基于离子束技术的可见光波段光子晶体的研究

Photonic crystals are materials patterned with a periodicity in dielectric constant. Three-dimensional photonic crystal is very useful. It is difficult to directly fabricate. Photonic crystal slabs are two-dimensional periocity in dielectric with finite height. There are two coexisting confinement mechanisms of light in it: in-plane confinement by the photonic band gap effect and vertical confinement by refractive-index-guiding realized by an index contrast between it and its' claddings. Such structure has or approximately has property of three-dimensional photonic crystal, but it is easier to fabricate..In this project, we have used Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) and Plane Wave Expansion Method (PWE), as well as some computer code to simulate the band gap of photonic crystal slabs. Also we have used Focused Ion Beam (FIB), Ion Beam Enhancement Etching (IBEE) and Crystal Ion Slicing (CIS) to make periodic pattern with submicron in oxide crystals such as TiO2，LiNbO3(LN)，SLN，KTP. We have used band gap measurement system of photonic crystal to get band gap of photonic crystal slabs at visible wavelength and compared it with calculated values. The aim of present research work is to explore the possibility of photonic crystal slabs at visible wavelength by ion beam technology.

光子晶体是具有介电常数周期性图形的人工材料。三维光子晶体是最有实用价值的，直接制备三维光子晶体相当困难。准三维光子晶体（photonic crystal slabs）是有一定高度的二维周期性介质结构，在平面内由光子带隙效应来约束光，在垂直方向靠它与包层之间的折射率反差来约束光。这样的结构具备或基本具备三维光子晶体的特性，但制备相对容易些。本项目将用有限时域差分法（FDTD），平面波展开法（PWE）等以及相关的计算机模拟程序进行光子晶体带隙的计算和模拟。利用聚焦离子束刻蚀（FIB）、离子束增强刻蚀（IBEE）和晶体离子切割（CIS）等技术，在氧化物光电晶体，如TiO2，LiNbO3（LN），SLN，KTP等晶体上制备孔径为亚微米级的周期性图形，用光子晶体带隙测试系统测量可见光波段的光子晶体带隙，并与理论模拟值进行比较，探索基于离子束技术的可见光波段的光子晶体实现的可能性。

光子晶体是具有介电常数周期性图形的人工材料。三维光子晶体是最有实用价值的，直接制备三维光子晶体相当困难。准三维光子晶体（photonic crystal slabs）是有一定高度的二维周期性介质结构，在平面内由光子带隙效应来约束光，在垂直方向靠它与包层之间的折射率反差来约束光。这样的结构具备或基本具备三维光子晶体的特性，但制备相对容易些。.我们制备出了基于铌酸锂单晶材料的光子晶体平板以及基于铌酸锂光子线的一维光子晶体微腔，分别从数值模拟和实验表征了这两种重要的光子晶体结构；研究了金红石单晶的注入Blistering现象，为Rutile on Insulator结构的制备打下了基础；利用Cu-Sn键和的方法制备出了厚度在亚微米量级的铌酸锂单晶薄膜，表征了其线光学特性；利用质子交换和二氧化钛微条加载的方式制备出了基于LNOI的加载型波导，Y分支等复杂的光子学结构，结果表明可以利用以上方法在LNOI中制备出低损耗波导；利用制备出的加载波导实现了倍频效应以及电光调制效应；利用快重等注入手段在KNSBN、CSBN以及YSO晶体中制备出了光波导结构；研究了Er掺杂磷酸钛氧钾和磷酸钛氧铷晶体的荧光发射特性。