高折射率差超结构光器件

第1章绪论 1.1高折射率差超结构的研究意义 利用光来传递信息，不但速度快，而且抗干扰能力强，以之为载体的光通信技术一直是人们关注和研究的重要课题。光通信系统可达到相当大的带宽和容量，且具有比较低廉的制造成本，其作为宽带通信的基础之一和信息传输技术的支撑平台，在未来信息社会中将发挥越来越重要的作用。人们对信息需求的日益增长，使光通信系统在整个通信网络中的应用范围更加广泛，且推动着光通信系统相关应用技术不断地发展。近年来，光纤信道的单波长信息传输速率正向着Tbit/s的数量级不断接近，光传送网已逐渐成为各国传送网络的主体。光通信技术已从单纯的光纤通信发展到全光网络技术，人们期望着光通信系统向质量更高、可靠性更强、传输距离更长的方向发展。 面对通信业务对网络带宽和速率提出的越来越高的要求，光电器件作为构建光通信系统和网络的物理基础的光通信器件，其性能的改善一直是业界不断研究的焦点。随着光通信器件的快速发展，光电系统的大规模集成日益成为需要重点解决的问题。传统的光电子器件由于结构尺寸、加工工艺等各种限制因素，已经很难满足光通信和集成光路对光器件的需求。基于新型微纳超结构的光器件具有体积小、功能强、效率高等优点，为新一代光信息技术的发展提供了一种很好的解决方案。 在过去的几十年中，人们对亚波长周期结构及其应用进行了广泛的研究，特别是其周期垂直于光的入射方向的结构。其中微纳尺寸的高折射率差一维介质光栅，称为髙折射率差光珊（sub-wavelength high contrast grating或者high contrast grating，HCG)，该结构以及其二维变化，现在都被普遍称为高折射率差超结构(HCM)W。这种结构在整个微纳结构领域引起了广泛关注。高折射率差光栅具有这样的特征：其一，光栅的周期要小于入射光波长；其二，光栅材料的折射率与周围介质的折射率相差很大。由于高折射率差和亚波长超结构，高折射率差光栅不仅具有宽光谱范围的高反射、高透射特性，还具有偏振选择、谐振滤波、光束整形等特性。由此，利用亚波长高折射率差光栅可以设计成宽光谱反射镜，替代了传统结构复杂的分布式布拉格反射镜（DBR)。在不同的设计条件下，髙折射率差光栅可以设计为具有超高品质因子的光谐振器、偏振分束器、滤波器耦合器等。除此之外，亚波长高折射率差光栅还具有波前相位控制特性通过改变光栅结构参数来控制相位的变化，从而控制光束的方向，实现光束会聚、光束偏转特性。 高折射率差超结构是目前很有前途微纳光电器件的候选之一。其作为一种新型微纳结构，已经广泛地应用在高性能光电子器件中，尤其是，当高折射率差光栅釆用纳米尺寸及特殊图案，甚至非周期结构时，会产生新的物理现象及新的光学特性。这种微纳超结构的产生将有助于高性能光电子器件的发展，并且推动包括高速光通信、光网络在内的多领域器件的革新与升级。另外，纳米制备和纳米加工技术的发展，特别是电子束光刻的应用，大大降低了纳米尺度光栅结构的制作复杂性，使得其与多种半导体光学器件的集成成为可能，并且有望在光学传感、高速光通信、光电子集成电路等方面引发科学技术变革。 1.2高折射率差超结构的研究进展 光栅这种超结构，是一个历史悠久的研究课题，已经经历200多年了，它也是光学器件中的基本元件之一。根据光栅结构的周期与工作波长的关系，其可以分为三个区域：①当周期远大于工作波长时是光栅衍射区域；②当周期与工作波长几乎相等时是深亚波长区域；③当周期远小于工作波长时是亚波长区域。2004年，美国加州大学伯克利分校Chang-Hasnain课题组提出了一种新型的单层亚波长光栅[3]，如图1.1(a)所示。其在500nm光谱范围内都能达到98.5%的反射率'如图1.1(b)所示。紧接着，该课题组提出了另一种结构的亚波长光栅超结构。该结构是由高折射率材料（一般为硅）作为光栅层，其光栅块完全被周围的低折射率材料（空气或者二氧化硅）完全覆盖，被称为高折射率差光栅。高折射率差光栅重要的结构参数分别为光栅周期、占空比和光栅层厚度。通过改变这三个参数来控制光栅的光学特性。 1.2.1高折射率差光栅反射镜 高反射率、宽带反射镜是光电子器件中*普遍的元件之一，广泛用于半导体激光器、光滤波器、光探测器、耦合器、可调谐光器件等光电器件中。实现高反射率、宽带反射镜的方法有多种，常用的方法有金属材料实现反射镜、利用多层介质材料实现DBR。金属反射镜可以实现宽带反射，但是金属材料具有较大的吸收损耗，以至于不能达到99%这样的高反射率。DBR由多层周期性的折射率可变的介质材料交替组成，可实现宽带高反射特性，然而，在保证晶格匹配的情况下，还需要数对结构才能实现高反射率，这在工艺上增加了很多难度。相比之下，高折射率差光栅结构简单、制备工艺简单，是实现高反射率、宽带反射镜的理想选择。其实现高反射特性的物理原理如下：当入射光垂直照射在光栅表面时，可以将光栅看作短平面波导的阵列。入射波激发了多个模式，其中前两个模式是*重要的，髙阶模式都以倏逝波的形式传播。这两种模式在光栅内以一定传播速度传输，主要是由光栅条宽度、空气隙和折射率确定的。当光栅厚度设计合适时，这两种模式之间相长干涉或相消干涉，可以使高折射率差光栅具有高透射性或高反射性。当光栅的厚度合适时，其对工艺上的不均匀性和缺陷具有一定的容忍性。 近年来，高折射率差光栅反射镜也取得了瞩目的成就，对光通信器件的发展起了很大的作用。2004年，美国加州大学伯克利分校的Huang和Chang-Hasnain等首次利用高折射率差光栅成功地设计和制作了宽带高反射镜。2010年该研究组的Lu等又提出了基于非周期高折射率差光栅的光束会聚反射镜，如图1.2(a)所示：光栅结构呈中心对称，设定光栅的厚度为1.2光栅条的宽度变化范围为0.25～0.75um，空气隙的变化范围为0.1～0.6um0仿真结果表明，如图1.2(b)所示，高折射率差光栅对反射光束进行控制，对透射光束也有类似的作用，反射光束和透射光束分别会聚。 2010年，美国惠普实验室Fattal等利用高折射率差光栅的光束会聚、高反特性，成功地制备了1550nm波长下焦距为17.2mm的平面形、圆柱形、球形的具有会聚特性的非周期高折射率差光栅反射镜。经测试，得到80%～90%的反射率，如图1.3所示。 2011年，丹麦技术大学Clmng课题组利用非周期波前相位控制原理，提出了具有光束偏转的高折射率差光栅反射镜[18]。在高反射区域选择满足光束偏转的相位分布的光栅参数，依次排列组合成非周期高折射率差光栅，实现光束偏转，其偏转角度大约为6°，如图1.4所示。 2015年，Chimg教授研究组又完成了二维偏振不敏感高折射率差光栅的制备以及实验测试。他们指出，在带宽192nm(1458～1650nm)范围内依然可以保持高反射率（>99%)，在电子束曝光和干法刻蚀过程中，光栅的厚度和宽度有士20nm容差范围，光栅的周期有士30nm容差范围。图1.5(c)是TM波入射时，反射率的仿真结果与测试结果对比图，说明实验结果与理论仿真相符合。图1.5(d)分别是0°(TM)、45°(混合波)、90°(TE)线偏振光入射到二维高折射率差光栅上的反射率，三条线基本重合，说明了二维高折射率差光栅的偏振不敏感性。 国内方面，北京大学周治平教授课题组提出了二元闪耀光栅反射镜，该反射镜由高折射率差SOI材料构成，通过二元闪耀光栅层的非均匀形状调制，在1.2～1.7pm波长范围内，实验测得其反射率大于96%。图1.6(a)为二元闪耀光栅反射镜的扫描电子显微镜（SEM)图，图1.6(b)是理论结果和实验结果，可以看出其宽光谱高反射特性。 1.2.2高折射率差光栅偏振分束器 偏振分束器能够将输入光分成两个正交的偏振态，并沿着不同方向传播，广泛用于光通信、光纤传感、光探测等领域。偏振分束器的一个主要应用是基于偏振分集技术的集成光路，如图1.7所示。自光纤输入的任意偏振态光，在偏振分束器的作用下，分为两个正交偏振分量，分别在不同波导臂中传输，并由偏振旋转 图1.7包含偏振分束器的偏振分集光路示意图