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光子晶體集成光電子器件
摘 要: 文章簡(jiǎn)要介紹了利用光子晶體實(shí)現(xiàn)微納尺度上光調(diào)控的物理原理和工作機(jī)制,重點(diǎn)討論了如何利用光子晶體的缺陷態(tài)實(shí)現(xiàn)微納尺度的各種集成光器件,并結(jié)合文章作者所在研究組的研究工作經(jīng)驗(yàn),簡(jiǎn)單回顧了各種類型的集成光電子器件的工作原理物理實(shí)現(xiàn)和光學(xué)特性.
關(guān)鍵詞:光子晶體,光電子器件,耦合器,光學(xué)共振腔,波導(dǎo)
Photonic crystal integrated optical devices
LIU Ya-Zhao LI Zhi-Yuan
(Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
Abstract We discuss how photonic crystals control light properties such as the generation, propagation, modulation and conversion of light on the nanoscale. The underlying physical principles and mechanism will be addressed. Discussions will focus on the construction of various nanoscale integrated optical elements and devices. We employ several typical examples to briefly describe different aspects of these devices: how they work, how to fabricate them, and how to characterize their optical properties.
Keywords photonic crystals, optical devices, coupler, resonator, waveguide
1 引言
自1987年Yablonovitch 和John分別獨(dú)立提出光子晶體的概念以來(lái),光子晶體的理論和實(shí)驗(yàn)研究以及相關(guān)應(yīng)用得到了迅速的.迄今為止,已有多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件被相繼提出,并且隨著半導(dǎo)體微加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,人們對(duì)這些器件開(kāi)展了深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究.這些光子晶體光學(xué)器件使信息處理技術(shù)的“全光子化”和光子技術(shù)的“微型化”與“集成化”成為可能.簡(jiǎn)單地說(shuō),光子晶體是折射率或介電常數(shù)具有周期性調(diào)制分布的一種新型人工光學(xué)或電磁波材料,其周期為波長(zhǎng)量級(jí).雖然界也存在天然形成的光子晶體,比如石英材料的蛋白石光子晶體(opal),但是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的光子晶體都來(lái)源于人工設(shè)計(jì)和制造,通常利用當(dāng)今先進(jìn)的半導(dǎo)體微加工技術(shù),比如電子束刻蝕技術(shù)和聚焦離子束刻蝕技術(shù), 其精度可優(yōu)于5nm,基本能夠滿足光子晶體集成光學(xué)器件的精確制作和加工要求,使得這些器件的光學(xué)特性基本符合機(jī)設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)的良好互動(dòng).
與傳統(tǒng)半導(dǎo)體類似,光在光子晶體中傳播時(shí),受到周期點(diǎn)陣的布拉格散射而產(chǎn)生光子能帶和光子帶隙.利用光子帶隙的存在能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光傳播行為的強(qiáng)有力控制.這主要通過(guò)在光子晶體中引入各種缺陷而實(shí)現(xiàn)光子的局域化控制.缺陷有兩種基本形式:線缺陷和點(diǎn)缺陷.線缺陷形成波導(dǎo),它可以引導(dǎo)光子沿某一路徑傳輸.由于光子帶隙的存在,光只能沿著光子晶體波導(dǎo)延伸方向傳播,而不能泄露到周圍的光子晶體材料里. 1996年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的J.D.Joannopoulos小組在物權(quán)威雜志Physical Review Letters上發(fā)表了一篇理論研究工作[1],指出光通過(guò)90°的光子晶體波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎角時(shí),在某些頻率窗口能夠獲得接近100%的傳輸效率,理論計(jì)算的結(jié)果如圖1所示.隨后該小組與美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Shawn-Yu Lin等合作,開(kāi)展了微波波段的實(shí)驗(yàn)研究工作,證實(shí)了理論預(yù)言的結(jié)果[2].該實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.在這一點(diǎn)上, 光子晶體波導(dǎo)具有傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)(如光纖)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì). 由于傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)通過(guò)光在芯層和包層之間的分界面處的全反射效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸,當(dāng)光遇到大的轉(zhuǎn)彎角(比如大于30°)時(shí),全反射條件不再滿足,相當(dāng)比例的光能量將從轉(zhuǎn)彎角處泄露到周圍空間中去. 上述的研究工作表明,光子晶體波導(dǎo)能夠在微納尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的高效率偏轉(zhuǎn).受到該研究成果的激勵(lì),許許多多應(yīng)用于不同光頻段,著眼于更低損耗更寬傳播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速變慢)的光子晶體直線波導(dǎo)得到了廣泛的研究.
光子晶體中的另一種缺陷形式——點(diǎn)缺陷通常用來(lái)構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)中的微腔,在微腔中只有頻率與之共振的光子才能存在,形成一個(gè)或多個(gè)共振模式,因此微腔具有共振選頻的作用.波導(dǎo)與微腔配合使用,構(gòu)成了集成光學(xué)基本元件.1998年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的S. Fan等借鑒模式耦合理論,提出了由光子晶體波導(dǎo)與微腔構(gòu)成的通道上傳/下載濾波器(channel drop filters)的基本概念[3].該器件由兩條光子晶體單模波導(dǎo)和中間放置的兩個(gè)全同耦合微腔構(gòu)成,通過(guò)合理地選擇微腔的幾何構(gòu)形和物理參數(shù),能夠控制波導(dǎo)模式與兩個(gè)耦合微腔的耦合方式,使得在直線波導(dǎo)主干通道上傳播的光信息通過(guò)共振隧穿機(jī)制而高效率(接近100%)地下載到旁支信息通道上.利用光子晶體波導(dǎo)和微腔的耦合作用,日本京都大學(xué)的S.Noda小組于2000年制作出了基于InGaAsP材料的應(yīng)用于近紅外波段的面發(fā)射下轉(zhuǎn)換型濾波器[4].此后一系列的關(guān)于多通道共振濾波器工作便開(kāi)展了起來(lái),目標(biāo)是構(gòu)建基于光子晶體的密集波分復(fù)用器件,以實(shí)現(xiàn)微納尺度上的光信息傳輸和處理.
光子晶體中帶隙的調(diào)控作用還體現(xiàn)在對(duì)光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch就預(yù)見(jiàn)了光子晶體點(diǎn)缺陷形成激光器的可能[5].大體說(shuō)來(lái)就是將光信號(hào)設(shè)計(jì)在導(dǎo)帶區(qū)域,使其能夠透過(guò)晶體繼續(xù)傳播,而噪聲落入帶隙區(qū)域被完全屏蔽,從而獲得超過(guò)傳統(tǒng)光源的高單色性激光輸出.12年后,美國(guó)加州理工學(xué)院的A.Scherer研究小組首次實(shí)現(xiàn)了室溫下抽運(yùn)的光子晶體納米激光器[6],翻開(kāi)了世界范圍光子晶體激光器研究工作實(shí)用化的新一頁(yè).該小組在包含有多層量子阱結(jié)構(gòu)的砷化鎵橋式薄膜上制作了光子晶體微腔, 利用局域缺陷模的高品質(zhì)因子,為量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光提供了反饋機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)了具有亞波長(zhǎng)尺度的模式體積的納米激光器.近年來(lái),各種基于光子晶體的有源與無(wú)源器件在微納米加工技術(shù)的支持下層出不窮,它們的出現(xiàn)提供了構(gòu)成光子晶體集成光學(xué)回路的基本功能單元.
2 二維平板光子晶體
目前人工制作的光子晶體包括一維二維和三維晶體.一維光子晶體主要應(yīng)用于薄膜光學(xué)和光柵光學(xué)領(lǐng)域中,但受維度所限,折射率調(diào)制作用一般比較小.三維光子晶體現(xiàn)有的應(yīng)用是作為微波波段的天線,而由于加工和集成化的困難,鮮有應(yīng)用于光頻段的實(shí)用三維光子晶體器件出現(xiàn).對(duì)二維光子晶體而言,無(wú)論是在微波還是光頻波段,其加工技術(shù)已經(jīng)十分成熟,尤其是隨著微納米加工技術(shù)的不斷,二維平板光子晶體器件性能更加可靠,此外由于其所利用的材質(zhì)與已形成化生產(chǎn)的半導(dǎo)體光電材料一致,更為實(shí)現(xiàn)光電集成提供了可能.二維平板光子晶體的工作原理包括全反射效應(yīng)與光子帶隙效應(yīng),具體地說(shuō),就是在二維光子晶體與外界介質(zhì)的接觸面上,通過(guò)晶體材質(zhì)與外界介質(zhì)折射率差形成內(nèi)全反射效應(yīng),將光子局域在晶體平板內(nèi)部.在光子晶體平板面內(nèi),存在著二維光子帶隙和導(dǎo)帶的調(diào)控,因此,普通光子晶體通常的控制光子傳播行為的手段都可以應(yīng)用在二維平板光子晶體上二維平板光子晶體通常在硅砷化鎵和其他的半導(dǎo)體材料的薄膜上(薄膜厚度大約是晶格常數(shù)的1/2),利用先進(jìn)的半導(dǎo)體微納加工技術(shù)(如紫外曝光電子束曝光離子束刻蝕等)制作出周期排列的空氣孔.晶體通常為三角晶格結(jié)構(gòu),因?yàn)樗休^寬的光子帶隙,而且經(jīng)常做成懸掛在空氣中的對(duì)稱橋式構(gòu)造,使得全反射效應(yīng)最為明顯.當(dāng)晶格尺寸為400—500nm時(shí),光子帶隙的中心波長(zhǎng)落于1550nm左右,該晶體能夠用來(lái)制備光通信波段的微納集成光電子器件.下面我們將比較具體地介紹二維平板光子晶體功能元件的工作原理.
對(duì)于完整的光子晶體而言,特定晶向上會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)帶與帶隙.光子可以在導(dǎo)帶中傳播,在帶隙中則不能存在.圖3(a)給出了典型的二維平板光子晶體能帶結(jié)構(gòu),圖中灰色區(qū)域代表光錐以內(nèi)的泄漏模式區(qū)域,處于泄漏模區(qū)域的光在長(zhǎng)距離傳播的過(guò)程中會(huì)逐漸因?yàn)楹纳⒍?在白色區(qū)域中,由連續(xù)點(diǎn)組成的線代表傳播模,每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的模式可能有一個(gè)或者多個(gè),我們稱其為單�；蚨嗄鞑^(qū)域.但頻率為0.26—0.32(c/a)的區(qū)域不存在任何傳播模(a為晶格常數(shù),c是真空中的光速),這一區(qū)域即為帶隙.如何使帶隙區(qū)域出現(xiàn)傳播模,這就需要缺陷的作用.缺陷又分為線缺陷與點(diǎn)缺陷.線缺陷的出現(xiàn)使原先帶隙區(qū)域出現(xiàn)部分通帶使光子能夠通過(guò),從能帶分布上顯示為帶隙變窄.如圖3(b)中引入線缺陷后,兩條導(dǎo)模分布出現(xiàn)在頻率0.264—0.28及0.28—0.30(c/a)的區(qū)域,帶隙寬度減小為0.02(c/a)[7].因?yàn)榫邆淞松鲜鲇欣麠l件,線缺陷常被用作光子晶體中的光波導(dǎo).制成的完整的二維平板光子晶體如圖4(a)所示,晶體材料的折射率呈現(xiàn)周期性的排布.該結(jié)構(gòu)是我們小組利用院物理研究所的微加工儀器設(shè)備設(shè)計(jì)和制作的.當(dāng)沿某一特定晶向破壞這種排布時(shí)就形成了線缺陷.圖4(b)給出了晶體中沿三角晶格Γ-X方向去除一排空氣孔后形成的W1波導(dǎo)傳播模式的能帶圖,可以看出,該波導(dǎo)支持單模傳播.圖4(c)給出了完整晶體與線缺陷晶體的透過(guò)譜理論模擬對(duì)比,可以看到線缺陷極大地壓窄了帶隙范圍,透過(guò)率大小卻基本保持不變.點(diǎn)缺陷是通過(guò)破壞一個(gè)或多個(gè)光子晶體“原子”形成的,它的作用通常是使原先帶隙的區(qū)域出現(xiàn)若干個(gè)缺陷態(tài).光子可以在缺陷態(tài)中存在,因此點(diǎn)缺陷被當(dāng)作是二維平板光子晶體中的光共振腔,提供光子傳播過(guò)程中的局域或耦合機(jī)制.
3 光子晶體無(wú)源集成光學(xué)器件
如前所述,不同類型的缺陷(線缺陷和點(diǎn)缺陷)功能各異,所以當(dāng)它們集于一體時(shí)就形成了集成化的二維光子晶體器件.這種尺寸只有傳統(tǒng)光學(xué)器件幾千甚至幾萬(wàn)分之一大小的光子晶體集成器件卻幾乎具備了傳統(tǒng)光學(xué)器件的全部功能,涵蓋了通信和激光源等領(lǐng)域所有的基本需求.
作為最基本的光傳導(dǎo)方式,光子晶體中的線缺陷形成了光子晶體中的波導(dǎo).通過(guò)合理地設(shè)計(jì)線缺陷的寬度和周圍介質(zhì)的占空比,可以制作出支持單�；蚨嗄Ｊ降墓獠▽�(dǎo),并實(shí)現(xiàn)能量的平均分配.如圖5(a)中的寬線W3波導(dǎo)是本小組制作的在晶體中沿三角晶格Γ-X方向去除三排空氣孔后得到的結(jié)構(gòu).能帶結(jié)果表明,該波導(dǎo)支持多模運(yùn)轉(zhuǎn),在不同頻率窗口的光具有不同的模式數(shù)量,可以為單模,也可以為雙模甚至三個(gè)模式,它們沿波導(dǎo)軸線或?yàn)樽笥覍?duì)稱(偶模),或?yàn)樽笥曳磳?duì)稱(奇模).當(dāng)多個(gè)模式在波導(dǎo)中同時(shí)存在時(shí),由于模式之間場(chǎng)的干涉效應(yīng)將導(dǎo)致光場(chǎng)分布的圖案具有復(fù)雜多樣性,呈現(xiàn)出對(duì)稱或彎曲的分布形式(圖5(b))[8].信號(hào)在沿線波導(dǎo)傳輸?shù)倪^(guò)程中,可以依據(jù)能量分配的需求,以制定的比例,分配到每個(gè)分支線波導(dǎo)中,圖6(a)給出了本小組制作的光子晶體樹(shù)型分支波導(dǎo),它將能量均勻地分配到4個(gè)通道中.圖6(b)和6(c)分別是其中的一個(gè)分支單元以及在紅外顯示下能量均分的實(shí)測(cè)圖[9,10].樹(shù)型分支波導(dǎo)的接口處經(jīng)過(guò)合理地優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)低損耗傳播,比如調(diào)制線波導(dǎo)周圍基元占空比就可以達(dá)到低損耗的目的[11,12].高效率的分支波導(dǎo)連接結(jié)構(gòu)為光子晶體共振濾波器的制作奠定了基礎(chǔ).
光子晶體中的點(diǎn)缺陷形成了光學(xué)微腔,微腔的性能參數(shù)通過(guò)控制微腔的形態(tài)和尺寸大小來(lái)確定.常見(jiàn)的微腔形成方法有3種:或增大某基元的占空比,或減小某基元的占空比,或使用其他介質(zhì)替位.這些操作最終形成的微腔功能多種多樣,其中典型的兩類功能是用作高品質(zhì)因子的光學(xué)共振腔和光傳播過(guò)程中的耦合器.作為第一種應(yīng)用是利用微腔對(duì)光子局域作用,將波導(dǎo)中傳輸?shù)墓馔ㄟ^(guò)微腔與波導(dǎo)間的共振耦合轉(zhuǎn)移并存儲(chǔ)到微腔中,微腔的形態(tài)經(jīng)過(guò)特定設(shè)計(jì),確保光子經(jīng)多次共振增強(qiáng)后直接向平板光子晶體表面輻射,形成高品質(zhì)因子的激光輸出.這種垂直出射的光學(xué)共振腔類似于表面發(fā)射激光器,是將水平方向傳播的光轉(zhuǎn)換到垂直方向上的發(fā)射的一種有效方法.微腔的另一種作用是作為耦合器,將輸入波導(dǎo)中的光信號(hào)耦合到輸出波導(dǎo)中.在這種情況下,需要微腔的共振模與輸入輸出波導(dǎo)的傳播模式完全匹配.當(dāng)滿足共振波長(zhǎng)的光子進(jìn)入輸入波導(dǎo)后,將通過(guò)波導(dǎo)與微腔之間的共振耦合效應(yīng)局域在微腔中,進(jìn)而再由微腔向輸出波導(dǎo)耦合.此時(shí)微腔起到了耦合器的作用,與傳統(tǒng)環(huán)形腔耦合器作用近似.
線波導(dǎo)在原有光子晶體的帶隙中開(kāi)辟了一定頻率范圍的導(dǎo)帶區(qū)域,點(diǎn)缺陷的形態(tài)決定了缺陷模的數(shù)量以及位置.當(dāng)把這兩點(diǎn)結(jié)合起來(lái)時(shí),更為精密和復(fù)雜的集成光學(xué)器件便應(yīng)運(yùn)而生:這便是各種類型的波分復(fù)用器件.首先介紹濾波器.濾波器部分是波分復(fù)用器的主體,也是目前二維平板光子晶體應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向.在濾波器的制作中起決定性作用的是微腔,微腔形成的點(diǎn)缺陷模限定了濾波器的工作范圍.通常濾波器由若干個(gè)微腔組成,微腔本身兼具耦合與選頻的雙重作用.濾波的方法包括直接耦合濾波與間接耦合濾波.直接耦合濾波器是將微腔與波導(dǎo)作用在一起,具體又可以大致分為嵌入式(見(jiàn)圖7(a)和圖7(b))與連接式(見(jiàn)圖7(c))兩種,其中圖7(a),7(b)中的兩類轉(zhuǎn)彎分支波導(dǎo)已經(jīng)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)[11,12].嵌入式濾波器將微腔直接放在線波導(dǎo)內(nèi),控制微腔的數(shù)量和位置選擇不同的光信號(hào)通過(guò).連接式濾波器則把線波導(dǎo)斷開(kāi),通過(guò)微腔共振連接線波導(dǎo)兩端[13].無(wú)論是哪種形式的直接耦合濾波器,都可將光信號(hào)直接作用于微腔,只有與腔缺陷模相匹配的光子能繼續(xù)傳播,其余光子則不能通過(guò)波導(dǎo).這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于腔與波導(dǎo)的耦合效率高,避免了共振耦合時(shí)距離等因素對(duì)耦合效率的影響.
間接耦合濾波器把微腔與波導(dǎo)分離開(kāi),波導(dǎo)與微腔在光子晶體平面內(nèi)存在一段距離,二者通過(guò)平面內(nèi)的倏逝波耦合實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳送.距離的存在為調(diào)整輸出信號(hào)的品質(zhì)因子提供了有效手段,本小組的一項(xiàng)工作就是利用調(diào)節(jié)波導(dǎo)與微腔以及微腔邊緣原子位置而得到的高精度間接耦合的雙通道濾波器.在這種濾波器中,微腔邊緣的原子向外側(cè)分別移動(dòng)了10和20nm,最后得到了波長(zhǎng)間隔僅為1.5nm的兩路共振輸出光信號(hào),實(shí)測(cè)共振峰值曲線由圖8給出[14].以這種濾波器為基礎(chǔ)繼續(xù)開(kāi)發(fā)了間接耦合的四通道濾波器(見(jiàn)圖9),同樣得到了較為理想的結(jié)果.在長(zhǎng)期的試驗(yàn)過(guò)程中,本組還發(fā)現(xiàn)了光子晶體中原子形態(tài)對(duì)于晶體和缺陷的模式調(diào)制作用,并首次利用這種新型的調(diào)制手段制作了間接耦合四通道濾波器.由圖10可以看到,經(jīng)過(guò)對(duì)原子形態(tài)的合理設(shè)計(jì),可以使各個(gè)通道的輸出信號(hào)精確到幾個(gè)納米[15].其原理是采用橢圓形的空氣孔,調(diào)節(jié)橢圓的長(zhǎng)短軸比例和長(zhǎng)軸的指向,可以精密地調(diào)控微腔的共振頻率.無(wú)論是哪種形式的耦合濾波器,其基本工作原理都在于:線缺陷組成了濾波器中的輸入主通道和各個(gè)輸出分支通道,由主通道輸入的光信號(hào)包含不同波長(zhǎng)的光子,只有與微腔缺陷模相匹配的光子才能通過(guò)微腔與輸入波導(dǎo)之間的共振耦合轉(zhuǎn)移到相對(duì)應(yīng)的微腔中,隨后再通過(guò)微腔與輸出波導(dǎo)之間的共振耦合沿各個(gè)輸出波導(dǎo)輸出.如此主通道中的信號(hào)被分別“過(guò)濾”到相對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)中,實(shí)現(xiàn)了信道下載功能.不難想象,如果將整個(gè)過(guò)程逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái):控制光信號(hào)從各分支端輸入,再由微腔通過(guò)共振耦合使光子重新回到主通道中就形成了信號(hào)的上傳功能.信道上傳下載兩部分分別作用再集合為一體,這就實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用器的基本功能,對(duì)實(shí)現(xiàn)光子晶體集成光學(xué)器件有著重大的意義
光子晶體集成光學(xué)器件的另一典型應(yīng)用是在二維平板光子晶體中實(shí)現(xiàn)Mach-Zender光學(xué)干涉儀的功能.與傳統(tǒng)光學(xué)干涉儀相似,作用于二維平板光子晶體的Mach-Zender干涉儀同樣由兩條光路組成.由線缺陷構(gòu)成的主通道經(jīng)過(guò)分支波導(dǎo)后分為相位相同的兩路光信號(hào).這兩路光信號(hào)在繼續(xù)傳播的過(guò)程中受到不同的相位和振幅調(diào)制,產(chǎn)生調(diào)制機(jī)制的正是光子晶體本身.光子經(jīng)過(guò)晶體的過(guò)程中,由于受到周期性折射率分布的調(diào)制,會(huì)使相位和群速度受到影響,出現(xiàn)相位滯后或群速度變慢等效應(yīng).當(dāng)兩個(gè)支路的光子晶體結(jié)構(gòu)有差異,比如說(shuō)折射率反差不同時(shí),兩路光信號(hào)傳播會(huì)受到不同程度的調(diào)制,當(dāng)通過(guò)兩路分支波導(dǎo)后再匯聚時(shí),由于相位的差異將在輸出端產(chǎn)生干涉,或相加性干涉,或相消性干涉,依賴于輸入光信號(hào)的頻率.
高品質(zhì)因子(Q 值)光子晶體微腔對(duì)光子晶體的應(yīng)用具有舉足輕重的作用.一個(gè)光學(xué)性能優(yōu)異的微腔不僅為光耦合傳輸提供了保證,而且其本身作為光學(xué)共振腔的存儲(chǔ)和發(fā)射光子的作用更為重要.如何提高光子晶體微腔的品質(zhì)因子這一問(wèn)題已研究多年,雖然方法層出不窮,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存儲(chǔ)的穩(wěn)定性,減少向周圍環(huán)境的輻射.Painter 小組從傅里葉頻譜與光子動(dòng)量的轉(zhuǎn)換關(guān)系出發(fā),制作了Q值達(dá)到13000的微腔[19,20],但研究的進(jìn)展還遠(yuǎn)不止于此,隨后Q值的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出以若干個(gè)數(shù)量級(jí)為單位的趨勢(shì).由于微腔由點(diǎn)缺陷構(gòu)成,缺陷與周圍晶體在電場(chǎng)分布上會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)“突�！钡姆纸�,引起能量向腔外耗散,解決這一問(wèn)題就需要將腔內(nèi)電場(chǎng)分布改善為理想高斯型分布,由中心向腔兩端對(duì)稱平緩遞減.這樣的模式分布使得腔內(nèi)電場(chǎng)的低空間頻率的分量(泄露模式)大幅度減少,從而使腔內(nèi)光場(chǎng)能量向周圍空氣背景輻射的幾率大大降低了,Q值顯著提高.本著這一原則,Noda 等人首次嘗試通過(guò)精細(xì)地改變微腔邊緣對(duì)稱空氣孔(一對(duì)或更多對(duì))的位置(圖11(a))得到了Q=100,000的微腔[21],并從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)這種微腔的共振峰半高全寬僅為0.022nm.另一種調(diào)Q機(jī)制是利用光子晶體的帶隙效應(yīng).Noda小組提出,當(dāng)微腔和兩側(cè)區(qū)域由不同晶格常數(shù)的光子晶體拼接而成時(shí),如果可以將微腔的共振頻率設(shè)計(jì)在兩側(cè)光子晶體的帶隙中時(shí),理論發(fā)現(xiàn),這種所謂的“異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)”的光子微腔,其電場(chǎng)分布十分接近于理想的高斯型分布.該微腔結(jié)構(gòu)如圖11(b)所示.他們?cè)O(shè)計(jì)和制作的微腔達(dá)到了600,000的高品質(zhì)因子輸出,預(yù)計(jì)通過(guò)優(yōu)化有望達(dá)到20,000,000的驚人結(jié)果[22].
4 光子晶體有源集成光學(xué)器件
光子晶體的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在上述的無(wú)源集成器件中,更將其優(yōu)勢(shì)突顯于各種有源發(fā)光器件中.一般光源的發(fā)光機(jī)制都是由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)將能量以電磁波的形式向外界輻射,不同的能級(jí)間的能量差決定了所輻射光子的頻率.而人工制作的光子晶體可以人為地控制光子能帶以及帶隙的位置和寬度.當(dāng)把發(fā)光材料與光子晶體結(jié)合起來(lái)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)各種新穎的現(xiàn)象.
激光器的應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)防與民生的方方面面,無(wú)論是生產(chǎn)還是科研領(lǐng)域都對(duì)激光的應(yīng)用提出了更高的要求.激光器的線寬是衡量激光品質(zhì)的重要因素,以往由于原子的自發(fā)輻射和熱增寬等現(xiàn)象的存在,使激光輸出線寬的壓窄受到限制.光子晶體的應(yīng)用恰為這一問(wèn)題提供了解決的方案.通過(guò)合理的設(shè)計(jì)使由于自發(fā)輻射和熱增寬等產(chǎn)生的光子正好落入光子晶體完全帶隙內(nèi),受到帶隙屏蔽的光子無(wú)法向外輻射,激光的輸出線寬將被進(jìn)一步壓窄.同時(shí)點(diǎn)缺陷所形成的高Q諧振腔可以降低激光器激射的閾值功率,這意味著以更小的抽運(yùn)能量輸入就可以產(chǎn)生與較大抽運(yùn)輸入相同的效果.
光子晶體還可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率.傳統(tǒng)發(fā)光二極管發(fā)出的光中,有很大比例的能量轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)傳播的波導(dǎo)模式,只能從發(fā)光二極管的側(cè)面輻射出去,由于側(cè)面的面積遠(yuǎn)小于上表面的面積,發(fā)光效率受到了極大的限制.一個(gè)有效的解決方案是在發(fā)光二極管的表面制作上一層二維光子晶體,由于平面內(nèi)光子帶隙的存在,使得平面內(nèi)傳播的波導(dǎo)模式受到很大的抑制,從而大大提高光沿發(fā)光二極管垂直方向的輻射效率.
光子晶體的出現(xiàn)更為許多發(fā)光材料的開(kāi)發(fā)拓展了思路,以往被認(rèn)為由于熒光的難以控制而無(wú)法用作可靠光源的材料,比如氧化鋅材料,都在光子晶體的帶動(dòng)下加入到有源器件的行列中,成為了新一代光源的研究方向.
集成化的光學(xué)器件不僅包括光信號(hào)的產(chǎn)生,還需要在傳送的過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制.光開(kāi)關(guān)是對(duì)光信號(hào)調(diào)制的一個(gè)重要方面.本研究組在這方面也開(kāi)展了大量的工作:主要是利用光作用在非線性材料上,當(dāng)入射光強(qiáng)與介質(zhì)中原子內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),將激發(fā)介質(zhì)的高階極化,改變了材料的折射率,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)效應(yīng).利用光子晶體作為光開(kāi)關(guān)時(shí),介質(zhì)折射率的周期性分布使光子晶體本身產(chǎn)生帶隙,落入帶隙中的光信號(hào)無(wú)法通過(guò)晶體,此時(shí)光開(kāi)關(guān)處于“關(guān)閉”的狀態(tài),當(dāng)有強(qiáng)抽運(yùn)光入射到晶體上,由于晶體材質(zhì)本身折射率在非線性作用下發(fā)生變化,破壞了初始的能帶分布.在合理地選擇晶體材質(zhì)與抽運(yùn)光的情況下,原先帶隙的位置及大小受到調(diào)制,使原本落在帶隙中的光子進(jìn)入導(dǎo)帶,光信號(hào)通過(guò)晶體繼續(xù)傳播,實(shí)現(xiàn)了光開(kāi)關(guān)的“開(kāi)啟”功能[16].通過(guò)對(duì)光子晶體更為復(fù)雜的設(shè)計(jì),還有望實(shí)現(xiàn)具有邏輯功能的光學(xué)開(kāi)光,如雙穩(wěn)態(tài)光開(kāi)關(guān),通過(guò)多束光的共同作用,使信號(hào)輸出滿足各種需求[17,18].
5 光子晶體集成光學(xué)回路
信息處理“全光子化”的概念包涵了光信號(hào)的產(chǎn)生調(diào)制接收處理返回等全部過(guò)程.光子晶體器件的出現(xiàn)更使這種“全光子化”與微型器件的高度集成化合而為一.各類基于光子晶體的有源發(fā)光器件提供了光信號(hào)的來(lái)源,光子晶體光開(kāi)光又使輸入光信號(hào)受到調(diào)制.調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)光子晶體波導(dǎo)元件實(shí)現(xiàn)高效低損耗的傳輸與分流,經(jīng)波分復(fù)用器件下載到每個(gè)分路中.分路中的光信號(hào)各自受到新的調(diào)制后,重新匯聚到主干通道中,返回接收裝置.由于每一部分的器件在所用材質(zhì)與尺度大小上十分相近,由光子晶體所構(gòu)成的微型器件光學(xué)回路避免了與傳統(tǒng)光學(xué)器件之間耦合時(shí)由于模式失配而引起的大幅度損耗,同時(shí)制作集成光學(xué)回路的每種光子晶體器件所用材質(zhì)相同或相近,這就為實(shí)現(xiàn)光路一體化提供了有利條件,配合日益成熟的加工制作工藝,為利用光子晶體器件實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)路的集成化展開(kāi)了藍(lán)圖.
6 結(jié)束語(yǔ)
任何一種新的技術(shù)手段的出現(xiàn)都是在人們生產(chǎn)與生活的需求推動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的.任何一種新技術(shù)的成長(zhǎng)也是要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的探索和不懈的嘗試才最終得以完善.光子晶體自提出至今已有20年的時(shí)間,對(duì)它的研究遍及世界范圍,從最初概念性的嘗試到如今成品化器件的出現(xiàn),可以看到光子晶體的應(yīng)用已逐步向?qū)嵱没~進(jìn).對(duì)光子晶體器件設(shè)計(jì)構(gòu)思的不斷改進(jìn),以獲得更高效更穩(wěn)定更精密的器件性能為目標(biāo),同時(shí)繼續(xù)向更深更廣的層面上探索尚未發(fā)現(xiàn)的新功能.而實(shí)用方面,降低制作難度,減少成本投入,增強(qiáng)穩(wěn)固性,這也是光子晶體器件用于光學(xué)集成所必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo).雖然仍有許多困難需要克服,但光子晶體無(wú)論用于有源還是無(wú)源光電子器件的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)突顯出來(lái),實(shí)現(xiàn)了前所未見(jiàn)的功能和效應(yīng).相信隨著對(duì)這一領(lǐng)域研究的深入發(fā)展,將進(jìn)一步推動(dòng)光子晶體器件的全光集成化,為光電子通信領(lǐng)域帶來(lái)全新的景象.
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