ch2光子晶体和光子芯片ppt课件.ppt

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1、1,OPTOELECTRONICS光子晶体与光子芯片,Ren R,西安交通大学,Chapter 6Photonic Crystal and Photonic Chip,2,提要,一、光子晶体的内涵二、光子晶体的分类与制备三、光子晶体的物理属性与功能应用四、光子晶体的基础研究与发展前景五、结论,3,光子晶体的发展过程,光子晶体于1987年由E. Yablonovitch提出。在此之前人们已经应用了光子晶体：布拉格光栅。布拉格光栅属于一维光子晶体。在DFB激光器中使用了布拉格光栅，并且利用了光子晶体的缺陷态。DFB激光器中的/4相移实际为一个一维光子晶体中的面缺陷。1991年制造出第一个人造三维光

2、子晶体Yablonovite型光子晶体。光子晶体光纤是典型的二维光子晶体，最早由ST. J. Russell 等人于1992年提出。1998年报道了第一个真正利用光子禁带（PBG)导光的光子晶体光纤。V. Berger于1998年提出非线性光子晶体。,4,光子晶体的内涵,自然界中的光子晶体,蛋白石是天然界的光子晶体,蝴蝶翅膀鳞片具有光子晶体结构,澳大利亚盛产的蛋白石具有光子晶体结构，它是有二氧化硅纳米球堆积而成，它的色彩与色素无关，而是由于具有不同带隙的光子晶体结构，反射不同颜色的光。蝴蝶翅膀的鳞片也是光子晶体结构，它的色彩与选择反射光有关。,5,什么是光子晶体,光子晶体是折射率在空间周期性变

3、化，存在一定光学能带间隙的介质结构。特点：具有一定的光学禁带，对于某些波长是不能透射过光子晶体的。折射率在空间排列的周期是波长量级。光子晶体的材料对工作波段的光的吸收很小。,6,光子晶体与半导体的异与同,单晶半导体是原子或分子在空间周期性排列，存在一定能带间隙的介质结构。光子晶体与半导体的相同点：都是周期性排列的结构都具有一定的能带结构，都存在能带间隙光子晶体与半导体的主要不同点：光子晶体的理论基础建立在Maxwell方程基础上；半导体的理论基础建立在Schrodinger方程基础上；它们分别属于电动力学和量子力学的范畴。,7,光子晶体的传播态与光学能态的结构,如果比较薛定谔方程和波动方程：

4、（薛定谔方程） （波动方程）并让以下两式成立：可以发现两式形式是相近的。由于光子晶体折射率的排列与晶体中原子的排列类似，都具有周期性，分析时都可以引入布洛赫波函数，因而可以得出：当光子晶体中折射率周期为波长量级时，可以出现与固体能带理论中的禁带相类似的光学禁带。,8,光子晶体的布里渊区,由于光子晶体中的折射率分布是周期性的，与晶体中的原子排列类似，而且它们遵循的理论公式的表达形式也是类似的，因而固体理论中的许多概念都可以引入到光子晶体中，在光子晶体上，如倒格子、布里渊区、色散关系、Bloch函数等。,三维面心结构光子晶体第一布里渊区,9,a,G,X,M,irreducible Brilloui

5、n zone,2D periodicity,E,H,E,H,TM,TE,frequency w (2c/a) = a / l,G,X,M,G,10,缺陷态与局域态,与固体能带理论类似，在完美的光子晶体中也可以引入杂质和缺陷，使严格的周期结构破坏，这些缺陷能够束缚一定频率的光子，产生局域化的能级，这部分局域态位于光学禁带之中。在光子晶体中也可以引入不同类型的缺陷：点缺陷，线缺陷和面缺陷等。这些缺陷的控制是光子晶体实现各种功能的基础。,11,缺陷态与局域态,完整二维光子晶体及其光学能带图,带线缺陷二维光子晶体及其光学能带图,12,光子晶体的分类与制备,光子晶体形态一维光子晶体在一个方向 上具有周期

6、性：如布拉格光栅二维光子晶体在两个方向上具有周期性：如光子晶体光纤三维光子晶体在三个方向上具有周期性：如天然opal宝石,13,二维光子晶体的制备,a、光子晶体光纤的制备方法：与常规光纤的制备方法相同，首先制备PCF的预制棒，将二氧化硅毛细管和实心棒按一定的排列组合成具有一定空气/二氧化硅比例的预制棒，制备预制棒的随意性很高，可以制备出不同尺寸和形状的芯区。然后将PCF预制棒在高温下拉丝成光纤，最后PCF外层涂覆保护层。,14,二维SOI光子晶体波导的制备方法,制备工艺流程1、 热氧化2、HF溶解二氧化硅，减薄顶部硅层3、旋涂PMMA4、 在150烘烤，45分钟56、电子束曝光（30KV）7、

7、化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）8、去除PMMA910、减薄衬底，解理，用HF去除夹层SiO2,15,三维光子晶体的种类及制备方法,根据光子晶体的发明人命名的Yablonovite型光子晶体是第一个具有光学禁带的人造三维光子晶体，于1991制备而成，制备工艺特点：选用材料为PMMA，采用X射线曝光技术，对掩膜上每个孔曝光三次，曝光的角度与基片的法线方向成35.26，每个曝光角度之间的夹角为120。该光子晶体即可以工作在微波范围，也可以工作在光学波长。,16,Woodpile型光子晶体主要针对GaAs基和InP基材料，制备工艺采用Wafer fused 技术4,5 。这种工艺有两个特点，第一，采

8、用Wafer fused 技术，在H2气氛下，将两样品熔融连接，第二，为了保证接触点的对准，采用了激光衍射对准技术。这种 Woodpile型光子晶体以四层为一个单位，当层数越多时，光学禁带现象表现地越为突出。,Woodpile型光子晶体,17,其他三维光子晶体结构,（Diamond 型）,Scaffolding 型,反opal型,FCC型,Square Spiral 型,可调3D反opal型,18,光子晶体缺陷的引入与控制方法,光子晶体的应用主要基于其缺陷态的基础上的，因而对光子晶体缺陷的引入和控制是使光子晶体走向实用化的关键。目前对于一维和二维光子晶体的控制从工艺角度上还是容易的，而对于三维

9、光子晶体中的缺陷的引入和控制目前还是个难题。对于一维光子晶体和二维光子晶体，缺陷的引入可以通过版图设计实现。光子晶体中的缺陷与固体理论中的空位型和间隙型缺陷类似。缺陷在光学禁带中引入的缺陷能级与材料的折射率差，缺陷大小等因素有关。要是缺陷态能级符合人们需要的能级，需要较高的设计水平。,19,光子晶体的特性与功能,光子晶体导波特性与应用光子晶体与传统的介质波导的导波特性有本质的区别：介质光波导采用全反射型导波，光子晶体利用光子禁带的局域态导波，即布拉格型导波。,传统全反射型导波,布拉格型导波,20,光子晶体光纤的导波特性,改进型全反射光子晶体光纤（M-TIR fibres）光子晶体光纤利用以上两

10、种导波特性可以分为两类 ：一类为改进型全反射光子晶体光纤（M-TIR fibres），又被称为无尽单模光纤（endlessly single-mode fiber)；另一类为光子禁带光纤(PGB fiber)。M-TIR光纤纤芯是SiO2，且空气填充率很小，不出现光子禁带，但有效折射率差仍很大；对多模泄漏严重，只承载单模传输，且与芯区尺寸无关，可比传统单模光纤大得多（10）强限制又使芯区尺寸可比传统光纤10以上，高功率密度强非线性，10-6J（比传统的103)即能产生光孤子，Raman效应，四波混频热点：用于研制宽带平坦闭光纤激光器,M-TIR光纤15,M-TIR光纤远场像（红绿光激发）15,

11、超强非线性光纤17,21,在钛宝石fs激光泵浦后光子晶体光纤产生的超连续光谱,22,光子禁带光纤（PBG Fiber),空气型PCF,空气芯PCF近场像,空气型PCF传输谱,PCF导光是利用光子晶体的局域态导光PCF导光通道可以是真空，空气或其他低低折射率介质PCF对不同光的传输具有选择性PCF如以真空和空气作为传播通道，可以传输高能量密度的光，损耗很小，没有色散，不出现非线性效应，但也可以填充某些气体和液体，产生较强的非线性效应用于长途干线光通信,23,光子晶体波导,二维光子晶体波导,woodpile型三维光子晶体,在光子晶体中引入线缺陷后具有束缚光传播的功能，因而可以作为波导使用。但是光子

12、晶体与其它类型的波导相比具有其独特的优点。对于普通型波导，由于在弯曲部分存在弯曲损耗，因而波导的弯曲半径需要满足一定的条件，但是对于光子晶体型波导，波导的弯曲半径是非常小的。光子晶体波导可以缩小集成波导器件的尺寸，实现趋小型PLC，如分路器，耦合器等。,24,光子晶体缺陷态对光子的俘获与释放作用,与半导体中的缺陷俘获电子或空穴的能力一样，光子晶体中的缺陷也具有俘获光子的能力。俘获光子的能量与缺陷的大小有关，因而可以利用这一特性，在直波导附近引入不同大小的缺陷，制备出面发射型上下路器。,垂直发射型光子晶体滤波器,1.545和1.548m光子晶体滤波器,25,光子晶体微腔,光子晶体微腔,由于局域缺

13、陷态的存在，光被限制在这个缺陷态中，光在微腔中不仅仅存在全反射，限制光的横向传输，而且横向光学禁带的存在，因而光不可能从横向出射，而只有从垂直方向出射。对于一个光子晶体微腔，它具有高Q值和大的自发辐射因子，因而制备出无阈值的激光器成为可能。,光子晶体垂直腔面发射激光器及其输出特性850nm AlGaAs/GaAs PC VCSEL(SMRS45 dB),26,光子晶体中的大群折射率和群色散,理论发现：线缺陷型光子晶体波导中的群折射率比常规介质波导中的群折射率要大两个数量级，也即在光子晶体波导中光的传播速度只有空气中的传播速度的1/100，这是常规波导所不具有的特性。光子晶体的大群折射率和群色散

14、为实现光子晶体功能波导提供可能,如实现高效的光放大、超棱镜效应等。,光子能带平坦部份很小，对应的n和将很大。,27,负折射率现象,光子晶体中的负折射率与固体能带理论中的负电子质量,光子晶体中的负折射率现象及数值模拟图,28,负折射率的应用,利用光子晶体的负折射率现象可以可以获得3D图像，而且不需要附加透镜情况下成像。突破衍射极限，缩小光斑尺寸，可提高DVD存储密度。,29,光子晶体的非线性光学效应,在光子晶体纳米线度的光通道中，光能量密度非常高，对非线性光学效应有增强效应。可以用非线性光学材料制备光子晶体实现非线性光学效应。可以在光子晶体中引入非线性光学的杂质实现光子晶体的非线性光学效应。采用

15、光子晶体非线性局域态模（离散光孤子）作为光信息载体。,30,光子晶体中引入非线性光学的杂质实现光子晶体的非线性光学效应,光子晶体的非线性光学效应,带非线性缺陷的弯曲波导的透射图（下图的频率为0.351（2c/a),非线性弯曲波导作为光逻辑门,（当输入光的功率增大时，光逻辑门由关态转化为开态）,在光子晶体直波导和弯曲波导中引入非线性缺陷都可以实现非线性效应。,31,光子晶体的非线性光学效应,光子晶体中的非线性局域模作为信息载体,在光子晶体中引入非线性缺陷从工艺上讲比较困难，但可以在线性光子晶体中引入非线性介质形成非线性光子晶体波导，由于材料的非线性缺陷，可以出现非线性局域模（离散光孤子）。在非稳

16、定区的局域态模可以转换成高频或低频模，相当于是个双稳态。离散光孤子在急剧弯曲波导中的能量损失很小。利用光孤子的特性可能实现路由、逻辑操作等功能。,非线性光子晶体波导中的非线性局域模及模式与频率关系,32,利用材料的二次非线性效应（2）实现非线性光子晶体,二维铌酸锂光子晶体,利用非线性材料制备光子晶体可实现电调谐，使二次非线性效应与三次非线性效应混合四波混频，用于动态波长变换,光子晶体的非线性光学效应,33,集成光子晶体光学回路,由于光子晶体波导尺寸可以做成很小，而且可以利用光子晶体微腔具有高Q值特性，因而将光子晶体激光器和波导，滤波器等集成在很小的芯片上实现微小型集成光学回路。,34,光子晶体

17、的基础研究与发展前景,1、光子晶体传播态结构与带隙局域态的理论与模拟研究光子晶体的禁带宽度与光子晶体材料，结构，折射率差，尺寸和填充比等因素有关。而局域态的能级与缺陷大小，介质，尺寸等因素有关。光子晶体能带结构的计算方法主要是平面波展开方法，它的计算方法与固体能带结构计算方法类似。而对于引入缺陷结构的光子晶体模拟主要通过FDTD（有限时域差分）方法实现，目前许多公司推出了成熟的商用软件，如Rsoft和Optiwave等公司，许多大学和研究机构也提供了免费软件的下载，如MIT等大学光子晶体中还有许多未知的物理现象与光子晶体的光学能带结构和局域态有关，对光子晶体的理论研究还有许多工作要做。,35,

18、2、任意三维光子晶体的制备方法研究,目前三维光子晶体常用的制备方法主要有：电子束曝光、X射线曝光、全息曝光法、溅射法，wafer-fused法、自组装法等，这些制备方法针对不同种材料。三维光子晶体的制备方法与一维光子晶体和二维光子晶体的制备方法相比难度很高，尤其是缺陷的引入比较困难。光子晶体的禁带中心波长和宽度对结构的均匀性和周期性要求很高，因而对制备工艺要求的很高，需要发展高效，简单的制备方法。,36,3、光子晶体的局域态调谐研究,光子晶体中的局域态如果能够实现调谐功能，可以实现全光光子晶体功能器件。光子晶体带隙的调谐可以依靠光子晶体的非线性光学效应实现。光子晶体的带隙调谐可以通过电光、热光

19、、弹光等效应实现。实现局域态的调谐作用，可实现波长选择性光开关和低噪声全光放大，目前是光子晶体的一个研究热点。,37,4、光子晶体材料系研究,目前实现光子晶体的材料种类较多，主要有有机物，半导体材料如InP, GaAs, Si，SiO2和SOI材料等，铌酸锂以及其他材料。在这几种材料系中，目前用有机材料实现光子晶体对工艺要求较低，能实现各种结构的光子晶体。而半导体材料的工艺过程比较复杂，对设备的要求较高，对于实现三维光子晶体的难度较高。实现非线性光子晶体可能是实现全光光子集成芯片的关键。,38,5、光子晶体功能器件的开拓研究,利用光子晶体的局域态可以制备光子晶体的波导，微腔，环形谐振腔，分束器

20、，耦合器等波导器件，可以制备出微小型平面光学回路（PLC)，也可能实现三维光学回路模块。光子晶体具有某些独特的光学特性，如微腔的高Q值性，超棱镜35,36，大群折射率和负折射率等，使制备无阈值激光器，高效光放大器或其他功能器件成为可能。利用光子晶体的非线性光学效应，使制造出光开关、光二极管，光三极管，光逻辑回路等器件成为可能，是制造全光集成芯片的基础。,39,6、光子晶体的未来发展方向,发展无阈值紧凑型激光器；发展THz级全光开关，光二极管，光三极管和逻辑光学回路；发展紧凑型波导器件，如分束器，上下路器等；发展全光光子集成芯片；实现光存储，为光计算机的开发提供可能实现光电混合集成，在光子晶体上实现微电子芯片与光子晶体芯片集成其它,40,结 论,光子晶体学是一门交叉学科，涉及到光学，量子信息学，材料学等领域，也是一门新型学科，还有许多领域有待研究和开发，有着重要的研究和应用价值；光子晶体有可能是实现全光信息交换的基础；光子晶体有可能是未来信息社会的基石，在未来的人类社会活动中将发挥不可估量的作用，它的应用可能不亚于半导体对微电子学的贡献；光子晶体的研究和开发需要其他学科的高度配合，它的发展也促进了相关学科的发展；光子晶体充分利用还需大量工作。,