华，吕金光，王维彪，梁中翥，秦余欣，梁静秋

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033）

·大规模集成电路设计、制造与应用·

几种典型光子晶体波导器件及应用*

金伟华1，吕金光2，王维彪2，梁中翥2，秦余欣2，梁静秋2

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033）

光子晶体是一种周期性的人工微结构，由不同介电常数的材料在空间周期性排列构成。光子晶体具有光子禁带和光子局域特性，依据光子晶体结构设计和制作的二维光子晶体器件具有微型化、高集成度和性能优良的优点，在大规模集成光路和全光网络中具有十分重要的应用前景。重点介绍了几种典型的二维光子晶体器件的结构特点和应用，分析了设计与制作二维光子晶体器件过程中存在的一些关键问题与难点，并总结了该领域的研究进展和发展趋势。

光子晶体；二维光子晶体；波导；光子晶体器件；集成光学；光通信；全光网络

1 引言

自从1987年E.Yablonovich和S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体就得到了国内外学者的广泛关注和深入研究。光子晶体是一种周期性的人工微结构，由具有不同介电常数的材料在空间按照一定的方式周期性排列构成。光子晶体对电磁波的调制作用和半导体晶体中周期势场对电子的调制作用类似，当电磁波通过光子晶体时，光子晶体中有序排列的介电结构将会使电磁波发生布拉格散射，从而使光子晶体产生能带分裂，进而出现光子带隙。当电磁波的频率正好位于光子晶体带隙区域时，电磁波将会被晶体反射而不进入晶体。因此，光子能带之间的光子带隙能够使人们控制光子在光子晶体中的传输。光子带隙的产生及带隙宽度、带隙位置等性质与光子晶体的结构、介电常数差、填充比及介质的连通性等特征有关，产生条件较为苛刻。除了光子带隙外，光子局域是光子晶体的另一个重要特征。如果在光子晶体中产生介电缺陷或发生介电无序，光子晶体中的光子就会出现光子局域。当能带区域的一个光子经发射产生在晶体内，其将被定域化而无法逸出晶体。光子带隙中的缺陷态使得只有特定频率的电磁波可以在这个缺陷能级中传播。光子局域是光子晶体应用的重要特征。通过在光子晶体中引入缺陷和制造缺陷态的方式，可以制作各种类型的光子晶体功能器件。

光子晶体的特殊性质为人为控制电磁波的传播提供了可能，而随着对光子晶体特性研究的深入，人们发现在光子晶体内还存在着反常色散特性。近几年来，基于光子晶体负折射特性的研究，如超分辨聚焦、超分辨成像等功能应用也成为光子晶体的研究热点[1-2]。光子晶体还可以用于制作许多光学器件，例如波导器件[3-4]、耦合器件[5-6]、超棱镜[7-8]、光子晶体光纤[9]等，在光集成、光通信、全光网络等领域具有十分广阔的应用前景。

2 二维光子晶体及器件

根据不同介电常数的材料在空间排列方式的不同，光子晶体可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体是指在一维方向上不同介电常数的材料呈现有序排列的介电结构；二维光子晶体是指在二维空间上不同介电常数的材料呈现有序排列的介电结构；三维光子晶体是指不同介电常数的材料在三维空间上呈周期性介电结构。

2.1 二维光子晶体

由于三维光子晶体结构复杂，其制作难度较大，而二维光子晶体相比于一维光子晶体和三维光子晶体，其制作比较简单，且应用价值更高。在制作技术方面，DarrenFreeman等人采用聚焦离子束技术（FIB）制作了晶格周期为500nm、空气孔直径为300nm的二维三角晶格空气孔结构光子晶体[10]，如图1所示。

图1 二维三角晶格空气孔结构光子晶体

光子晶体除光子带隙与光子局域特性以外，电磁波在光子晶体帯隙外也具有一些新奇的传播特性。电磁波在光子晶体帯隙外的传播主要取决于光子晶体的反常色散特性。光子晶体的反常色散特性主要包括负折射效应、超棱镜效应等。光子晶体超棱镜具有极高的波长分辨率，可以达到普通棱镜的一百倍以上[11]。利用光子晶体的反常色散特性，可以制成波分复用器件，如图2所示。该二维光子晶体器件由两部分组成，左边为二维光子晶体超棱镜，主要用于电磁波的波长分解，右边为二维光子晶体波导，可以实现电磁波不同波长的频率输出，当电磁波通过光子晶体时会产生负折射效应。图3为Luo等人研究的二维正方晶格光子晶体对电磁波的负折射效应，可以看出点光源经二维光子晶体的负折射后在其近场得到相应的点像[12]。

图2 二维光子晶体波分复用器

图3 二维光子晶体负折射成像

2.2 二维光子晶体波导器件

二维光子晶体波导是最基本的光子晶体器件，因此二维光子晶体波导器件的研究是目前国内外研究的热点。目前位于红外波段的二维光子晶体的制备与可见光波段相比相对比较容易，并且位于红外波段的二维光子晶体器件处于通信波段，因此二维光子晶体器件在红外通信波段的研究是目前光子晶体器件研究的主要频段。二维光子晶体波导是通过在二维光子晶体中引入线缺陷得到的，线缺陷的引入有许多种方式，可以通过在介电材料的周期性排布结构中消除一行或几行介质孔或介质柱得到；也可以通过改变一行或几行介质孔或介质柱的形状、尺寸或位置等几何参数获得。Tetsuya Tada等人在硅基底上制作了二维正方晶格介质柱W1型光子晶体波导[13]，如图4所示。其中图4(a)是在光子晶体结构中去除了一行介质柱而获得的介电常数异常型的二维光子晶体波导；图4(b)是通过缩小一行介质柱直径而获得的结构异常型的二维光子晶体波导。图中二维光子晶体结构的晶格常数为490 nm，介质柱直径为120 nm，介质柱高度为120 nm，图4(b)中线缺陷介质柱直径为60nm。图4(c)为图4(b)结构异常型二维光子晶体波导的透射光谱，可以看出该二维光子晶体波导对于935 nm波长的光具有明显的透射特性。

图4 二维正方晶格介质柱W1型光子晶体波导

如果在二维光子晶体介电材料的周期性排布结构中引入三行线缺陷，便可以获得W3型二维光子晶体波导。中科院物理所韩守振等人在SOI（Silicon On Insulator）上利用刻蚀工艺制作了二维三角晶格空气孔结构W3型光子晶体波导器件[14]，并制作了脊型结构的输入波导和输出波导，从而实现电磁波在波导器件内的输入输出，如图5(a)所示。图中二维光子晶体结构的晶格常数为420 nm，空气孔直径为240 nm，样品总长度为0.3 mm。该光子晶体波导器件的透射光谱如图5(b)所示，可以看出该W3型光子晶体波导在1520 nm-1640 nm波段内有光出射，具有良好的传输性能。

图5 二维三角晶格空气孔结构W3型光子晶体波导

与传统的光学波导相比，光子晶体波导的优点在于在波导转弯处电磁波的传输损耗较低。由于光子晶体转弯波导是光子晶体功能器件的重要组成部分，因此降低光子晶体转弯波导的传输损耗，提高其电磁波传输效率是一项重要的研究内容[15]。IwanMarki等人制作了二维光子晶体90°直角转弯波导[16]，并进行了通光测试，如图6所示。测试结果表明该光子晶体90°直角转弯波导与输入、输出锥形波导整体的电磁波传输效率达到90%以上。

除了二维光子晶体直角转弯波导以外，Sanshui Xiao等人设计了两种二维光子晶体弧形转弯波导，分别为60°弧形转弯波导和180°U形转弯波导器件[17]，如图7所示。与直角转弯波导器件相比，弧形转角的波导器件可以使电磁波在较宽的波段内能够具有较低的传输损耗，从而提高电磁波的传输效率。

图6 光子晶体90°转弯波导及通光测试

图7 光子晶体60°和180°转弯波导

此外，二维光子晶体T分支波导和Y分支波导也是光子晶体波导重要的应用方向。光子晶体分支波导本身作为一种分束器，其在波分复用及干涉仪等方面有着十分广泛的应用[18]。Shanhui Fan等采用谐振腔设计了二维光子晶体T分支波导[19]，如图8 (a)所示。数值计算表明，该光子晶体T分支波导结构两臂的电磁波传输效率均高于49.5%。Daquan Yang等设计了二维光子晶体Y分支波导器件，该器件具有较高的带宽与较高的传输效率，在1472nm–1634 nm波段内，该二维光子晶体Y分支波导器件两个分支上电磁波的传输效率均高于45%以上[20]，如图8(b)所示。

图8 二维光子晶体T分支波导和Y分支波导

光子晶体波导可以对电磁波产生强烈的散射作用，形成形式比较复杂的驻波，大幅度降低电磁波在光子晶体波导中的传播群速度，即产生光子晶体慢光效应。相对于电磁自感透明、半导体材料载流子振荡以及光纤非线性效应等方法,光子晶体慢光效应对环境条件要求相对比较宽松，且具有集成度高的优点[21-22]。图9所示为Sara Ek等人所设计制备的二维光子晶体慢光波导。

图9 二维光子晶体慢光波导

2.3 二维光子晶体滤波器及波分复用器

二维光子晶体波导和谐振腔是二维光子晶体功能器件的基础，基于这两种器件的二维光子晶体滤波器[23-24]、耦合器[25]、波分复用器[26]等光通信或集成光学器件正开展广泛研究。而J.D.Joannopoulos等人对光子晶体谐振腔耦合模理论的完善，更是为各种光子晶体功能器件的设计提供了理论指导[27-28]。Shanhui Fan等人首先设计了基于二维光子晶体谐振腔和波导耦合的光子晶体滤波器[29]，其尺度在微米量级。AkihikoShinya等人利用二维光子晶体谐振腔和波导耦合作用设计并制作了三角晶格空气孔结构的二维光子晶体滤波器[30]，如图10所示。该二维光子晶体滤波器由两个平行排列的二维光子晶体波导和一个位于波导之间的光子晶体微腔组成。对于由入射波导输入的电磁波，符合光子晶体微腔谐振频率的电磁波可以通过光子晶体微腔，从而从出射波导输出；而不符合光子晶体微腔谐振频率的电磁波则从入射波导的另一端输出。

图10 二维三角晶格空气孔结构光子晶体滤波器

由于波分复用器件是光通信中的关键器件，因而基于光子晶体结构的波分复用器件是当前光子晶体研究领域中的一个热点方向。波分复用器的原理与滤波器类似，从根本上讲也可以认为是一种滤波器。Ahmed Sharkawy等人利用二维光子晶体谐振腔与波导间的耦合设计了多通道形式的二维光子晶体波分复用器[31]，如图11所示。该光子晶体波分复用器件共有六个波长信道，且单信道谱线的半峰宽为2nm，表明该二维光子晶体波分复用结构在整个通光频带内可以实现多通道分光。

图11 二维光子晶体波分复用系统

3 二维光子晶体器件制备技术

相对于三维光子晶体，二维光子晶体器件的制作简单，并可广泛应用于光通信、信息科学、光电集成等领域。对于微波波段和太赫兹波段的二维光子晶体器件，由于其工作波长较长，光学表面微结构的尺寸较大，因此可以使用精密机械加工的方法进行制备；但对于红外波段的二维光子晶体器件，由于其工作波长较短，光学表面微结构的尺寸较小，目前主要采用光刻和蚀刻技术进行制备。

为了实现足够宽的光子带隙，光子晶体器件的材料在使用波段范围内应该具有较高的折射率和较小的吸收系数。而许多半导体材料在红外波段具有较高的折射率和较小的吸收系数，因此可以选择合适的半导体材料作为光子晶体器件的制备材料。光子晶体器件所使用的半导体材料主要有Si、Ge、SiO2、SOI（Silicon On Insulator）、Ⅲ-Ⅴ族化合物（如GaAs）等，另外一些金属材料及有机材料（如PMMA等）也是制备光子晶体器件的常用材料。

基于半导体材料的二维光子晶体器件的制备工艺主要是光刻工艺和蚀刻工艺，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）、电子束直写（Electron Beam Lithography，EBL）等光刻曝光工艺。而蚀刻工艺主要采用感应耦合等离子体刻蚀（Induction Coupling Plasma,ICP）、电子回旋共振等离子体刻蚀（Microwave Electron Cyclotron Resonance,ECR）、反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching,RIE）等干法刻蚀工艺[32-33]。这些工艺都具有较高的制作精度，且工艺相对比较成熟。干法刻蚀工艺是目前二维光子晶体器件制备的主要工艺手段，可以满足红外波段二维光子晶体器件的结构精度要求。Lidroikis E等人使用深紫外光刻配合干法刻蚀技术制备了二维光子晶体器件[34]，如图12所示。

图12 使用DUV光刻与干法刻蚀制作的二维光子晶体器件

聚焦离子束刻蚀（Focused Ion Beam,FIB）是另一种二维光子晶体器件制备工艺，它是一种直写干法刻蚀工艺，利用聚焦的高能离子束对材料表面进行加工。聚焦离子束刻蚀不需要昂贵的掩模版，无需曝光过程，直接在基底上利用聚焦离子束刻蚀出二维光子晶体图形结构，具有极高的结构精度。但是，聚焦离子束刻蚀工艺是将高能的离子束聚焦在基底表面，通过逐点刻蚀获得表面结构，制备效率较低。此外，采用聚焦离子束刻蚀工艺对表面面积比较大的二维光子晶体器件进行加工时，需要通过拼接处理获得大面积表面结构，容易引入因拼接而导致的位置误差，降低了结构精度。总的来说，聚焦离子束刻蚀工艺可以保证二维光子晶体器件的制作精度要求，虽无法用于大规模生产，但是一种非常适于科研试验的光子晶体器件制备工艺。

4 结束语

通过对光子晶体器件现阶段的研究进展进行综述，介绍了光子晶体波导、光子晶体滤波器及光子晶体波分复用器等光子晶体器件具有微小的体积、较高的集成度以及优异的光学性能，是光通信、光集成及全光网络应用中的理想光学器件。然而，光子晶体器件在存在性能优势的同时，也因极小的体积使得其在装配及测试方面还面临着一些亟待解决的问题。首先，光子晶体器件的尺寸大多为电磁波的波长量级，这使得其通光孔径极小，从而将电磁波从光源高效的耦合到光子晶体器件内部具有很高的难度。因此能够实现高效光接入的光耦合器件的设计和制作对于光子晶体器件的实际应用具有十分重要的意义。其次，在进行光子晶体器件的实际应用过程中需要将光子晶体器件与其他传统的光学器件连接在一起，因此光子晶体器件与传统光学器件之间的高效耦合对于光集成具有较为重要的意义。最后，在光通信、光集成及全光网络等应用方面，需要将不同功能的光子晶体器件集成到同一芯片上，而光子晶体功能器件间的通光孔径难以做到完全相同，所以不同通光孔径的光子晶体器件之间的光学互连问题也是光子晶体器件实际应用过程中亟待解决的问题。

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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

国家自然科学基金(60877031)

金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。

2016-11-23