理工论文光子晶体集成光电子器件.doc

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1、光子晶体集成光电子器件 光子晶体集成光电子器件是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，光子晶体集成光电子器件是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，光子晶体集成光电子器件的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 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

2、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 Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract We discuss how photonic crystals control light properties such

3、 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 construction of various nanoscale integrated optical elements and devices. We employ several typical examples to bri

4、efly 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, 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

5、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

6、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

7、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

8、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,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

9、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

10、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&#

11、65380;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

12、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.其他参考文献Baker, Sheridan. The Practical Stylist. 6th ed. New York: Harper & Row, 1985.Flesch, Rudolf. The Art of Plain Talk. New York: Harper & Brothers, 1946.Gowers, Ernest. The Complete Plain Words. London: Penguin

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