创新技术讲座2

创新技术讲座（2）光纤通信新器件研究一、光子晶体及其在光通信中的应用二、微电子机械系统(MEMS)技术在光通信中的应用一、光子晶体及其在光通信中的应用光子晶体是近十几年来出现的新型材料；可控制光子的运动；被科学界和产业界称为”光半导体”或”未来的半导体”；是光电集成、光子集成、光通信的一种关键性基础材料。用光子晶体器件来代替传统的电子器件，将会引起光通信领域的一场革命。1、光子晶体光子晶体的概念是在1987年提出的。光子晶体也称为光子带隙材料或电磁晶体，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。是折射率在空间周期变化的介电结构，其变化周期和光的波长为同一个数量高低折射率的材料交替排列形成周期性结构，产生光子晶体带隙(BandGap，类似于半导体中的禁带)。光在晶体带隙中不能传播。周期排列的低折射率点之间距离的不同，导致光子晶体对不同频率的光波产生能带效应。如果在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，破坏其结构的周期性，即在光子禁带中引入缺陷态，光波能在缺陷中传播，且传输效率极高。光子晶体的特性晶格类型，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充比。点缺陷线缺陷面缺陷2光子局域在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。1光子带隙在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的。光子晶体--自然界中的例子蝴蝶猫眼石光子晶体制备方法精密机械加工法半导体微纳米制造法胶体晶体自组装法反蛋白石结构法液晶全息法等困难：制备足够小的周期性结构。LinSYetalNature1998,394,251半导体微纳米制造法由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为一个重复单元，构成面心四方结构。d为每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示一个重复单元的尺寸。LayerbylayermethodOzbayetalAppl.Phys.Lett.,1994,64,2059;OzbayetalAppl.Phys.Lett.,1996,69,3797.ShenPingetalPhys.Rev.Lett.1999，82,4238当外加电场增大时，微球自组装形成体心立方，柱內是有序的晶体排列；進一步加上磁场后，內部的晶体结构发生变化，由体心四方结构转化为面心立方结构。由于小球只需微小的运动即可以造成结构的转换，故这种三维光子晶体的结构转换只需简单的变化外加磁场的相对強度即可达到。磁场包覆球截面的SEM照片电场体心立方面心立方结构可转换的三维光子晶体反蛋白结构法以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向球形胶体颗粒的间隙填充高介电常数的材料，然后通过焙烧、化学腐蚀等方法将模板除去，得到三维周期性的反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立方的形式分布于高介电系数的介质中。光子晶体的材料有三类：半导体材料、介质材料、有机聚合物材料。在实验室和实际应用中，光子晶体都是人为加工得到的。2、光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber—PCF)1992年提出在石英光纤上规则地排列空气孔，光纤的纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成。缺陷态可以是大的空气孔或实心的石英。从光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，在光纤的中心有缺陷态，光可以沿着缺陷态在光纤中传输。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成，类似于晶体中的晶格，这也是光子晶体名称的由来。小孔是一些直径为光波长量级的毛细管，平行延伸在光纤中。光子晶体光纤突出的优点：如果PCF的空气孔较大，将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。第一、光子晶体光纤可在500～1600nm范围内保持单模运转。对光纤弯曲和扭转都不能激发高阶模。在1600nm以下，光纤对直径小到0.5cm的弯曲损耗都不敏感。当满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比不大于0.2，PCF具有无终止单模特性。第二、允许改变纤芯材料，加强光纤的非线性效应。如果在PCF空气孔中填充合适的非线性材料，会显著提高PCF的非线性。Bell实验室发现，对高非线性PCF，由峰值功率只有数瓦的100fs光脉冲，注入75cm长的PCF，产生了超宽连续光谱的单模光，带宽达到1000nm，范围从紫光到近红外。第三，可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。目前已经在PCF中成功产生了850nm光孤子，将来波长还可以降低。PCF能够在波长低于1.31m获得反常色散，同时保持单模；反常色散特性为短波长光孤子传输提供了可能性。为制作在可见光波段的光孤子光纤激光器提供了一种可能;光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1m以下。波分复用在一根光纤中传输多个信道时，随着光功率增加，会出现交叉相位调制和四波混频等材料的非线性现象，虽然可以通过增加有效面积缓解非线性的影响，但过大的通光口径又不能保证单模运转，限制传统单模光纤向更大容量发展很难逾越的障碍。第四、消除非线性依靠光子带隙传输的光子晶体光纤可使上述障碍迎刃而解。由于PCF为空心结构，纤芯可以是空气或真空，不用二氧化硅，作为材料属性的非线性，自然也就不存在了。普通单模光纤的纤芯主要成分是二氧化硅，即使尽量降低杂质吸收，但本征吸收和瑞利散射是很难避免的，因而普通光纤能量损耗总是大量存在。而PCF结构上是中空的，对光波传输损耗极低，有利于长途通信。第五、极小的能量损耗虽然普通单模光纤可以避免模式色散，结构色散也可以做得很低，但材料色散却是本征性的，无法避免。它的存在使光脉冲展宽，限制了传输速率。英国的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结，从而形成直径约40m的蜂窝结构与亚微米空气孔。传播光是在空气孔中而非氧化硅中，消除了材料色散。PCF纤芯可以是空气或真空，材料色散也就尽可消除了，不会出现延迟等影响数据传输率的现象。第六、消除材料色散传统光纤要取得双折射方式有两种：一是使截面非圆形；二是使光纤本身材料具有双折射。这两种方式在技术上都较难实现。第七、高双折射性质在光子晶体光纤中，可以通过改变包层结构参数，很容易制作出具有高双折射效应的光子晶体光纤，只需破坏光子晶体光纤截面的圆对称性，使其成为二维结构即可。图3给出了理论上设计的高双折射PCF截面示意图。采用高折射率无孔纤芯，包层周期性多孔的结构。为了引入双折射，增大了中心附近的2个孔径，并同时减小了这两个孔与其它空的距离。破坏了通常PCF中的对称结构，而产生了一个延长的芯区结构。光子晶体光纤商业化产品非线性光子晶体光纤；大模场区域光子晶体光纤；多模光子晶体光纤；空气波导光子带隙晶体光纤；双包层高数值孔径掺晶体光纤镱。丹麦、英国、美国等中国上海光机所3、光子晶体激光器在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体，使缺陷态形成的波导与出射方向成一样的角度，自发辐射的能量几乎可以全部用来发射激光，这就大大降低了激光器的阈值。人们正在进行着无阈值激光器的研究。选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为100％。4、光子晶体反射镜用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部射向空间。是性能非常高的天线。光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线。普通的平面天线由于衬底的透射等原因，射向空间的能量有很多损失；5、光子晶体超棱镜常规的棱镜对波长相近的光几乎不能分开。光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000倍，而体积只有常规的百分之一大小。例如对波长为1.0微米和0.9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到60度。超棱镜对光通讯中的信息处理有重要的意义。对一般用GaAs(钙、砷)介质作基底的天线反射器，98％的能量完全损耗在基底中，只有2％的能量被发射出去，同时造成基底的发热。6、微波天线针对某微波频段可设计出需要的光子晶体，并让该光子晶体作为天线的基片。使此微波波段落在光子晶体的禁带中，基底不会吸收微波，实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。7、微谐振腔光子晶体微腔可以用来制作激光器，体积可以非常小。微谐振腔的Q值随着光子晶体的层数的增加而呈指数增长，当光子晶体的层数不是很大时，Q值也可以超过5000。在一种层堆积的三维光子晶体中引入线缺陷态便可以构造出一个微谐振腔。用微谐振腔作为激光器的谐振腔，使激光器中的自发辐射频率落在光子晶体的禁带范围内，就可以有效降低激光振荡的阈值，做出低阈值高效的激光器。同样可以用来制作高效率的发光二极管。利用光子晶体的带隙特点，可以制造出理想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。8、带阻滤波器光子晶体的滤波带宽可以做得很大，目前能实现从低频(几乎为0Hz)直到红外的宽带滤波。用二维光子晶体来制作偏振器，可以在很大的频率范围工作，体积很小，很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。9、光子晶体偏振器常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较大，不容易实现光学集成。光子晶体中的缺陷态就像电子半导体中的掺杂，使光子晶体具有很多的功能，通过组合这些功能我们可以在光子晶体上构造出适合需求的集成光路。10、集成光路在用光子晶体实现光路集成的条件下，光子晶体有可能制成一种体积小、高速、低功率的全光交换机。11、光交换机通过使用一个MEMS(微机电系统)的推动器，在光子晶体中引入缺陷来实现光交换。基本原理：当MEMS推动器把微小的介质棒推入光子晶体时，就在光子晶体的内部引入了缺陷，从而使光可以在此处通过；当MEMS把微小的介质棒抽出光子晶体时，此处就没有缺陷，这时此处的光就会被阻挡。这样就实现了光交换的功能。光子晶体优良的特性及其在光电子领域巨大的应用潜力，必将推动光通信技术的飞速发展。操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求，全球高新技术领域的科学家与企业家都期待着新的带隙材料对光波的操纵。从科学技术角度可以预言，这一目标一旦实现，将对人类产生不亚于微电子革命所带来的深刻影响光子晶体技术的发展必将对光通信技术产生深远的影响。结束语在同一硅晶体衬底上将多种微光学元件、微定位器、微致动器和控制电路等单元单片集成在一起构成的微光机电系统；光学平台微型化；也称其为MOEMS微光电子机械系统。1、MEMS(微电子机械系统)二、MEMS技术在光通信中的应用MEMS的工艺技术奠定在硅芯片IC的工艺技术基础上。对传统平面二维光刻技术提出了更高的要求，还出现了独特的三维刻蚀、镂空等技术手段。产品有：光开关、可变光衰减器、可调滤波器、可调激光器、共振腔探测器、增益均衡器、调制器及光斩波器等。2、光开关通过静电控制微镜的上下来实现光路的切换，如图1所示。翘翘板结构。商用化的有4x4、8x8、16x16、32x32及2x16光开关模块。32x32光开关在一块硅基上共集成了1024个微镜，光路最大损耗仅为7dB。实际应用最多的4x4和8x8光开关模块同时具有全通道上下载能力，如图2所示。Bell实验室在一块硅基上制作64面微镜构成8x8的光开关。通过两级微绞链控制微镜直立或倒下来改变光路，如图3所示。原理如图4所示的基于MEMS技术的2x2光开关具有较快的切换时间，切换时间小于0.5ms。具有不超过1.5dB的插入损耗，寿命可达l0亿次。3、可变光衰减器性能优良的可变光衰减器(VOA)要求尽可能小的插损、小的驱动电压与功耗、大的可调衰减范围、良好的线性以及调节时对光信号有尽可能小的噪声干扰。MEMS光衰减器一般采用微挡光片插入光路．转动微反射镜改变光路的耦合效率及采用微机械半反射结构（MARS)来实现光功率的衰减。