《物理学论文-光子晶体集成光电子器件.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理学论文-光子晶体集成光电子器件.doc（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理学论文-光子晶体集成光电子器件摘 要: 文章简要介绍了利用光子晶体实现微纳尺度上光调控的物理原理和工作机制,重点讨论了如何利用光子晶体的缺陷态实现微纳尺度的各种集成光电子器件,并结合文章作者所在研究组的研究工作经验,简单回顾了各种类型的集成光电子器件的工作原理物理实现和光学特性.关键词:光子晶体,光电子器件,耦合器,光学共振腔,波导Photonic crystal integrated optical devicesLIU Ya-Zhao LI Zhi-Yuan(Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Aca
2、demy 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 const
3、ruction 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
4、, resonator, waveguide1 引言自1987年Yablonovitch 和John分别独立提出光子晶体的概念以来,光子晶体的理论和实验研究以及相关应用得到了迅速的发展.迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能.简单地说,光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是
5、具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术, 其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动.与传统半导体类似,光在光子晶体中传播时,受到周期点阵的布拉格散射而产生光子能带和光子带隙.利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子
6、晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里. 1996年,美国麻省理工学院的J.D.Joannopoulos小组在物理学权威杂志Physical Review Letters上发表了一篇理论研究工作1,指出光通过90的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,理论计算的结果如图1所示.随后该小组与美国Sandia国家实验室的Shawn-Yu Lin等合作,开展了微波波段的实验研究工作,证实了理论预言的结果2.该实验结果如图2所示.在这一点上, 光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势. 由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效
7、应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去. 上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究.光子晶体中的另一种缺陷形式点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件.1998年,美国麻省理工学院的S. Fan等借鉴模式耦合理论
8、,提出了由光子晶体波导与微腔构成的通道上传/下载滤波器(channel drop filters)的基本概念3.该器件由两条光子晶体单模波导和中间放置的两个全同耦合微腔构成,通过合理地选择微腔的几何构形和物理参数,能够控制波导模式与两个耦合微腔的耦合方式,使得在直线波导主干通道上传播的光信息通过共振隧穿机制而高效率(接近100%)地下载到旁支信息通道上.利用光子晶体波导和微腔的耦合作用,日本京都大学的S.Noda小组于2000年制作出了基于InGaAsP材料的应用于近红外波段的面发射下转换型滤波器4.此后一系列的关于多通道共振滤波器工作便开展了起来,目标是构建基于光子晶体的密集波分复用器件,以
9、实现微纳尺度上的光信息传输和处理.光子晶体中带隙的调控作用还体现在对光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch就预见了光子晶体点缺陷形成激光器的可能5.大体说来就是将光信号设计在导带区域,使其能够透过晶体继续传播,而噪声落入带隙区域被完全屏蔽,从而获得超过传统光源的高单色性激光输出.12年后,美国加州理工学院的A.Scherer研究小组首次实现了室温下抽运的光子晶体纳米激光器6,翻开了世界范围光子晶体激光器研究工作实用化的新一页.该小组在包含有多层量子阱结构的砷化镓桥式薄膜上制作了光子晶体微腔, 利用局域缺陷模的高品质因子,为量子阱结构发光提供了反馈机制,从而实现了具有亚波长尺度的
10、模式体积的纳米激光器.近年来,各种基于光子晶体的有源与无源器件在微纳米加工技术的支持下层出不穷,它们的出现提供了构成光子晶体集成光学回路的基本功能单元.2 二维平板光子晶体目前人工制作的光子晶体包括一维二维和三维晶体.一维光子晶体主要应用于薄膜光电子学和光栅光学领域中,但受维度所限,折射率调制作用一般比较小.三维光子晶体现有的应用是作为微波波段的天线,而由于加工和集成化的困难,鲜有应用于光频段的实用三维光子晶体器件出现.对二维光子晶体而言,无论是在微波还是光频波段,其加工技术已经十分成熟,尤其是随着微纳米加工技术的不断发展,二维平板光子晶体器件性能更加可靠,此外由于其所利用的材质与已形成工业化
11、生产的半导体光电材料一致,更为实现光电集成提供了可能.二维平板光子晶体的工作原理包括全反射效应与光子带隙效应,具体地说,就是在二维光子晶体与外界介质的接触面上,通过晶体材质与外界介质折射率差形成内全反射效应,将光子局域在晶体平板内部.在光子晶体平板面内,存在着二维光子带隙和导带的调控,因此,普通光子晶体通常的控制光子传播行为的手段都可以应用在二维平板光子晶体上二维平板光子晶体通常在硅砷化镓和其他的半导体材料的薄膜上(薄膜厚度大约是晶格常数的1/2),利用先进的半导体微纳加工技术(如紫外曝光电子束曝光离子束刻蚀等)制作出周期排列的空气孔.晶体通常为三角晶格结构,因为它有较宽的光子带隙,而且经常做
12、成悬挂在空气中的对称桥式构造,使得全反射效应最为明显.当晶格尺寸为400500nm时,光子带隙的中心波长落于1550nm左右,该晶体能够用来制备光通信波段的微纳集成光电子器件.下面我们将比较具体地介绍二维平板光子晶体功能元件的工作原理.对于完整的光子晶体而言,特定晶向上会出现导带与带隙.光子可以在导带中传播,在带隙中则不能存在.图3(a)给出了典型的二维平板光子晶体能带结构,图中灰色区域代表光锥以内的泄漏模式区域,处于泄漏模区域的光在长距离传播的过程中会逐渐因为耗散而消逝.在白色区域中,由连续点组成的线代表传播模,每一个频率对应的模式可能有一个或者多个,我们称其为单模或多模传播区域.但频率为0
13、.260.32(c/a)的区域不存在任何传播模(a为晶格常数,c是真空中的光速),这一区域即为带隙.如何使带隙区域出现传播模,这就需要缺陷的作用.缺陷又分为线缺陷与点缺陷.线缺陷的出现使原先带隙区域出现部分通带使光子能够通过,从能带分布上显示为带隙变窄.如图3(b)中引入线缺陷后,两条导模分布出现在频率0.2640.28及0.280.30(c/a)的区域,带隙宽度减小为0.02(c/a)7.因为具备了上述有利条件,线缺陷常被用作光子晶体中的光波导.制成的完整的二维平板光子晶体如图4(a)所示,晶体材料的折射率呈现周期性的排布.该结构是我们小组利用中国科学院物理研究所的微加工仪器设备设计和制作的
14、.当沿某一特定晶向破坏这种排布时就形成了线缺陷.图4(b)给出了晶体中沿三角晶格-X方向去除一排空气孔后形成的W1波导传播模式的能带图,可以看出,该波导支持单模传播.图4(c)给出了完整晶体与线缺陷晶体的透过谱理论模拟对比,可以看到线缺陷极大地压窄了带隙范围,透过率大小却基本保持不变.点缺陷是通过破坏一个或多个光子晶体“原子”形成的,它的作用通常是使原先带隙的区域出现若干个缺陷态.光子可以在缺陷态中存在,因此点缺陷被当作是二维平板光子晶体中的光共振腔,提供光子传播过程中的局域或耦合机制.3 光子晶体无源集成光学器件如前所述,不同类型的缺陷(线缺陷和点缺陷)功能各异,所以当它们集于一体时就形成了
15、集成化的二维光子晶体器件.这种尺寸只有传统光学器件几千甚至几万分之一大小的光子晶体集成器件却几乎具备了传统光学器件的全部功能,涵盖了通信和激光源等领域所有的基本需求.作为最基本的光传导方式,光子晶体中的线缺陷形成了光子晶体中的波导.通过合理地设计线缺陷的宽度和周围介质的占空比,可以制作出支持单模或多模式的光波导,并实现能量的平均分配.如图5(a)中的宽线W3波导是本小组制作的在晶体中沿三角晶格-X方向去除三排空气孔后得到的结构.能带计算结果表明,该波导支持多模运转,在不同频率窗口的光具有不同的模式数量,可以为单模,也可以为双模甚至三个模式,它们沿波导轴线或为左右对称(偶模),或为左右反对称(奇
16、模).当多个模式在波导中同时存在时,由于模式之间场的干涉效应将导致光场分布的图案具有复杂多样性,呈现出对称或弯曲的分布形式(图5(b)8.信号在沿线波导传输的过程中,可以依据能量分配的需求,以制定的比例,分配到每个分支线波导中,图6(a)给出了本小组制作的光子晶体树型分支波导,它将能量均匀地分配到4个通道中.图6(b)和6(c)分别是其中的一个分支单元以及在红外显示下能量均分的实测图9,10.树型分支波导的接口处经过合理地优化后可以实现低损耗传播,比如调制线波导周围基元占空比就可以达到低损耗的目的11,12.高效率的分支波导连接结构为光子晶体共振滤波器的制作奠定了基础.光子晶体中的点缺陷形成了光学微腔,微腔的性能参数通过控制微腔的形态和尺寸大小来确定.常见的微腔形成方法有3种:或增大某基元的占
