光子晶體在光導(dǎo)纖維通信中的應(yīng)用

光子晶體在光導(dǎo)纖維通信中的應(yīng)用

1光子晶體的應(yīng)用20世紀(jì)下半葉是電子時(shí)代。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于生活和工作的各個(gè)領(lǐng)域，特別是促進(jìn)通信和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但近年來(lái),電子器件的進(jìn)一步小型化以及在減小能耗下提高運(yùn)行速度變得越來(lái)越困難。人們感到了電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的極限,轉(zhuǎn)而把目光投向了光子,提出了用光子作為信息載體代替電子的設(shè)想。電子器件是基于電子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng),與此類似,光子器件則是基于光子在光子晶體(PhotonicCrystals)中的運(yùn)動(dòng)。光子器件的主要特點(diǎn)是運(yùn)行速度快、能量損耗小,因而工作效率高,在光波導(dǎo)器件、高效率發(fā)光二極管、光濾波器、光子開關(guān)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。廣闊的應(yīng)用前景使光子晶體的理論研究、相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用得到了迅速發(fā)展,這一領(lǐng)域已經(jīng)成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)。1999年12月17日,美國(guó)的《科學(xué)》雜志把光子晶體方面的研究列為十大科學(xué)進(jìn)展之一。2光子晶體的概念光子晶體的概念是1987年分別由S.John和E.Yablonovitch等人提出來(lái)的,它是根據(jù)傳統(tǒng)的晶體概念類比而來(lái)。在固體物理研究中發(fā)現(xiàn),晶體中周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性電勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子有一個(gè)特殊的約束作用。同樣,介電常數(shù)呈周期性分布的介質(zhì)中,電磁波(這里指光波)的某些頻率也是被禁止的,通常稱這些被禁止的頻率區(qū)間為“光子頻率禁帶”(PhotonicBandGap)而將具有“光子頻率禁帶”的材料稱作光子晶體。光子晶體的這種特性來(lái)自于光在周期性分配的界面上的多重反射,這會(huì)在一個(gè)較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)阻止光的傳播。由于周期結(jié)構(gòu)的相似性,普通晶體的許多概念被引入光子晶體,如能帶、能隙、能態(tài)密度、缺陷態(tài)等。實(shí)際制備的光子晶體多由兩種介電常數(shù)不同的物質(zhì)構(gòu)成,其中低介電物質(zhì)常采用空氣。因此,相應(yīng)于半導(dǎo)體中的價(jià)帶和導(dǎo)帶,在光子晶體中存在介電帶和空氣帶。光子能隙分為完全能隙與不完全能隙。所謂完全能隙,是指光在整個(gè)空間的所有傳播方向上都有能隙,并且每個(gè)方向上的能隙相互重疊;不完全能隙,相應(yīng)于空間各個(gè)方向上的能隙并不完全重疊,即只有在特定方向上有能隙。要使空間各個(gè)方向上的能隙相互重疊,它們的能隙寬度要足夠大。為了得到具有完全能隙的光子晶體結(jié)構(gòu),需要從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):⑴周期性介電函數(shù)的變化幅度要足夠大,即要有高的折射率差;⑵從結(jié)構(gòu)上消除對(duì)稱性引起的能帶簡(jiǎn)并。由能帶理論計(jì)算得知,球形構(gòu)成的面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)具有很高的對(duì)稱性,對(duì)稱性引起的能級(jí)簡(jiǎn)并使它只存在不完全的能隙。為了消除對(duì)稱性,在FCC結(jié)構(gòu)的晶胞內(nèi)引入兩個(gè)球形粒子構(gòu)成金剛石結(jié)構(gòu),能產(chǎn)生很寬的完全帶隙。通過引入非球形的晶胞顆粒也能消除能級(jí)簡(jiǎn)并,從而產(chǎn)生完全的光子帶隙。也可以利用材料介電常數(shù)的各向異性來(lái)降低晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,將其應(yīng)用于光子晶體完全帶隙的設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)了改善完全帶隙的一種十分有效的新機(jī)制。3光子晶體的分類光子晶體是具有光子能帶和能隙的一類材料,根據(jù)能隙空間分布的特點(diǎn),可以將光子晶體分為一維(1D)光子晶體、二維(2D)光子晶體和三維(3D)光子晶體,如圖1所示。3.1交替疊層成料一維光子晶體是指在一個(gè)方向上具有光子頻率禁帶的材料,它由兩種介質(zhì)交替疊層而成。這種結(jié)構(gòu)在垂直于介質(zhì)片的方向上介電常數(shù)是空間位置的周期性函數(shù),而在平行于介質(zhì)片平面的方向上介電常數(shù)不隨空間位置而變化。3.2空間方向上的介電常數(shù)二維光子晶體是指在二維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料,它是由許多介質(zhì)桿平行而均勻地排列而成的。這種結(jié)構(gòu)在垂直于介質(zhì)桿的方向上(兩個(gè)方向)介電常數(shù)是空間位置的周期性函數(shù),而在平行于介質(zhì)桿的方向上介電常數(shù)不隨空間位置而變化。由介質(zhì)桿陣列構(gòu)成的二維光子晶體的橫截面存在許多種結(jié)構(gòu),如矩形、三角形和石墨的六邊形結(jié)構(gòu)。橫截面形狀不同,獲得的光子頻率禁帶寬窄也不一樣。矩形的光子頻率禁帶范圍較窄,三角形和石墨結(jié)構(gòu)的光子頻率禁帶范圍較寬。為了獲得更寬的光子頻率禁帶范圍,還可以采用同種材料但直徑大小不同的兩種介質(zhì)圓柱桿來(lái)構(gòu)造二維光子晶體。3.3光子晶體的結(jié)構(gòu)三維光子晶體是指在三維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料。美國(guó)貝爾通訊研究所的E.Yablonovitch創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)具有完全光子頻率禁帶的三維光子晶體,它是一種由許多面心立方體構(gòu)成的空間周期性結(jié)構(gòu),也稱為鉆石結(jié)構(gòu)。4最佳蛋白石的合成光子晶體是一種人造微結(jié)構(gòu),自然界里幾乎不存在。目前,蛋白石是發(fā)現(xiàn)的唯一天然光子晶體,它的結(jié)構(gòu)是將高折射率的點(diǎn)陣嵌入低折射率介質(zhì)中。但蛋白石折射率的對(duì)比相當(dāng)小,只造成較小的帶隙。目前,制備光子晶體的方法主要有以下幾種:4.1光子晶體的制備微波波段的光子晶體晶格常數(shù)在厘米至毫米數(shù)量級(jí),制作起來(lái)比較容易,用機(jī)械加工的方法就可以實(shí)現(xiàn)。1991年,E.Yablonovitch及合作者制作了第一塊光子晶體,方法是在折射率為3.6的材料上用機(jī)械方法開鉆直徑為1mm的孔,它可阻止微波從任何方向傳播。也就是說(shuō),它展示了三維的晶體帶隙。4.2光子晶體的制造技術(shù)近年來(lái),光子晶體的工作范圍推進(jìn)到紅外波段。因?yàn)楣庾泳w的晶格尺寸與光波的波長(zhǎng)相當(dāng),工作波長(zhǎng)越短,光子晶體的晶格尺寸越小,制造也就越困難。為了制造更短的亞毫米和遠(yuǎn)紅外波段的光子晶體,需要采用當(dāng)前最先進(jìn)的半導(dǎo)體微制造技術(shù),如激光刻蝕、電子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕等。利用這些技術(shù),可以較容易地制作二維光子晶體。然而,受目前刻蝕技術(shù)和工藝的局限,制造紅外和可見光波段三維光子晶體,仍存在著很大的困難。為此,人們提出了一些新的光子晶體構(gòu)造方案,如逐層刻蝕、外延生長(zhǎng)法,但其制造工藝復(fù)雜,造價(jià)昂貴。4.3反蛋白石結(jié)構(gòu)的概念在構(gòu)造光子晶體方面,還有一種工藝上很簡(jiǎn)單的技術(shù),它是利用單分散的膠體顆粒懸浮液的自組裝特性制備膠體晶體,由于膠體晶體的晶格尺寸在亞微米數(shù)量級(jí),所以,可以生長(zhǎng)出可見光近紅外波段的三維光子晶體。在60年代,人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn),單分散的聚苯乙烯乳膠球在水中能自發(fā)排列成面心立方、體心立方等有序結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)制備的膠體晶粒多為聚苯乙烯乳膠體系和二氧化硅膠體顆粒體系。遺憾的是它們不具備高的介電比和合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),為了提高介電比,制備出合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),發(fā)展了模板法,即以顆粒小球所構(gòu)成的緊密堆積結(jié)構(gòu)為模板,向小球間隙填充高介電常數(shù)的Si、Ge、TiO2等材料,然后通過煅燒、化學(xué)腐蝕等方法將模板小球除去,得到三維空間的周期結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)稱為反蛋白石結(jié)構(gòu)。從以上可以看出,反蛋白石結(jié)構(gòu)是指低介電系數(shù)的小球(通常是空氣小球)以面心立方密堆積結(jié)構(gòu)分布于高介電系數(shù)的連續(xù)介質(zhì)中,此種結(jié)構(gòu)有望產(chǎn)生完全能隙。此外,美國(guó)匹茲堡大學(xué)的J.Holtz和S.Asber制成“可調(diào)諧”光子晶體,方法是使聚合物小球在水凝膠膜層中懸浮,水凝膠由一種吸水性合成聚合物制成。這時(shí),可以通過水凝膠的縮脹來(lái)調(diào)節(jié)帶隙的波長(zhǎng)。雖然膠體型結(jié)構(gòu)很容易制作,且用極聰明的辦法解決了尺寸調(diào)整的問題,但很難將其引入發(fā)光二極管激活異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。4.4結(jié)構(gòu)的形成和調(diào)節(jié)用先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)構(gòu)造二維光子晶體已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,但在構(gòu)造可見光波段的三維光子晶體中依然有很大的困難。最近出現(xiàn)的激光全息光刻技術(shù)非常適合于制造具有亞微米尺度上周期性重復(fù)的三維結(jié)構(gòu),此技術(shù)是利用激光束的干涉產(chǎn)生三維全息圖案,讓感光樹脂在全息圖案中曝光,從而一次形成三維結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)激光束的干涉和波長(zhǎng),可以改變?nèi)S形狀的結(jié)構(gòu)和尺寸。運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù),不僅能夠制備出具有微周期的聚合物結(jié)構(gòu),而且用它們作為模板,還可以制造出具有高折射指數(shù)的完全帶隙結(jié)構(gòu)。我們已經(jīng)用激光全息光刻技術(shù)成功地制備出了網(wǎng)格狀三維微結(jié)構(gòu),如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中采用了有機(jī)鐵芳烴配合物(Irgacure261)和環(huán)氧樹脂(SU-8)配制的可見光引發(fā)陽(yáng)離子聚合樹脂,這不僅避免了自由基聚合的氧阻聚問題,而且所用樹脂透光性好,適合于深層固化,因此得到了理想的三維微結(jié)構(gòu)。4.5點(diǎn)聚合和點(diǎn)缺陷引發(fā)反應(yīng)雙光子技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型光聚合技術(shù),它要求材料中引發(fā)光聚合的活性種成分能夠同時(shí)吸收兩個(gè)光子,從而產(chǎn)生活性物質(zhì)(自由基或離子),引發(fā)聚合反應(yīng)。雙光子光聚合是點(diǎn)聚合,而且能夠通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)的加工,加工精密度比普通光聚合更高。光子晶體是一種周期性微結(jié)構(gòu),而雙光子光聚合可以提供非常規(guī)律的周期性結(jié)構(gòu),因此成為光子晶體制造的有效方法。同時(shí),雙光子光聚合的點(diǎn)的大小,取決于聚焦的技術(shù)和所使用的波長(zhǎng),因此,完全可以根據(jù)需要人為地控制晶體中點(diǎn)陣的形狀和大小。到目前為止,雙光子聚合法是人為制造晶體缺陷的一種最簡(jiǎn)便的方法。5應(yīng)用連接代理用光子作為信息載體,最有希望的光學(xué)材料是光子晶體。當(dāng)前,光子晶體應(yīng)用方面的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面:5.1全反射的威脅在光子晶體中不允許光子頻率禁帶范圍內(nèi)的光子存在,所以當(dāng)此范圍內(nèi)的一束光入射到光子晶體上時(shí),就會(huì)被全反射;此外,金屬對(duì)光波的損耗很大,而介質(zhì)對(duì)光波的吸收損耗非常小,利用這些特點(diǎn)可以制造出高效率的反射鏡,如一維光子晶體全方位反射鏡。實(shí)際應(yīng)用中,可以用光子晶體作小型平面微波天線的基底材料,制成高發(fā)射率的小型微波天線。也可以將其用于制作移動(dòng)電話的天線,它會(huì)把輻射偏離使用者頭部。5.2光子晶體的微腔內(nèi)具有強(qiáng)的輻射能力發(fā)光二極管在光通信系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用。一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過包圍它的介質(zhì)的無(wú)數(shù)次反射,大部分的光不能有效地耦合出去,從而使得二極管的光輻射效率很低。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心放入一塊特制的光子晶體中,并設(shè)計(jì)成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體的光子頻率禁帶重合,則發(fā)光中心發(fā)出的光不會(huì)進(jìn)入包圍它的光子晶體中,而會(huì)沿著特定設(shè)計(jì)的方向輻射到外面去,從而使發(fā)光二極管的效率大大提高。向光子晶體中引入微腔,在光子帶隙中將產(chǎn)生特定的缺陷態(tài)。在適當(dāng)?shù)奈⑶唤Y(jié)構(gòu)下,微腔將只對(duì)應(yīng)于單一的電磁模式。把發(fā)光二極管放入此種結(jié)構(gòu)的光子晶體中,二極管所發(fā)出的光都將進(jìn)入此單一模式,從而制成單模發(fā)光二極管。5.3微腔尺寸對(duì)形成的影響光子晶體具有優(yōu)良的濾波性能。和傳統(tǒng)的濾波器相比,光子晶體濾波器的濾波帶寬可以做的比較大,實(shí)現(xiàn)大范圍的濾波作用。在光子晶體中可以引入比光子晶體晶格空穴略小或略大的空穴,這些“微腔”在光子帶隙中會(huì)造成很窄的缺陷模。微腔的作用象光學(xué)陷阱,當(dāng)材料在寬譜段內(nèi)發(fā)光時(shí),只有與缺陷模波長(zhǎng)相匹配的波長(zhǎng)能得到放大。這是因?yàn)檫@一波長(zhǎng)可以在材料中自由傳播,而其它波長(zhǎng)則囚禁于光子晶體內(nèi)不能累積變強(qiáng),這就意味著以很窄的波長(zhǎng)范圍發(fā)射激光。此波長(zhǎng)范圍直接與微腔直徑和原有空穴直徑之比有關(guān)。此外,使光子晶體形成非尋常形狀的晶格還可使線寬進(jìn)一步壓窄,因此可以制成可調(diào)節(jié)帶寬的極窄帶選頻濾波器。5.4光子晶體光纖光纖由纖芯和包層構(gòu)成,傳統(tǒng)光纖纖芯的折射指數(shù)比包層大得多,因此它是利用光在兩種不同介質(zhì)面上的反射原理傳播光的。光學(xué)光纖同傳統(tǒng)光纖完全不同,它的纖芯折射指數(shù)比包層低,因此排除了內(nèi)反射的可能性,這種光纖的理論基礎(chǔ)是在光子晶體中引入線缺陷,頻率在光子帶隙內(nèi)的光將被限制在這一缺陷內(nèi)部傳播,這是一種新型的導(dǎo)光機(jī)制。傳統(tǒng)光纖的光損耗相當(dāng)大,而光子晶體光纖的光損耗小,可傳輸極高功率的光信號(hào)而不受損壞,這對(duì)光集成有著重要意義。巴思大學(xué)的P.Russell、J.Knight等人研制出了“多孔光纖”,這種光纖具有規(guī)則的空氣芯晶格,可傳輸高功率光信號(hào)。此外,光子晶體的潛在應(yīng)用前景也是十分廣闊的。當(dāng)家家戶戶都聯(lián)通光纖網(wǎng)的時(shí)候,能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分檢和解碼的“機(jī)頂盒”將納于光子晶體線路和器件中,而不再使用笨重的傳統(tǒng)光纖和硅電路。光纖通信的高速發(fā)展及優(yōu)越的性能使通信網(wǎng)的全光化成為必然的趨勢(shì),21世紀(jì)的通信網(wǎng)將成為光子網(wǎng)絡(luò)。6光子晶體的生產(chǎn)和利用光子晶體的發(fā)展歷史雖然只有短短十幾年,但已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛重視,許多科研工作者在光子晶體的理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的工作。目前,光子晶體的波長(zhǎng)范圍已經(jīng)發(fā)展到了紅外甚至可見光波段,但在此波段范圍內(nèi)制造完全帶隙的三維光子晶體仍存在著一定的困難,主要是尋找適宜的材料和研究結(jié)構(gòu)的加工工藝。為此,人們發(fā)明了激光全息光刻技術(shù)、雙光子聚合技術(shù),這兩種技術(shù)結(jié)合了激光光學(xué)和高分子光化學(xué)的全新手段,是邊緣性、交叉性的前沿研究領(lǐng)域。目前,在結(jié)構(gòu)的加工工藝方面,可采用激光全息技術(shù)來(lái)制造三維光子晶體,也可通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)來(lái)人為制造晶體缺陷。但在采用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),對(duì)材料也提出了更高的要求。材料聚合后的折射率應(yīng)較