本科毕业设计（论文）
外文翻译
光子晶体波导器件和线状缺陷波导弯曲的实验研究
作者：M.D.B. Charltan, M.E. Zoorob a, G.J. Parker a, M.C. Netti b, J.J. Baumberg b,S.J. Cox a, H. Kemhadjian a
国籍： 英国
出处： Materials Science and Engineering B 74 (2000) 17–24
中文译文：
摘要
已经制造了并入有线路缺陷波导弯曲的光子晶体波导器件。本文对这些结构进行了初步的实验分析。尽管在光谱中观察到光子带隙效应的证据，但是由于来自孔的显著向上散射损失，发现传输效率非常低。为了对这种损失机理进行量化，提出了在可见光波长带间隙的规则光子晶体波导器件中散射效应的详细实验和理论分析。使用FDTD(有限差分时域)方法分析了线路缺陷结构中的场分布。版权所有2000ElsevierSciencesS.A.保留所有权利。
关键字：光子晶体；光子晶体波导；波导分配器
1、介绍
光子晶体(PC)是一种人工的超晶格结构，它是由介电常数的周期性调制而形成的，它阻止光子在禁能区光子带隙[1-7]上的传播。
光子晶体的重要应用现在正出现在集成光学器件中。例如，由于在紧密弯曲周围有效地引导光的问题，光学器件的大规模集成已经受到抑制。
预测在光子晶体中去除一排空穴，可以在光子晶体内部形成一条线缺陷区，形成一个窄通道波导，在光子带隙波长范围[8-10]内支持强受限模式。与传统波导相比，缺陷波导的约束方法不再是全内反射过程，而是一种更类似于量子约束的机制。由于周围多孔区缺乏可用模，形成了光量子阱，光被限制在缺陷波导区的可用模上。
如果线缺陷足够宽，以横向支撑阱受限的引导模式，则位于带隙波长范围内的模式将在缺陷波导中跟随尖锐的弯曲，由于来自拐角点[11，12]的背反射而遭受很少(甚至为零)的损失。这便于制造用于制造小型波导分路器和组合器的紧密波导弯曲。
根据以往在氮化硅波导结构中刻蚀的常规光子晶体的实验工作，在可见光波长处有一个光子带隙，我们在相同设计的基础上制作了几种PBG缺陷波导弯曲结构。
2、光子晶格的实验分析
在了解更复杂的波导弯曲器件的行为之前，首先要量化和了解它们所依据的规则光子晶格的特性。
通过覆盖氮化硅-二氧化硅波导结构的包层和核心层(并部分进入缓冲层)，制作了由几排列在一个规则的三角形格子上的几排孔组成的器件[13]。
该基本波导结构由生长在硅衬底上2毫米厚的二氧化硅层上的260 nm厚的正弦层组成。然后，通过直接写入电子束光刻和等离子体刻蚀通过波导层的一个很小的距离到底层的氧化层(图1)[13]，孔被图案化。
透射测量是通过光谱分辨通过晶格在不同方向传播的光进行的。实验使用通过将1mJ100fs脉冲从调谐到850nm的再生放大器聚焦在1mm蓝宝石中产生的白光连续体。这种高亮度超宽带激光源的可用性便于通过波导从450到1100nm的高精度透射率测量。使用消色差光学器件和精心设计的光子晶体光纤空间滤波器提供了极好的准直和光束指向特性，用于耦合到平面波导中。测量系统在图2中示意性地示出。
测量了TE和TM模在4、10和40排孔洞中传播的透射光谱，测量了几个入射角。图3显示了沿G-J方向传播的光谱。对支撑板波导结构的光谱响应进行了叠加，以供参考。
有四排孔的器件的光谱显示了TE和TM模式在整个光谱中的典型散射响应，而且几乎没有证据表明有带隙打开。然而，具有10行空穴的器件清楚地显示了TE模在540~650 nm范围(消光比10：1)和TM模在550~650 nm波长范围(消光比12：1)存在光子带隙的有力证据。在带隙以外的波长上，这两种光谱都遵循经典的散射响应(如四排空穴的情况)，在短波长处几乎没有额外的损耗。
然而，有40行孔的器件的光谱却有很大的不同。TM模在647~564 nm波长范围内可见带隙，最大消光比为10000：1。在上波段边缘以上的波长处，传输几乎完全遵循波导参考光谱，而且几乎没有证据表明存在明显的散射损耗。在低波段边缘以下的波长处，光谱再次遵循散射响应曲线，然而，现在的透射比10排空穴的传输要弱得多。我们将短波长下的损耗归因于空穴顶部的散射增加。可见，散射在光子晶体顶部的短波长光是一组与波长有关的固定角度的离散光束(这类似于二维光栅耦合器的特性)。然而，光子带隙波长范围内的光不是从结构顶部散射出来的。
在671 nm处，透射率明显降低。指示TE模式下存在带隙到525 nm。与TM模的光谱相比，在带隙内观测到小幅度色散特征。这表明在带隙内存在TM-TE模式混合.关于模式混合和带隙方向性的进一步分析将在其他地方发表。
散射损耗机制明显降低了光子晶体在短波长下的效率。这可能会给更复杂的缺陷波导弯曲的操作带来相当大的问题。为此，本文对损失机理进行了简单的分析，并给出了一种近似的估计方法。
3、上行散射损耗机制
二维平面波模型常用于光子晶体的分析.简单地说，Helmholtz波方程是倒数格空间中的一个特征值问题。然后，样本k向量的特征值解对应于允许模式的自由空间波长。这些构造了光子能带图的色散曲线(图4)。特征向量解对应于组分Bloch波的振幅系数E和H场剖面，可以通过逆傅里叶变换，使Bloch展开在“实空间”格网上展开。
场图显示，光被定位到晶格内的空间区域，这取决于晶格的几何形状、波的极化状态和波长。
光能被定位在孔隙之间的高介电区域或低介电孔本身的空间区域中。这种影响取决于相关联模式相对于上、下波段边缘的位置(图5)。
对于场主要位于孔隙之间的高介电区域的情况下，场能量的一小部分穿过介电孔边界进入孔内。二维平面波分析表明，这在晶格平面内形成稳定波(图5B，c)。
现在考虑波在介质波导中的传播。光受来自一对介电边界的全内反射过程的限制。要做到这一点，波导边界处的模角必须小于全内反射(Tir)的临界角。
如果通过波导芯层刻蚀孔，则引入一种新的垂直介电边界。现在光不可能被TIR限制在两组垂直的边界上(图6)。
现在将在孔隙壁边界上创建一个波函数，当它在格子平面内分解时名义上是平稳的(如二维平面波模拟图6c所预测的那样)，但实际上在z方向上有一个小的传播矢量(图6b)。
实际上，位于孔隙之间的高介电区的模式能量将被波导边界限制在z方向。然而，由于没有反射的高/低折射率边界，二维模拟显示的光应该定位在孔隙的空间区域内，实际上会从孔隙的顶部和底部漏出。
可以通过制造孔直径很小的器件来减少损耗。在这种情况下，有一小部分有损耗的波可能会被相对的孔隙壁“重新捕获”，这是因为它非常接近。
用有效模指数的值给出了空穴区域内能量大小的直接数值。这可以从二维(或更准确地说是三维)平面波展开的解中得到：，是传播波在穿过光子晶体区时所经历的多孔光子晶格区所具有的有效折射率(图5d)。的最大和最小可能值由介质芯材料和空穴的折射率决定。在实际应用中，由于孔隙低介电区存在一个较小的场分量，的最大值总是小于高介电材料的最大值。给出的折射率衰减比给出了模能量损失的近似测量方法(不考虑模能在相对孔隙壁边界的“再捕获”部分)。
在长波长极限下，位于G点附近的第一色散曲线上的有效折射率趋向于折射率的“平均值”[14]。布里渊区周长上的模式具有最高的有效模态指数(顺便说一句，这些模式完全满足布拉格条件)，因此期望是最小损耗的，并且是最强耦合的。这是由图3所示的光谱所实验得到的.PC的传输与上带边缘的参考波导谱完全吻合，证实耦合最大化，散射损耗最小。随着波长的增加和有效模指数趋于“平均值”，传输效率逐渐降低。
参照图5D，最高有效模式指数与第一色散曲线相关联，因此位于第一波段上的模式可望具有最低的损耗因子。位于第二波段的模式具有明显的低有效模式指数，因此在孔洞区域内有一个更大的场分量，因此很可能会遭受更高的损失。位于高阶波段的较短波长模式在多孔区域内具有更大的场分量，因此有效模指数要低得多。这些效果如图5a-d所示。
在波导结构中，有效折射率低于包层的模将完全不受限制，因此，低于1的模可以被折现为位于光锥外的辐射模。当略高于1的最小值时，波导中的每一行孔都会强烈地从波导中散出，导致大量空穴的低透射率。
除了上述的上向散射损耗机制外，还将存在与式的阻抗不匹配有关的重大损失，这种失配跨越多孔晶格区与两侧输入和输出波导区之间的边界[13]。这样的模式失配会导致辐射损失和部分反射。
所有这些因素都可以通过求解完整的三维平面波分析和约束波导边界条件来考虑。这样得到的值可以用来精确测量输入和输出波导与光子晶体区之间的模不匹配所造成的损耗。
4、波导弯曲
由于刻蚀在250 nm厚氮化硅波导中的260 nm气棒三角点阵的光谱特性得到了很好的实验表征，因此选择这种结构作为第一种光子晶体缺陷波导弯曲器件的基础(图7)。
为了方便光耦合到器件中，在晶格中加入了一个非常宽的缺陷波导区，方法是从一个大的矩形光子晶体块的中心除去15排空穴。由于三角晶格几何产生的因子为3/2，产生了宽度为1.95mm的输入波导和宽度为1.69mm的输出波导。在电子束光刻过程中，需要对位于缺陷波导区附近的孔进行曝光补偿。
为了简化小器件的光耦合，通过刻蚀平行沟槽通过包层和核心层到光子晶格的两侧，定义了通向器件的输入和输出波导通道(图10)。
为便于参考，还制作了几何形状相同的台面隔离波导器件(图8)。
下面介绍的测试设备在几何上与图中所示的例子略有不同。10和11。三个30°的角结形成了90°的弯曲。这使得角在三角形几何范围内尽可能平滑和对称。
虽然这两种结构引导了很大比例的光弯曲，PBG器件发现与台面隔离参考波导结构图9相比具有极高的损耗。
附：原文外文
Experimental investigation of photonic crystal waveguide devices and line-defect waveguide bends
Abstract
Photonic crystal waveguide devices incorporating line-defect waveguide bends have been fabricated. In this paper we present preliminary experimental analysis of these structures. Although evidence of photonic band-gap effects are observed in the spectra,transmission efficiency was found to be extremely low due to significant up-scattering losses from the holes. In order to quantify this loss mechanism, a detailed experimental and theoretical analysis of scattering effects in regular photonic crystal waveguide devices with band gaps at visible wavelength is presented. Field profiles in line defect structures are analysed using a FDTD (finite difference time domain) method. copy; 2000 Elsevier Science S.A. All rights reserved.
Keywords: Photonic crystal; Photonic crystal waveguide; Waveguide splitter
1.Introduction
Photonic crystals (PCs) are artificial super-lattice structures, formed by a periodic modulation of dielectric constant which prevent the propagation of photons over a forbidden energy range known as a photonic band gap [1–7].
Important applications for photonic crystals are now eme
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