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文檔簡介

1、光子晶體集成光電子器件                           摘 要: 文章簡要介紹了利用光子晶體實現微納尺度上光調控的物理原理和工作機制,重點討論了如何利用光子晶體的缺陷態實現微納尺度的各種集成光電子器件,并結合文章作者所在研究組的研究工作經驗,簡單回顧了各種類型的集成光電子器件的工作原理1,指出光通過90°的光子晶體波導

2、轉彎角時,在某些頻率窗口能夠獲得接近100%的傳輸效率,理論計算的結果如圖1所示.隨后該小組與美國Sandia國家實驗室的Shawn-Yu Lin等合作,開展了微波波段的實驗研究工作,證實了理論預言的結果2.該實驗結果如圖2所示.在這一點上, 光子晶體波導具有傳統介質波導(如光纖)無可比擬的優勢. 由于傳統介質波導通過光在芯層和包層之間的分界面處的全反射效應來實現傳輸,當光遇到大的轉彎角(比如大于30°)時,全反射條件不再滿足,相當比例的光能量將從轉彎角處泄露到周圍空間中去. 上述的研究工作表明,光子晶體波導能夠在微納尺度上實現對光的高效率偏轉.受到該研究成果的激勵,許許多多應用于不

3、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得到了廣泛的研究.光子晶體中的另一種缺陷形式點缺陷通常用來構成光子晶體結構中的微腔,在微腔中只有頻率與之共振的光子才能存在,形成一個或多個共振模式,因此微腔具有共振選頻的作用.波導與微腔配合使用,構成了集成光學基本元件.1998年,美國麻省理工學院的S. Fan等借鑒模式耦合理論,提出了由光子晶體波導與微腔構成的通道上傳/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和中間放置的兩個全同耦合微腔構成,通過合理地選擇微腔的幾何構形和物理參數,能夠控制波導模式

4、與兩個耦合微腔的耦合方式,使得在直線波導主干通道上傳播的光信息通過共振隧穿機制而高效率(接近100%)地下載到旁支信息通道上.利用光子晶體波導和微腔的耦合作用,日本京都大學的S.Noda小組于2000年制作出了基于InGaAsP材料的應用于近紅外波段的面發射下轉換型濾波器4.此后一系列的關于多通道共振濾波器工作便開展了起來,目標是構建基于光子晶體的密集波分復用器件,以實現微納尺度上的光信息傳輸和處理.光子晶體中帶隙的調控作用還體現在對光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch就預見了光子晶體點缺陷形成激光器的可能5.大體說來就是將光信號設計在導帶區域,使其能夠透過晶體繼續傳播,而噪

5、聲落入帶隙區域被完全屏蔽,從而獲得超過傳統光源的高單色性激光輸出.12年后,美國加州理工學院的A.Scherer研究小組首次實現了室溫下抽運的光子晶體納米激光器6,翻開了世界范圍光子晶體激光器研究工作實用化的新一頁.該小組在包含有多層量子阱結構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因子,為量子阱結構發光提供了反饋機制,從而實現了具有亞波長尺度的模式體積的納米激光器.近年來,各種基于光子晶體的有源與無源器件在微納米加工技術的支持下層出不窮,它們的出現提供了構成光子晶體集成光學回路的基本功能單元. 78.信號在沿線波導傳輸的過程中,可以依據能量分配的需求,以制定的

6、比例,分配到每個分支線波導中,圖6(a)給出了本小組制作的光子晶體樹型分支波導,它將能量均勻地分配到4個通道中.圖6(b)和6(c)分別是其中的一個分支單元以及在紅外顯示下能量均分的實測圖9,10.樹型分支波導的接口處經過合理地優化后可以實現低損耗傳播,比如調制線波導周圍基元占空比就可以達到低損耗的目的11,12.高效率的分支波導連接結構為光子晶體共振濾波器的制作奠定了基礎.光子晶體中的點缺陷形成了光學微腔,微腔的性能參數通過控制微腔的形態和尺寸大小來確定.常見的微腔形成方法有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

7、類功能是用作高品質因子的光學共振腔和光傳播過程中的耦合器.作為第一種應用是利用微腔對光子局域作用,將波導中傳輸的光通過微腔與波導間的共振耦合轉移并存儲到微腔中,微腔的形態經過特定設計,確保光子經多次共振增強后直接向平板光子晶體表面輻射,形成高品質因子的激光輸出.這種垂直出射的光學共振腔類似于表面發射激光器,是將水平方向傳播的光轉換到垂直方向上的發射的一種有效方法.微腔的另一種作用是作為耦合器,將輸入波導中的光信號耦合到輸出波導中.在這種情況下,需要微腔的共振模與輸入輸出波導的傳播模式完全匹配.當滿足共振波長的光子進入輸入波導后,將通過波導與微腔之間的共振耦合效應局域在微腔中,進而再由微腔向輸出

8、波導耦合.此時微腔起到了耦合器的作用,與傳統環形腔耦合器作用近似. 11,12.嵌入式濾波器將微腔直接放在線波導內,控制微腔的數量和位置選擇不同的光信號通過.連接式濾波器則把線波導斷開,通過微腔共振連接線波導兩端13.無論是哪種形式的直接耦合濾波器,都可將光信號直接作用于微腔,只有與腔缺陷模相匹配的光子能繼續傳播,其余光子則不能通過波導.這種濾波器的優點在于腔與波導的耦合效率高,避免了共振耦合時距離等因素對耦合效率的影響.間接耦合濾波器把微腔與波導分離開,波導與微腔在光子晶體平面內存在一段距離,二者通過平面內的倏逝波耦合實現光信號傳送.距離的存在為調整輸出信號的品質因子提供了有效手段

9、,本小組的一項工作就是利用調節波導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分別移動了10和20nm,最后得到了波長間隔僅為1.5nm的兩路共振輸出光信號,實測共振峰值曲線由圖8給出14.以這種濾波器為基礎繼續開發了間接耦合的四通道濾波器(見圖9),同樣得到了較為理想的結果.在長期的試驗過程中,本組還發現了光子晶體中原子形態對于晶體和缺陷的模式調制作用,并首次利用這種新型的調制手段制作了間接耦合四通道濾波器.由圖10可以看到,經過對原子形態的合理設計,可以使各個通道的輸出信號精確到幾個納米1519,20,但研究的進展還遠不止于此,隨后Q

10、值的增長呈現出以若干個數量級為單位的趨勢.由于微腔由點缺陷構成,缺陷與周圍晶體在電場分布上會出現相當“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解決這一問題就需要將腔內電場分布改善為理想高斯型分布,由中心向腔兩端對稱平緩遞減.這樣的模式分布使得腔內電場的低空間頻率的分量(泄露模式)大幅度減少,從而使腔內光場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 等人首次嘗試通過精細地改變微腔邊緣對稱空氣孔(一對或更多對)的位置(圖11(a)得到了Q=100,000的微腔2122.于“關閉”的狀態,當有強抽運光入射到晶體上,由于晶體材質本身折射率在非線性作用下發生變化,破壞了初始的能帶分布.在合理地選擇晶體材質與抽運光的情況下,原先帶隙的位置及大小受到調制,使原本落在帶隙中的光子進入導帶,光信號通過晶

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