基于光子晶体异质界面优化的高效非对称光传输
摘要
诸如光学二极管之类的非对称光传输部件引起了对单向光传播能力的极大兴趣。上述设备非常理想的关键性能是高单向性，宽操作带宽和小规模。在本文中，我们提出了一种基于硅的二维气孔光子晶体中非对称光传输元件的有效设计。通过在异质结构界面上引入锥形结构，优化的光子晶体结构的正向透射率几乎在整个频率范围（0.18-0.261c / a）内比原始结构的正向透射率大大增加。同时，优化结构的峰值透射率增加约68.3％，从28.4％变为47.8％。而且，所设计的光学装置可以有效地用作单向相等的分束器，并且可以仅在一个结构中同步地实现多个功能，这在复杂的光学集成电路中是重要的。
- 介绍
作为一种新型光子器件，非对称光传输元件，如光电二极管，由于具有单向光传输功能，在光学计算和光学集成电路领域具有巨大的潜在应用，因此受到了广泛的关注，类似于电子电路中的二极管。光子晶体（PC）[1,2]是具有光子带隙和通用能带结构的人造周期性纳米结构，可用于构建柔性光子器件。根据以上考虑，已经致力于研究两种PC不对称的研究基于互易和非互易结构的光传输组件。非互易设计通常使用磁性或非线性PC，这打破了时间反转对称性[3-10]。然而，由于相对较小的非线性敏感性和传统波导材料中的磁光系数，需要强大的外部光功率或磁场来实现非互易光学二极管，这限制了它们在芯片上的实际集成。
因此，基于PC的相互不对称光传输组件已经引起越来越多的关注，并且近年来已经提出了各种方案[11-20]。特别是，二维（2D）硅PC板被认为是片上集成的理想平台，因为它与传统的CMOS工艺具有良好的兼容性，并且使用成熟的微制造技术更容易制造。因此，基于硅片的PC非对称光传输元件是重要的集成器件，许多研究人员从事相关工作，Lu等人[16]实验性地在2D PC异质结构中实现了具有破碎空间反转对称性的纳米级高对比度全光二极管。王等人[17]报道了硅PC平板中的单向片上光二极管，并通过实验实现了大约25％的正向传输效率。Ye等人[18]提出了一种用于硅PC平板波导中的互易光学二极管的紧凑宽带设计，其实现了大约40％的前向传输效率和0.01c / a的操作带宽。P. Anderson等[20]证明了蜂窝状晶格膜PC设计，具有单向螺旋边缘状态，可在1550 nm的电信波长附近工作，实际工作带宽约为55 nm。
实际上，追求更好的性能是器件的实际应用的重要目标，并且非常需要具有高单向性和宽操作带宽的紧凑不对称光传输部件。因此，设备的优化设计是必要的。在优化过程中，锥形结构的引入是解决不同形状的入射和出射波导模式之间强烈不匹配的典型有效解决方案[21-24]。当光通过非均匀PC异质结构界面时，通常的不对称光透射结构也会遇到类似的问题，类似于论文[16]和[17]中提到的那些。当在异质结构界面上引入具有适当设计的锥形结构时，期望通过非均匀PC界面的绝热模式变换实现有效的光传输。因此，在优化之后可以获得具有更好性能的不对称光传输组件。
在本文中，我们提出了一种基于硅的二维气孔PC中非对称光传输组件的有效设计。通过在异质结构界面上适当引入锥形结构，在宽带宽下实现了具有高正向透射率的紧凑PC非对称透光元件，而后向透射率几乎不变。此外，所设计的PC结构还可以有效地用作单向等光束分离器。因此，多功能PC设备可以仅在一个PC结构中同步实现，这可能潜在地应用于未来复杂的光学集成电路中。尽管所提出的设计是在理想的2D硅中实现的，但是在实际的硅PC板中实现这样的设计也是可行的。
本文的结构如下。在第2节中，我们介绍了我们的PC异质结构的原始设计，并从理论上研究了单向光传输特性。第3节显示了具有单/双异质界面的优化设计。将相应的光学特性与原始结构进行比较。最后，第4节给出了总结。
图1.（a）PC1（r = 0.15a）和（b）PC2（r = 0.40a）的TE极化带结构。下虚线表示PC2的Delta;-X方向带隙（0.18c / a）的底部频率，上虚线表示PC2的Delta;-M方向通带（0.261c / a）的最高频率。
图2.原始异质结构示意图由两个方格式PC（表示为PC1和PC2）组成，其中不同的气孔浸没在硅背景中。红色虚线表示PC1和PC2的异质界面。
- 原始PC异质结构及其光学性质
首先，我们考虑一个二维方格PC异质结构，该异质结构由浸入硅背景中的不同半径的气孔组成。PC的晶格常数的长度被描述为“a”，并且近红外光的背景硅的折射率被设定为3.45
大约1550纳米。构成光子晶体异质结构的PC1和PC2的气孔半径分别为0.15a和0.40a。为了更好地理解PC het-erostructure的单向传输特性，采用2D平面波展开法[25]计算PC1和PC2的TE偏振带结构，结果如图1（a）和图1（a）所示。 （b）分别。在模拟中，每个晶格常数50个像素a与周期性边界条件一起用于保证计算精度。从图1（a）可以看出，对于PC1，沿Delta;-X方向存在定向通带（0.16-0.29c / a），其中c是真空中的光速。并且沿着Delta;-X方向存在方向性带隙（0.18-0.286c / a），并且沿着Delta;-M方向存在用于PC2的方向性通带（低于0.261c / a）。通过比较PC1和PC2的能带结构，我们发现在由PC1和PC2组成的异质结构中存在一个隔离带（0.18-0.261c / a），如图1（a）中的虚线和（ b）。基于以上分析，我们推断在图2所示的PC异质结构内，在0.18至0.261c / a的频率区域内可以进行单向传输。
然而，具有高效率的不对称光透射分量需要最高可能的正向透射率，理想情况下为100％，并且最低可能的向后透射率，理想地为0％。二维有限差分时域（FDTD）方法[26]用于计算沿前向（从左到右）和向后（从右到左）方向的上述异质结构的TE偏振光透射光谱。在模拟中，使用每个晶格常数50个像素a和Berenger的完美匹配层（PML）边界条件，这足以确保良好的精度。计算结果分别如图3（a）（红色实线）和3（d）（红色虚线）所示。可以看出，存在0.18至0.261c / a的隔离带，正向透射率在0.217c / a的频率下达到约28.4％的最大透射率，而向后透射率小于0.01％。尽管单向传输是可行的，但正向透射率仍然在宽带宽内保持在低水平，特别是对于0.230至0.261c / a的频率区域。
为了明确地解释上述异质结构如何作为非对称光传输分量工作，计算出频率为0.216c / a的光的前向和后向传输的E_y场分布，并且相应的结果如图4所示（a ）和（b）。在向前方向上，光束在PC1中直线行进并到达异质结构界面。然后，一部分光在界面处被反射回来，另一部分光被衍射到PC2中。最后，折射光从PC2输出并分成两个输出光束，分别在图4（a）中表示为P1和P2。然而，在图4（b）中，相同的入射光不能在PC2中直线，并且很少的光能到达异质结构的左侧，这与沿Delta;-X方向定位在方向带隙中的入射光频率一致。 PC2另外，通过2D FDTD方法计算分裂特性，结果如图3（b）和（c）所示，它们分别响应在P1和P2处收集的透射光谱。通过比较，我们发现P1在0.184至0.218c / a的频率范围内具有较高的透射率，而P2在0.218至0.231c / a的频率范围内具有较高的透射率。因此，该结构仅在0.184至0.231c / a的频率区域内实现不相等的光束分裂。因此，原始的异质结构只能起到作用在上述频率区域内的单向不等分束器。
图3.（a），（d）分别是正向（红色实线）和反向（红色点）的透射光谱。（b），（c）分别在P1（蓝色虚线和点线）和P2（绿色虚线）处收集的透射光谱。
图4.（a），（b）分别在正向和反向的频率为0.216c / a的E_y场分布。P1和P2表示两个输出光束。
图5.具有单个异质界面的优化结构的示意图。锥形区域由两条红色虚线表示。
图6.（a），（d）分别是正向（红色实线）和反向（红色点）的透射光谱。（b），（c）分别在P1（蓝色虚线和点线）和P2（绿色虚线）处收集的透射光谱。
- 具有单/双异质界面的优化PC结构
为了获得更好的性能，我们优化了原始的PC异质结构。首先，由于PC1和PC2之间的有效折射率的差异，将存在不同的透射率。如果我们可以在异质结构界面上设计合适的锥形区域，则期望实现PC1和PC2之间的绝热光转换，并且可以改善PC异质结构的正向透射率。基于以上考虑，我们保持PC1的气孔半径在中心对角线上保持不变。然后，PC2的两排气孔的半径平行且相邻选择异质界面的中心对角线作为0.20a和0.25a的优化值。因此，在PC2中形成线性锥形区域，其由图5中的两条红色虚线表示。在上述设计之后，可以在PC1和PC2之间实现有效折射率的逐渐变化。此外，我们还发现只需要在两个空气孔中引入空气孔，更多的变化对光学性能的影响很小。
二维FDTD用于分别计算具有沿前后方向的单个异质面的优化结构的TE偏振光透射光谱。相关结果如图6（a）和（d）所示分别用红色实线和点线表示。显然，存在0.18至0.261c / a的隔离带，其中正向透射形成峰值，在0.218c / a的频率下透射率为约33.4％，而向后透射率仍然小于0.01％。通过比较图3（a）和6（a），我们可以发现优化结构的峰值透射率比图2所示的原始异质结构增加了17.6％。
为了更方便地比较性能，我们将频率区域分成几个部分。优化结构的正向透射率在频率范围（0.180-0.208c / a）内增加小于50％，在频率范围内（0.208-0.216c / a）小于20％，在20％和500％之间增加当保持相同的入射光频率时，频率范围（0.216-0.242c / a）。注意，频率区域的正向透射率（0.242-0.261c / a）仍然相对较低。为了获得更直观的印象，原始和优化结构的一些典型计算数据如表1所示。虽然只选择了一小部分计算结果，但总体变化趋势与上述分析一致。总之，优化结构的正向透射率在几乎整个隔离带中得到显着改善，同时保持相同水平的向后透射率。
计算出频率为0.216c / a的优化结构的E_y场分布，并且相应的结果显示在图7（a）和（b）中，它们分别响应光的前向和后向传输。可以清楚地看到，在上述频率的优化结构中可以实现不对称的光透射，类似于原始异质结构。同时，在前向传输情况的输出端口也观察到分束，如图7（a）所示。分裂特性如图6（b）和（c）所示，它们分别响应P1（蓝色虚线和点线）和P2（绿色虚线）的透射光谱。每个端口的峰值透射率比图2所示的原始异质结构的峰值透射率增加约20％。此外，每个端口的总透射率也比图3（b）和（c）所示的大大改善。 ， 分别。总之，优化的结构实现了单向分束，几乎在整个隔离带中具有更高的效率。但是，我们也注意到了上述情况单向分束器仍然不能实现均匀的分束，这在实际应用中是非常重要的功能。因此，需要进一步优化。
基于以上分析，我们进一步优化了图5中所示的结构。图8示出了进一步优化的结构，其具有与中心x轴对称的两个锥形区域。两个锥形区域具有与图5中所示相同的参数。二维
FDTD方法用于计算TE偏振光透射光谱，并且采用与前一模拟相同的计算参数。计算结果如图9（a）和（c）所示，分别用红色实线和点线表示。很明显，隔离频率范围仍为0.18至0.261c / a，进一步优化结构的峰值透射率比原始结构增加约68.3％，从28.4％变为47.8％。此外，与图2所示的初步原始结构相比，正向透射率几乎在整个频率范围内（0.18-0.261c / a）大幅增加，甚至在某些频率范围内几次增加。同样，我们将频率区域分开分成几个部分，（0.180-0.208c / a），（0.208-0.216c / a），（0.216-0.242c / a）和（0.242-0.261c / a）。表1中显示了一些典型的计算数据，这与先前的分析一致。
计算出频率为0.216c / a的优化结构的E_y场分布，并且相应的结果显示在图10（a）和（b）中，它们分别响应光的前向和后向传输。对于向左入射情况，光束在PC1中直线行进并到达两个异质界面。然后，一部分光在两个异质界面处被反射回来，这两个异质界面在中心轴上是对称的，并且另一部分光被转换成PC2。最后，折射光从PC2输出并分成两个输出光束（P1和P2），如图10（a）所示。对于向右入射的情况，入射光不能在PC2中直线，并且很少的光能可以到达异质结构的左侧，如图10（b）所示。计算分裂特性，结果用图9（b）中的蓝色虚线和点线表示。由于x轴对称性，P1和P2的透射光谱重叠在一起，这意味着可以实现相等的光束分裂。此外，每个端口的峰值透射率比原始异质结构的峰值透射率增加约50％，从16.0％到24.4％不等。并且每个输出端口的总透射率远高于原始异质结构。
所有上述PC非对称光传输组件在2D模型中实现，其在平面（例如，xy平面）中是周期性的并且在垂直方向（例如，z平面）上是均匀的。真实设备通常基于SOI模型在2D PC板中制造，其在z方向上具有有限的板厚度，并且需要3D FDTD来验证它们的光学性能。然而，完全矢量化3D FDTD计算非常耗费时间和计算机内存。为了减轻对3D计算的需求，许多作者已经使用有效折射率法进行二维计算，并证明了三维计算的有效和高效近似[27,28]。因此，尽管与3D FDTD计算相比频率存在一些差异，但可以保证通过2D FDTD计算优化的结构的光学性能。此外，我们提出的二维设计为高效率的非对称光传输元件的设计开辟了道路
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