ch2---光子晶体和光子芯片

1RenR西安交通大学Chapter6PhotonicCrystalandPhotonicChip2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：（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。t)E΅υ(xt)V(x)]ψ(x)2m[22),(),()(222yxyxki)(222xVmkiEm222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9aGXMirreducibleBrillouinzonek2DperiodicityEHEHTMTEfrequencyw(2πc/a)=a/GXMGQuickTime?andaGraphicsdecompressorareneededtoseethispicture.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91PhotonicBandGapTMbandsTEbands10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。3DPhotonicCrystalwithDefects11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5－6、电子束曝光（30KV）7、化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）8、去除PMMA9－10、减薄衬底，解理，用HF去除夹层SiO215三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。16Woodpile型光子晶体主要针对GaAs基和InP基材料，制备工艺采用Waferfused技术[4,5]。这种工艺有两个特点，第一，采用Waferfused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SquareSpiral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-TIRfibres）光子晶体光纤利用以上两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-TIRfibres），又被称为无尽单模光纤（endlesslysingle-modefiber)；另一类为光子禁带光纤(PGBfiber)。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]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（PBGFiber)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1.548m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＝850nmAlGaAs/GaAsPCVCSEL(SMRS45dB)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。ddkwdnd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（2c/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