近红外波段二维平板光子晶体多功能器件的集成研究

随着微纳米加工技术的发展，二维平板光子晶体成为小型化全光集成的重要平台。通过在平板内引入点、线缺陷等人工缺陷态，经合理的优化设计，可以实现高传输效率的二维平板光子晶体功能器件，如：光子晶体波导、方向耦合器和滤波器等。组建光子集成回路时，一般需要实现多种功能，必然涉及不同器件的集成。然而，已经优化的单功能器件经简单集成后，集成性能往往会退化，导致传输效率降低，因而多功能器件的结构优化是必须的。本项目将研究近红外波段二维平板光子晶体多功能器件的集成。将在理论和实验两方面开展研究工作。首先将结构优化的二维光子晶体单模波导与多模波导、拐弯波导与方向耦合器、波导与能带色散器件等分别集成，利用耦合模理论和时域有限差分等相结合的方法，对集成器件进行结构优化设计，得到高效率传输的多功能器件。实验上利用电子束曝光等方法制备相应结构的多功能器件，并测量其光学特性。本项目的成功将推动二维平板光子集成回路研究。

本项目根据预定的研究内容和研究目标，在二维平板光子晶体滤波器、二维平板光子晶体空气槽纳米腔、光子晶体的自准直效应、具有单向传输和分束特性的光子晶体二极管等多种功能光子集成器件方面取得了较好的结果。通过结构优化设计，对于由单模波导和微腔组成的二维平板光子晶体双端口滤波器，引入封闭波导作为反馈方式，在实验上取得了40%的滤波效率；为了提高单模光纤与光子器件的耦合效率，考虑多模波导和单模微腔的耦合，在实验上实现了近红外波段高效率传输的二维平板光子晶体W3-Y型四通道选频滤波输出；通过优化腔区和背景区之间的空气孔半径引入Taper结构，在近红外波段实现了高Q/V值的二维平板光子晶体空气槽纳米腔；在腔区引入椭圆形空气孔，通过调节椭偏率和旋转角，在几乎整个mode-gap区实现了频率连续可调谐的光子晶体空气槽纳米腔；通过优化异质结界面处的光子晶体结构，在较宽的频带内使硅基二极管的单向传输率提高了20%左右；对于硅基金属型正方晶格光子晶体，通过引入不同的异质结结构，实现了入射光光束的单向传输和分束的多功能特性。本项目组成员在Optical Materials, Chinese Physics B, Chinese Science Bulletin, Optics Express, Optics Communications等学术刊物上共接受和发表论文19篇，其中SCI收录16篇，EI收录1篇。