光子晶體對光的操縱作用

光子晶體對光的操縱作用

0光子晶體集成技術(shù)。在微納米mems自近代微電子技術(shù)誕生以來，該算法在每個月的單芯數(shù)據(jù)密度中增加了兩倍，這進(jìn)一步促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。當(dāng)信息處理的頻率和信號帶寬越來越高時,通過金屬線傳輸電子會帶來難以克服的發(fā)熱問題和帶寬限制;而線寬減小到深納米尺度時,相鄰導(dǎo)線的量子隧穿效應(yīng)成為電子器件發(fā)展的重要瓶頸。這迫使人們越來越關(guān)注光信息處理技術(shù),并嘗試用光器件來替代部分傳統(tǒng)電子器件,以突破上述瓶頸限制。實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于如何將光子器件尺寸降低至微納米量級,并能與微電子電路集成在同一芯片上。目前比較有效的方法有三種:納米線波導(dǎo),表面等離子體和光子晶體。其中,光子晶體具有體積小、損耗低和功能豐富等多種優(yōu)點,被認(rèn)為是最有前途的光子集成材料,稱為光子半導(dǎo)體。1987年,美國Bell實驗室的Yablonovitch和Princeton大學(xué)的John分別在研究如何抑制自發(fā)輻射和無序電介質(zhì)材料中的光子局域時,各自獨(dú)立地提出了“光子晶體”(Photoniccrystal)的概念。在過去的20年中,光子晶體獲得了前所未有的關(guān)注和飛速的發(fā)展。全世界每年發(fā)表的相關(guān)論文數(shù)量以指數(shù)增長,應(yīng)用光子晶體領(lǐng)域的廣度和深度也在不斷擴(kuò)展,涉及到微波通信、太赫茲器件、光子芯片、通信器件、太陽能電池、生物化學(xué)傳感和隱身技術(shù)等。在光子集成領(lǐng)域,應(yīng)用光子晶體的帶隙特性,各種光發(fā)射器件、波導(dǎo)、分束器、耦合器、濾波器、光開關(guān)、調(diào)制器等逐漸從研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用,其性能也不斷提高。近年來,光子晶體的慢光、自準(zhǔn)直,負(fù)折射等非帶隙特性成為了研究的新熱點。本文在我們小組對光子晶體研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,介紹了光子晶體的重要物理特性和光子晶體集成器件研究方面的最新進(jìn)展,最后對光子晶體器件的發(fā)展趨勢做了展望。1光子晶體的特性光子晶體是介電材料在波長尺度上周期排列的人工電磁晶體。不考慮材料的色散與損耗,對光子晶體應(yīng)用無源的麥克斯韋方程,僅列出磁場的頻域方程為?×(1ε(r)?×H)=(ω2/c2)H(1)?×(1ε(r)?×Η)=(ω2/c2)Η(1)對光子晶體,介電常數(shù)又滿足下式ε(r)=ε(r+R)(2)ε(r)=ε(r+R)(2)同固態(tài)晶體中電子運(yùn)動的薛定愕方程類比,磁場具有形式H(r)=eikrHn,k(r)的解,并可以畫出光子晶體的能帶結(jié)構(gòu),見圖1。其中,橫坐標(biāo)表示三維光子晶體中沿簡約布里淵區(qū)高對稱方向變化的波矢k,單位為π/a,a為光子晶體晶格常數(shù)。橫坐標(biāo)上的字母表示簡約布里淵區(qū)中的高對稱點,其中Г表示原點,X,U,L,W,K表示簡約布里淵區(qū)高對稱方向的邊緣。電子在固態(tài)晶體的周期性勢壘下能形成電子帶隙,光子晶體的周期性晶格對光的布拉格散射可以形成光子帶隙,如圖1中陰影部分。頻率處在光子帶隙中的光被禁止進(jìn)入光子晶體。根據(jù)這種帶隙在空間分布的維度,光子晶體可以分為一維、二維和三維光子晶體。三維光子晶體禁止任何角度入射的光進(jìn)入光子晶體。若光子晶體中某個地方不滿足周期性,即引入了缺陷,禁帶中就會出現(xiàn)缺陷態(tài),缺陷態(tài)具有很高的光子態(tài)密度。采用各種材料,設(shè)計不同的光子晶體結(jié)構(gòu)和引入不同的缺陷類型以及缺陷組合,可以制作出功能和特性各異的微納光子器件。光子晶體的禁帶特性最先被用來做成完美的反射鏡和天線。引入線缺陷可以形成波導(dǎo)或光子晶體光纖。光子晶體光纖以其豐富的用途目前已經(jīng)形成了一門單獨(dú)的學(xué)科。當(dāng)引入點缺陷時,將形成另一種重要的結(jié)構(gòu)——微腔。品質(zhì)因子Q值是表征諧振腔性能的重要參數(shù)。Q值越高,限制光的能力越強(qiáng)。據(jù)最近的報道,在體積為立方波長的范圍內(nèi),Q值最高已經(jīng)達(dá)到2×106,極其接近理論上的Q值極限107。應(yīng)用微腔,韓國先端科技研究所的Park等于2004年在世界上首次報道了電驅(qū)動的單模低閾值室溫光子晶體激光器。最近,日本京都大學(xué)的SusumuNoda在Science周刊上發(fā)文認(rèn)為引入點缺陷的量子點光子晶體激光器是最終的納米激光器。將點缺陷、線缺陷按不同的方式組合起來,就可以形成各種發(fā)光器件、波導(dǎo)、分束器、耦合器、濾波器、光開關(guān)、調(diào)制器等。然而,所有這些光器件在制作完成后就只能以先前設(shè)計的固定特性參數(shù)工作。為了能夠動態(tài)控制光,人們需要找出一種特性參數(shù)可調(diào)的工作機(jī)理。日本東京大學(xué)的YoshinoriTanaka和他的同事最近演示了一種動態(tài)改變Q值的結(jié)構(gòu),見圖2,其中Qin為有反射鏡時微腔與波導(dǎo)平面的耦合品質(zhì)因子,Qv為微腔在垂直平板方向的耦合品質(zhì)因子。該結(jié)構(gòu)由三部分組成:與波導(dǎo)耦合的微腔,具有非線性響應(yīng)(用來調(diào)節(jié)相角)的波導(dǎo)和一個理想反射鏡(實際應(yīng)用的是光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡)。在此結(jié)構(gòu)中,微腔的Q值由1/Q=1/Qv+1/[Qin0(1+cosθ)]給出,其中Qin0為沒有反射鏡時微腔與波導(dǎo)平面的耦合品質(zhì)因子,θ表示光相角。用泵浦光照射鏡子與微腔間的非線性區(qū),會產(chǎn)生出光生載流子,引起光照射區(qū)的折射率發(fā)生改變,造成θ角發(fā)生變化。據(jù)前面的等式,相應(yīng)的Q值得到調(diào)節(jié)。通過實驗測量,采用該結(jié)構(gòu),在皮秒量級的時間內(nèi),Q值動態(tài)地從3000改變到了12000。采用上述調(diào)Q機(jī)理,應(yīng)用一系列這種微腔可以實現(xiàn)可調(diào)的慢光以致光停滯。若與其它缺陷結(jié)構(gòu)集成到一個芯片上,可以方便的實現(xiàn)可調(diào)光頻率激光器、光緩存以及量子信息處理等許多動態(tài)光子器件。有效的動態(tài)控制光的實現(xiàn)表明人們向完全控制光的目標(biāo)又進(jìn)了一步。2光子晶體培養(yǎng)模式改進(jìn)的效果慢光是指光以低于真空光速c的群速度傳播。當(dāng)波包內(nèi)的頻率成分變化很小時,光的群速度可以表示為Vg=ue014ω/ue014k。通常用群折射率ng表示慢光的性能。群折射率定義為真空光速c與群速度Vg的比值,ng=c/Vg,為無量綱量。在圖1的光子晶體帶隙圖中,可以看到在帶的邊緣,光模式色散曲線有一小段近似水平,即ue014ω/ue014k=0,也就是Vg很小。光子晶體的慢光通常就是工作在這一狀態(tài)下。不同于微腔在小體積范圍內(nèi)加強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用,具有慢光效應(yīng)的光子晶體波導(dǎo)能在波導(dǎo)中加強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。光子晶體慢光波導(dǎo)最大的優(yōu)點就是可在室溫下產(chǎn)生慢光,并且使器件的體積可以做的很緊湊,在光學(xué)延遲線、全光緩存、相位調(diào)制等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。但是當(dāng)群速度接近零時,慢光帶寬會變得很窄;而且高速信號的波形也會因為慢光的二階色散而失真。為了克服這些問題,帶啁啾的方向耦合器和耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被用來擴(kuò)展帶寬和補(bǔ)償色散。但是這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,制作困難;另外,其對色散補(bǔ)償?shù)姆绞綄Ψ蔷€性應(yīng)用也不合適。作為一種可能的替代方案,最近,日本橫濱大學(xué)ToshihikoBaba小組通過輕微調(diào)節(jié)內(nèi)孔的直徑,在光子晶體平板線缺陷波導(dǎo)中實現(xiàn)了小的群速度和極低的色散。該平板波導(dǎo)由空氣圓孔組成三角晶格光子晶體。圖3左邊為其俯視圖,右邊為采用不同2r/a,和對應(yīng)的2r′/2r優(yōu)化后的低色散低群速度特性圖。其中灰色柱狀區(qū)與實線重合部分為工作頻帶。工作頻帶的特性線很平,表明色散很低。但當(dāng)2r/a增加時,優(yōu)化的2r′/2r接近1,波導(dǎo)的低色散低群速度特性表現(xiàn)在更高的頻率。據(jù)圖可以在低色散的情況下,根據(jù)應(yīng)用需要,在帶寬和群速度中平衡考慮。圖4為2r/a=0.652,而r′/2r分別為(a)1.0,(b)0.89,(c)0.86時的實際測量透過譜,群折射率和相應(yīng)能帶圖。在群折射率圖和能帶圖中,并用虛線畫出了相應(yīng)的理論計算的曲線?？梢钥吹?群折射率ng存在臺階狀,表明實際存在低群速度低色散的特性,而且理論計算與實驗吻合較好。3光偏振分束器—光子晶體自準(zhǔn)直器件光在某些無缺陷的光子晶體中能夠沿某一特定方向自準(zhǔn)直傳輸,傳輸過程中光束不會因為衍射而展寬,稱作光子晶體自準(zhǔn)直波導(dǎo)。通常,在計算光子晶體能帶時,都是沿著連接布里淵區(qū)高對稱點的直線路徑(如Γ-M,M-K,K-Γ等)進(jìn)行的,得到的能帶是一些曲線。但實際上,布里淵區(qū)空間上每一個波矢量點都對應(yīng)于一些特征頻率。因此,實際的能帶是一些曲面,稱作色散曲面。對每個能帶色散曲面在相同高度做切面,得到的交線就是等頻線。由于光的群速度方向總是垂直于等頻線,因此從等頻線上,可以直觀的得到群速度方向的信息。如果等頻線形狀接近直線,光將只能沿垂直于此直線的單一方向傳播,從而實現(xiàn)自準(zhǔn)直。光子晶體自準(zhǔn)直的最大優(yōu)點是損耗低,構(gòu)成波導(dǎo)不需要引入缺陷。最近,應(yīng)用這一原理,已經(jīng)設(shè)計或者制作出了無缺陷波導(dǎo)、光分束器、馬赫澤德爾干涉儀、光交叉路由等器件。光偏振分束器是一種比偏振片功能更復(fù)雜的器件,因為它要求把兩種偏振態(tài)平等的分開。最近,一種基于自準(zhǔn)直的光偏振分束器引起了人們的注意。光偏振分束器由光束的引入部分和偏振態(tài)分束部分組成,如圖5所示。光束的引入通過低折射率差的光子晶體平板實現(xiàn)。采用相對很小的結(jié)構(gòu),就可以在較寬的頻帶內(nèi)獲得同時對TE態(tài)和TM態(tài)性能相同的自準(zhǔn)直。偏振分束可以通過在這樣的自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)中插入晶格常數(shù)相同、但填充比不同的光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出對TE態(tài)有很大的反射率,同時對TM態(tài)具有很高的透過率,從而實現(xiàn)偏振的分束。圖5為該結(jié)構(gòu)的二維有限時域仿真圖,左邊為對TE態(tài)的反射,右邊為對TM態(tài)的透射。圖6為實際測量得到的偏振分束器的輸出光譜。左邊插圖為實際制作的偏振分束器的顯微鏡圖。在大于5%的頻率帶寬范圍內(nèi),TM輸出通道的透過率為35%,TE串?dāng)_為0.2%—0.8%的;TE輸出通道的透過率為25%—30%,TM串?dāng)_為3%—4%。表明光子晶體偏振分束器具有良好的偏振分束性能,進(jìn)一步改進(jìn)該結(jié)構(gòu)的散射損耗,有望進(jìn)一步提高TM和TE的透過率,達(dá)到實用化的水平。4光子晶體的超晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)光入射至兩種結(jié)構(gòu)的界面時,入射光和折射光位于界面法線同側(cè),折射角為負(fù),這種現(xiàn)象稱為負(fù)折射。在某些光子晶體界面上也存在負(fù)折射現(xiàn)象。通常有兩種類型:1)在k空間,頻率增加時,等頻線向Γ點收縮。此時,群速度和相速度方向相反,介質(zhì)有效折射率小于零。2)在某些頻率的等頻線上,由于受到入射波和折射波沿界面切向的波矢分量守恒條件的限制,使得電磁波群速度向負(fù)方向偏折。此時,群速和介質(zhì)有效折射率都大于零,但仍表現(xiàn)出負(fù)折射現(xiàn)象。自Notomi在2000年預(yù)測光子晶體負(fù)折射行為后,人們紛紛將目光轉(zhuǎn)移到光子晶體的負(fù)折射,尤其是負(fù)折射成像的研究。普通正折射光學(xué)透鏡成像時,由于攜帶物體亞波長信息的消逝波隨傳播距離呈指數(shù)衰減,達(dá)到像平面的電磁波將損失物體的部分亞波長信息,這就是產(chǎn)生瑞利衍射極限的根源。在負(fù)折射介質(zhì)中傳播的消逝波振幅會被放大,它所包含的亞波長信息可以全部被保留下來。因而負(fù)折射成像可以突破衍射極限,實現(xiàn)具有亞波長分辨的完美成像。因此,人們試圖用光子晶體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)全角度負(fù)折射和亞波長平板成像。但目前尚未報道光子晶體在可見光范圍的負(fù)折射,同時,光子晶體負(fù)折射的光損耗也很大。最近,以色列的Davidov小組提出了一種稱為光子晶體超晶格的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了微波頻段的負(fù)折射,并具有很低的光損耗,有望實現(xiàn)可見光的負(fù)折射。該平板結(jié)構(gòu)由兩種直徑不同但介電常數(shù)相同的介質(zhì)棒組成。這種超晶格導(dǎo)致了在原有的單一大直徑光子晶體的帶隙中出現(xiàn)了一個傳輸子帶,該子帶表現(xiàn)出了傳輸損耗可以忽略的負(fù)折射性能。圖7顯示了這種超晶格結(jié)構(gòu)在Γ-K和Γ-M方向上的仿真透過譜,左下角上方小插圖為超晶格光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)圖,下方是大介質(zhì)棒的晶格結(jié)構(gòu)圖。大介質(zhì)棒的直徑2.5mm,小介質(zhì)棒直徑1.25mm,都形成三角晶格結(jié)構(gòu),介電常數(shù)。大介質(zhì)棒的晶格常數(shù)a=5.4mm,且其數(shù)目是小介質(zhì)棒數(shù)目的2倍。實線為超晶格光子晶體的透過譜線,虛線表示原始大介質(zhì)棒光子晶體透過譜,陰影區(qū)為帶隙中間出現(xiàn)的子帶。圖8顯示了運(yùn)用這種超晶格光子晶體設(shè)計的超棱鏡的負(fù)折射等頻線,右下角小圖為棱鏡的外形和電磁波入射與出射的方向。黑線表示波矢量k,藍(lán)線表示群速度Vg。六邊形區(qū)域內(nèi)表示超棱鏡的等頻線,外環(huán)為自由空間的等頻線。可以看出,在棱鏡內(nèi)部表現(xiàn)出左手物質(zhì)的性質(zhì),整體光傳播表現(xiàn)為負(fù)折射。光子晶體超晶格的負(fù)折射具有很低的損耗,有望實現(xiàn)光頻段的負(fù)折射和成像;若在結(jié)構(gòu)中引入缺陷態(tài),可能實現(xiàn)全方向負(fù)折射。光子晶體負(fù)折射器件的進(jìn)一步發(fā)展,將在隱形器件、突破“衍射極限”成像、超精密光刻、新一代的諧振腔和納米集成光路等方面有廣泛的應(yīng)用。5光子晶體器件的發(fā)展趨勢作為光半導(dǎo)體,光子晶體對光的完美控制能力引起了研究者越來越廣泛的注意。人們在應(yīng)用光子晶體的過程中,進(jìn)一步擴(kuò)展和豐富了光子晶體器件的種類和功能[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]。本文簡要敘述了光子晶體的重要物理特性和光子晶體器件的最新進(jìn)展。作者認(rèn)為今后光子晶體器件的發(fā)展趨勢將會呈現(xiàn)如下的特點:1)基于光子帶隙的光子晶體器件功能會更復(fù)雜,特別是各種動態(tài)可調(diào)器件將不斷涌現(xiàn);2)慢光器件的色散、損耗以及帶寬性能將不斷提升;3)更多的功能結(jié)構(gòu)和自準(zhǔn)直效應(yīng)集成,器件性能得到不斷改善;4)光子晶體負(fù)折