光子晶體的研究新進(jìn)展及應(yīng)用

1、收稿日期:2006-01-20.動(dòng)態(tài)綜述光子晶體的研究新進(jìn)展及應(yīng)用鄒麗娜1,鄭詠梅1,2,施宏艷1,申鉉國(guó)1(1.吉林大學(xué)物理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130023;2.中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所,北京100080摘要:光子晶體具有調(diào)節(jié)光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性,在光通信、醫(yī)學(xué)和國(guó)防科技等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。簡(jiǎn)要介紹了光子晶體的主要特征及制備方法,總結(jié)了基于光子晶體的光纖,激光器,濾波器和集成光路的工作機(jī)理和最新研究成果。關(guān)鍵詞:光子晶體;光子禁帶;周期性結(jié)構(gòu);介電常數(shù)中圖分類號(hào):TB383文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-5868(200603-0231-05R ecent Progress and App

2、lication of Photonic CrystalZOU Li 2na 1,ZH EN G Y ong 2mei 1,2,SH I Hong 2yan 1,SH EN Xuan 2guo 1(1.College of Physics ,Jilin U niversity ,Changchun 130022,CHN;2.I nstitute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100080,CHN Abstract :Photonic crystal has t he extensive applications in o

3、ptical communication ,medicine ,national defense science and ot her fields because of t heir peculiar properties in cont rolling p hoto nic propagation.The characteristics and fabrication met hods of p hotonic crystals are reviewed.The operation p rinciples and latest develop ment s of t he optical

4、fiber ,laser ,filter and integrated optical circuit based on p hotonic crystal are p roposed.K ey w ords :p hotonic crystal ;p hotonic bandgap ;periodical st ruct ure ;permittivity constant1引言當(dāng)電子和微電子技術(shù)走向極限時(shí),科學(xué)家提出了以光子代替電子作為信息載體的設(shè)想。雖然光子技術(shù)具有高傳輸速度、高密度以及高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn),但是光子難于控制,長(zhǎng)期以來(lái)光信息技術(shù)僅僅在信息傳輸中得到應(yīng)用。1987年由E.Yabl

5、onovitch 1和S.John 2幾乎同時(shí)提出了光子晶體的物理概念。其具有奇特的控制光子傳播狀態(tài)的特性,可以用來(lái)制作全新概念和以往所不能制作的高性能光學(xué)器件,拓寬了光子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,被視為21世紀(jì)最具潛力的新型材料之一。經(jīng)過(guò)十多年的研究,光子晶體及光子晶體器件已經(jīng)取得很大進(jìn)展,其中基于光子晶體的光纖、激光器、濾波器和集成光路更是成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本文綜述了近兩年來(lái)光子晶體在光纖、激光器、濾波器和集成光路應(yīng)用領(lǐng)域中所取得的最新進(jìn)展,并對(duì)光子晶體的發(fā)展作了展望。2光子晶體光子晶體也叫光子帶隙材料,它是由不同介電常數(shù)的材料間隔周期排列而成的。光子晶體根據(jù)空間分布的周期性可分為:一維、二

6、維和三維光子晶體,其共同的特征是具有光子禁帶。這也是光子晶體最根本特征之一,即頻率處于禁帶范圍內(nèi)的光子都不能在光子晶體中傳播。在光子晶體中,由于晶體內(nèi)部不同介電常數(shù)材料的原子排列是具有周期性的,這種周期性使得運(yùn)動(dòng)的光子受到周期勢(shì)場(chǎng)的作用,而形成光子能帶結(jié)構(gòu)。只有那些頻率對(duì)應(yīng)在光子能帶中的光才能在光子晶體中通過(guò),而那些頻率落在光子帶隙中的光在光子晶體內(nèi)的某些方向上是嚴(yán)格禁止傳播的。如果勢(shì)場(chǎng)足夠大,使得在任意方向上都有帶隙出現(xiàn)(即完全帶隙,那么光子在完全132帶隙中沿任何方向都不能傳播。光子晶體的另一個(gè)主要特征是光子局域,即光子晶體引入雜質(zhì)或缺陷(主要分為線缺陷和點(diǎn)缺陷時(shí),與缺陷態(tài)頻率符合的光子會(huì)

7、被局限在缺陷位置,一旦偏離缺陷位置能量將迅速衰減。當(dāng)光子通過(guò)線缺陷時(shí),會(huì)被限制在線缺陷位置,只能沿該線缺陷方向傳播,形成光波導(dǎo)。利用這一特性可以使光波在傳輸損耗很小的情況下轉(zhuǎn)過(guò)很尖銳的彎。而當(dāng)光子通過(guò)點(diǎn)缺陷時(shí),光被“俘獲”在某一個(gè)特定的位置上,光就無(wú)法從任何一個(gè)方向向外傳播,相當(dāng)于微腔。在光子晶體的實(shí)際應(yīng)用中,大多是利用光子晶體的局域特征來(lái)制作各種光學(xué)器件的。目前光子晶體的制備方法主要包括介質(zhì)棒堆積法、精密機(jī)械加工法、半導(dǎo)體微納米制造法以及膠體晶體自組裝法等6。制備難點(diǎn)主要在于要制作出足夠小的周期性結(jié)構(gòu)。隨著對(duì)這一領(lǐng)域研究的不斷深入,科學(xué)家們正在尋找更好的制備方法,并希望能夠在光子晶體的任意位

8、置引入任意的缺陷態(tài)。3光子晶體發(fā)展現(xiàn)狀3.1光子晶體光纖根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同,存在兩種導(dǎo)光機(jī)制:一種是全反射結(jié)構(gòu)(M TIR,這種PCF導(dǎo)光方式類似于普通單模光纖,利用了PCF包層的有效折射率低于纖芯的折射率而形成的全內(nèi)反射效應(yīng)。它對(duì)空氣孔直徑與周期性沒(méi)有嚴(yán)格要求,目前大多數(shù)的研究和應(yīng)用都是針對(duì)這種類型的;另一種是光子帶隙結(jié)構(gòu)(PB G,利用光子晶體的不完全光子帶隙結(jié)構(gòu)來(lái)導(dǎo)光。這種光纖對(duì)包層空氣孔的直徑及排列要求十分嚴(yán)格,但可以在近乎無(wú)損耗的低折射率纖芯(空氣或真空中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光。PCF與傳統(tǒng)的光纖相比有許多奇異特性,從而有效地?cái)U(kuò)展了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。(1無(wú)截止單模特性。無(wú)截止單模特性是指截止波

9、長(zhǎng)很短,可在近紫外區(qū)到近紅外區(qū)都維持單模工作,它是PCF最重要的特性。PCF的無(wú)截止單模特性與絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān),光纖放大或縮小仍可以保持單模傳輸,這表明可以根據(jù)特定需要來(lái)設(shè)計(jì)光纖模場(chǎng)面積。運(yùn)用這一特性,已經(jīng)制作出1550nm處模面積達(dá)到680m2的單模PCF8。這種光纖具有很多潛在應(yīng)用,如激光器、放大器和高光功率傳輸?shù)取?2非線性。在PCF中可以通過(guò)改變有效模場(chǎng)面積來(lái)加強(qiáng)或者消除非線性效應(yīng)。PCF的非線性效應(yīng)中最重要的研究是超連續(xù)譜(super continuum,SC發(fā)生現(xiàn)象9,它可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、波分復(fù)用通信系統(tǒng),以及精密頻率測(cè)量等領(lǐng)域。(3反常色散性。PCF的另一個(gè)重要特性就是其奇特

10、的色散特性,如近零超平坦色散、色散位移、色散補(bǔ)償和可調(diào)零色散點(diǎn)等。反常色散特性為制作可見(jiàn)光波段工作的光孤子光纖激光器提供了可能。(4雙折射性。對(duì)于保偏光纖而言,雙折射效應(yīng)越強(qiáng),波長(zhǎng)越短,所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中,只需要破壞PCF剖面圓對(duì)稱性,使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射。通過(guò)減少空氣孔數(shù)目或改變空氣孔直徑的方式,可以制造出比常用的熊貓型保偏光纖高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高雙折射率PCF保偏光纖。PCF目前面臨的最大困難就是如何降低路徑損耗。因?yàn)槁窂綋p耗越小,傳輸距離就越長(zhǎng)。在232OFC2004展覽會(huì)上BlazePhotonics 公司發(fā)布了目前路徑損耗最小的PCF 。這種PCF 在

11、長(zhǎng)波15601575mm 范圍內(nèi)的路徑損耗為1.72dB/km ,相比過(guò)去最低損耗13dB/km 前進(jìn)了一大步。該公司下一步目標(biāo)是將路徑損耗降低至0.05dB/km 左右,與普通光纖(最低路徑損耗約0.2dB/km 展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。2005年9月全球最大的PCF 制造商Crystal Fiber 公司設(shè)計(jì)出一種新型光纖,即單偏振單橫模光子晶體光纖。第一次通過(guò)指數(shù)匹配將應(yīng)力成分與內(nèi)部包層結(jié)合起來(lái),獲得了目前最大模場(chǎng)面積約700m 2和最大單偏振帶寬值/c 0.5的單模光纖。利用這種結(jié)構(gòu)Crystal Fiber 公司與J ena 大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)具有低非線性的單偏振單橫模雙包層摻鎰光子晶體光

12、纖,如圖1所示10。泵浦包層直徑170m ,數(shù)值孔徑約0.62。當(dāng)用帶尾纖的激光二極管泵浦1.2m 長(zhǎng)的此種光纖時(shí),得到消光比為15.5dB 的高偏振激光,差分斜率為75%,輸出功率達(dá)到25W 。這種光纖將是高功率單偏振激光器和放大器的理想選擇,通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化,這種光纖有望在超短脈沖光纖放大系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 圖1雙包層摻鎰光子晶體光纖SEM 圖像2005年Crystal Fibre A/S 推出了DC -170-40-Yb 雙包層光纖。由于具有很高的數(shù)值孔徑,DC -170-40-Yb 雙包層光纖有利于將低品質(zhì)多 模二極管泵浦光轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)高功率激光束,并具有比傳統(tǒng)的單模雙包層光纖低兩個(gè)數(shù)量

13、級(jí)的非線性效應(yīng)?？梢灶A(yù)計(jì)這種光纖將進(jìn)一步抑制光纖激光器和光纖放大器中的非線性效應(yīng),并可以應(yīng)用于無(wú)線光網(wǎng)、材料的切割和焊接、激光和主振蕩器功率放大等。應(yīng)用DC -170-40-Yb 雙包層光纖,Aculight Corporation 首創(chuàng)了二極管泵浦主振蕩器/光纖放大器(MO FA 系統(tǒng)11。目前PCF 的研究又?jǐn)U展到一個(gè)新的領(lǐng)域錐形光子晶體光纖12,即中間為光纖錐,兩邊連著非錐形光纖。光脈沖入射到光纖錐時(shí),會(huì)聚到很小的區(qū)域使得該區(qū)域的光強(qiáng)大幅度增強(qiáng),非線性效應(yīng)也隨之增大。錐形光子晶體光纖已經(jīng)被制作應(yīng)用于模式轉(zhuǎn)換,脈沖壓縮。特別指出的是,相對(duì)于以往的光子晶體光纖,錐形光子晶體光纖能夠得到更寬和

14、更平坦的SC 譜。3.2光子晶體激光器。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于紫外光子晶體激光器的研究起到了重要的推動(dòng)作用。圖2晶格常數(shù)a =115nm 處測(cè)得峰值為387.7nm 紫外光譜,內(nèi)嵌圖為此激光模式近場(chǎng)圖像3322005年美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了一種新型激光器,這種激光器由一系列二維耦合光子晶體納米腔排列而成。如圖3所示14。它具有高自發(fā)輻射系數(shù)、高微分量子效率、高輸出功率、低閾值、可輸出單模等特點(diǎn),并且可以實(shí)現(xiàn)均勻的排布和很精確的連接。這些優(yōu)點(diǎn)是耦合激光器(如垂直腔面發(fā)射激光器不能達(dá)到的。因此多納米腔排列是實(shí)現(xiàn)高功率單模激光器一種有效的途徑。這種激光器可廣泛應(yīng)用在光通信、光學(xué)圖像處理和集成光路中。 圖3光

15、子晶體單微腔激光器與光子晶體多納米腔激光器SEM 圖像2005年中科院半導(dǎo)體研究所納米光電子實(shí)驗(yàn) 室首次研制出多量子阱In GaAsP/InP 二維光子晶體薄板面發(fā)射激光器,在室溫脈沖光泵狀態(tài)下,激射波長(zhǎng)覆蓋1.481.6m 。這一創(chuàng)新性研究成果對(duì)二維半導(dǎo)體光子晶體芯片的研究有著重要意義。3.3光子晶體濾波器濾波器在光路集成和光通信領(lǐng)域的重要作用引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。利用光子晶體的帶隙特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波優(yōu)良的濾波性能。光子晶體的濾波帶寬可以做得很大,其性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通的光濾波片,其阻帶區(qū)對(duì)透過(guò)光的抑制很容易達(dá)到30dB 以上。在光子晶體中引入缺陷態(tài)能制造一些可以“通過(guò)的窗口”,而且通過(guò)

16、波段的光波損耗非常小。光子晶體濾波器的帶阻邊沿的陡峭度可以容易做到接近于90。這些優(yōu)點(diǎn)使光子晶體濾波器在集成光路、波分復(fù)用技術(shù)、衛(wèi)星遙感測(cè)量、光學(xué)信息精密測(cè)量等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。人們提出了許多方案設(shè)計(jì)不同的光子晶體濾波器:Suh 等15報(bào)道了基于兩個(gè)光子晶體平板間的波導(dǎo)諧振的機(jī)械調(diào)制光濾波器;Drysdale 等16研究了機(jī)械可調(diào)金屬光子晶體濾波器的傳輸特性,獲得3.5GHz 的可調(diào)范圍;Nemec 等17設(shè)計(jì)了一個(gè)太赫茲范圍熱量調(diào)控一維光子晶體濾波器,并實(shí)現(xiàn)了20%的可調(diào)性;由S.Gupta 等18提出的金屬2介質(zhì)復(fù)合型光子晶體濾波器可以將從低頻直到紅外波段的電磁波完全濾掉,2004年

17、日本京都大學(xué)提出了設(shè)計(jì)十分巧妙的由于有機(jī)材料相對(duì)于無(wú)機(jī)材料具有十分顯著的優(yōu)點(diǎn),例如三階非線性效應(yīng)、超速反映、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)裁剪和超波導(dǎo)特性,因此有機(jī)材料被嘗試應(yīng)用于光子晶體濾波器的制作。圖4為用粒子束在聚苯乙烯薄膜上蝕刻出規(guī)則排列的圓柱空氣孔制作出光子晶體,并在其中引入線缺陷制成二維光子晶體濾波器20。實(shí)驗(yàn)中得到光通道的寬度為2.4nm ,品質(zhì)因數(shù)為230,峰值透射率為90%。通過(guò)改變線缺陷的寬度可以實(shí)現(xiàn)光子晶體濾波器濾波特性的調(diào)節(jié),包括光通道的位置和品質(zhì)因數(shù)。目前,人們正在進(jìn)一步優(yōu)化這種濾波器的性能,希望把有機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)與濾波器更好地結(jié)合起來(lái)。圖4有機(jī)材料光子晶體濾波器和模擬與實(shí)測(cè)透射光譜北京大

18、學(xué)與中科院共同在非線性鐵磁性光子晶體中實(shí)現(xiàn)了可調(diào)多通道濾波器21。光子晶體濾波器的濾波特性可以通過(guò)調(diào)節(jié)缺陷層的厚度或者泵浦光強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.4集成光路所謂集成光路就是采用類似于半導(dǎo)體集成電路的制造方法,把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上。綜合利用光子晶體的各種性能,光子晶體可以制成大頻率范圍的光子晶體偏振器、強(qiáng)分光能力的光子晶體超棱鏡、高品質(zhì)反射鏡、高功率發(fā)光二極432管、光開(kāi)關(guān)、光放大器、光波導(dǎo)、光存儲(chǔ)器和光子頻率變換器等。光子晶體器件在尺寸上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)光電器件,因而將光子晶體用來(lái)制作集成光路是人們最給予厚望的,各國(guó)科學(xué)家都在做此方面的嘗試。4展望光子晶體從20世紀(jì)80年代末提出至

19、今,取得了很大進(jìn)展。由于它具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值和對(duì)未來(lái)光時(shí)代的重要意義,吸引了越來(lái)越多的科學(xué)家。雖然光子晶體正處于深入研究和應(yīng)用推廣階段,但可以預(yù)言光子晶體將給人類帶來(lái)不亞于微電子革命所帶來(lái)的深刻影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),與光子晶體有關(guān)的技術(shù)專利目前已達(dá)上千余項(xiàng)。國(guó)外一些大公司已開(kāi)發(fā)出了多種光子晶體器件產(chǎn)品,其中光子晶體光纖等產(chǎn)品已進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段。光子晶體的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將為未來(lái)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供一個(gè)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1Yablonovitch E.Inhibited spontaneous emission insolid2state physics and electronicsJ.P

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