[发明专利]平面光延迟器的设计方法及结构

说明书

技术领域

本发明属光通讯技术领域，具体涉及一种平面光延迟器的设计方法及结构。

背景技术

随着信息和通讯技术的迅速发展，光延迟器已日益被广泛应用在光信号处理、光通讯等诸多方面。而光子晶体已被证明是适合做光延迟器的一种合适的材料。目前已经报道的光子晶体作光延迟器有：Scalora等人第一次报道了用30个周期的一维光子晶体来做光延迟器，它能使光速减小到1.67×10⁷米/秒(Ultrashort pulse propagation at thephotonic band edge：Large tunable group delay with minimal distortion and loss，M.Scalora等，PHYSICAL REVIEW E VOLUME 54，NUMBER2，AUGUST 1996)。最近Zhu等人研究了用有缺陷的一维光子晶体来做光延迟器(Time delay of light propagation throughdefect modes of one-dimensional photonic band-gap structures，Shi-yao Zhu等，OpticsCommunications 174(2000)139-144，15 January 2000)，但是这种延迟器只能在很窄的频谱范围内，所以它的传输速率受到很大的限制。因此它们在高速光通讯中并不实用。

发明内容

本发明的目的是研制一种结构简单，与硅平面工艺兼容并且具有较宽的频谱范围，能够应用在高速光通讯中的平面光延迟器。

本发明提出的平面光延迟器的设计方法，是基于光子晶体理论设计，其中根据传输矩阵的方法设计周期性的多层膜系，然后在膜系中间加入多个光学厚度与周期层厚度不同的其他膜层，从而引入多个缺陷层；调节缺陷层的参数，使得局域态对应的共振透射峰的波长刚好是工作波长λ₀，利用各个缺陷态之间的相互耦合，使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽；上述设计中，多层膜系的两端分别为2-3个周期正常膜系，而在膜系的中间则为N+1个缺陷层和KN个正常膜系交替的结构，缺陷层的光学厚度与周期层的不同或是沉积一层与周期层材料不同的膜层，K为两缺陷层之间正常结构周期数，K≥4，N为缺陷层个数，N取5～200。

设计工作的第一步是设计出对于正入射的情况下，具有较大禁带宽度的高反膜系，其禁带中心波长为工作波长λ₀。这种高反膜系是周期性的多层膜，例如可以采用典型的λ₀/4膜系，即每一周期中的每一层的光学厚度都是λ₀/4。经过此步设计出的多层膜可以认为是有限周期的一维光子晶体。

第二步是引入多个缺陷，利用缺陷之间的相互耦合，从而使得透射峰在很大的频谱范围内被展宽。根据光子晶体的理论可知，局域态的出现在透射谱上表现为在某一特定波长处透射率出现尖峰，这是光对缺陷层的共振透射引起的；在实际操作上，缺陷的引入可以通过在光子晶体中加入一层光学厚度与其他层不一致的膜层，例如变化其中某一层的厚度或沉积一层其他材料的膜层。在这里利用多个缺陷之间的相互耦合，缺陷层的厚度和数量的确定要经过多次的尝试。最终的结果应使得透射峰在某一中心频率υ₀很大的频谱范围内被展宽。

第三步确定缺陷层的厚度和数量，以及两缺陷层之间正常结构的周期数。首先，研究不同的厚度的缺陷对透射峰带宽的影响。发现，当缺陷层的厚度越来越小时，透射峰的频谱范围越来越宽，也就是说，当厚度减小时，光延迟器的性能越来越好。其次，研究不同数量的缺陷对透射峰的影响。当缺陷数量增加时，透射谱上峰的个数会增多，当峰的个数增加到一定程度上时，透射谱上会形成一个平台，此时形成一个带。当缺陷层数量越来越多时，光延迟器的性能越来越好。但是，现实的工艺条件以及实际的需要往往限制了缺陷层的具体的个数。最后，我们研究了两缺陷层之间正常结构的周期数与透射谱之间的关系。当两缺陷层之间正常结构的周期数少于4时，透射谱由一个带逐渐褪变为一条弧，进而变成分离的一些峰。所以，要得到性能好的光延迟器必须使两缺陷层之间正常结构的周期数不少于4，一般可取4～8。为了保证工艺的简单可行性，总的周期数要比较小，所以通常可采用两缺陷层之间正常结构的周期数为4的结构。多层膜可采用多晶Si层和非晶SiO₂层，多晶Si和非晶SiO₂的周期数一般为32～1000。