（光学专业论文）二维光子晶体器件研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 中文摘要 摘要 光子晶体是近二十年来发展的一门新型学科，它具有许多特异的物理现 象，提供了一种全新的控制光流的机理，因此在光通讯和光集成等领域有着广阔的 应用前景。目前光子晶体正处于理论试验研究向市场应用转化的关键时期，各 种新型的光子晶体器件相继问世。 本论文运用自主开发的二维时域有限差分法( 2 df d t dm e t h o d ) 及平面波展 开法等仿真软件，提出和设计了几种新颖的二维光子晶体器件，深入分析了它 们的光学特性并探讨了其在光通讯和光集成中的潜在应用。 本论文的研究工作和主要成果如下： 1 开发了平面波展开法和时域有限差分等用于相关理论分析和数值模拟的软 件。 2 深入分析了二维正方格介质柱光子晶体波导反射器的反射率随缺陷半径、 缺陷折射率、缺陷位置等参数的变化规律。发现了反射器的反射率不仅依 赖缺陷半径而且还强烈依赖于缺陷的位置，在一些合适的位置，几乎取得 了1 0 0 的反射率。通过组合单缺陷的反射器成功设计了具有高品质因子 的二维光予晶体滤波器。该设计具有滤波性能好，结构简单等优点，可 使q 值提高3 倍。 3 提出和设计了一种二维正方格光子晶体新型y 型分束器，同时，提出了 一种改进型的设计，使得在自准直频率范围内的单臂平均功率透过率 从2 4 提高到4 3 ，单臂最大透过功率达到4 7 ，其相应的归一化频率 为o 1 8 7 。该设计具有二维自准直光子晶体分柬器的一般优点，并且，只 要光束入射到该分束器表面都将被分成两束，在和其他器件进行耦合时的 空间准直要求被大大降低。该分束器是一整块光子晶体而无需任何特别的 处理，因此它还具有结构简单的优点。 4 从二个方面研究了二维光子晶体中的多模干涉现象，一是芯层为光子晶体 的多模干涉，二是芯层和覆盖层均为光子晶体的多模干涉。发现了二维光 子晶体中的多模干涉成像规律：入射光的频率对应的光子晶体等频率线必 中文摘要中国科学技术大学博士学位论文 须是闭合的。结果表明，在成像的条件下，将光子晶体看成是均匀介质并 用有效折射率表征是一很好的近似。此时，其成像距离随着有效折射率线 性增加。发现了光子晶体中的多模干涉具有很强的偏振依赖性，这与光子 晶体的各向异性是一致的。在制作材料相同的条件下，用光子晶体作为多 模干涉器件的芯层将大大减少成像距离，从而使得器件的结构更为紧凑。 而覆盖层为光子晶体的多模干涉器件具有损耗低、表面不需要额外处理就 不受灰尘等环境因素的影响。芯层和覆盖层均为光子晶体的多模干涉器件 则同时具有上述优点。 5 研究了光在光子晶体表面上反射的位相损耗。在入射频率u 小于o 5 孥( 这 里。是晶格常数) 时，光子晶体可以看成均匀介质，此时，我们用负的有效 介电常数来表征它，结果表明光子晶体表面的位相损耗异于一般介质， 对于频率位于光子带隙内的以任何角度入射的光，光子晶体表面总是存在 位相损耗。为了验证该理论结论的正确性，我们进行了相应的数值模拟， 数值结果与理论结论是一致的。 本论文的创新点主要包括 1 提出了一种新的二维光子晶体滤波器结构，具有q 值高，滤波性能好，结 构简单等优点。 2 设计了一种新型的二维光子晶体分束器，该设计不仅具有二维自准直光子 晶体分束器的一般优点并且其更易于与其他器件耦合。 3 提出了全新的以光子晶体做为芯层和覆盖层的多模干涉器件设计方案，芯 层和覆盖层均为光子晶体的多模干涉器件具有损耗低，结构紧凑、易于实 现且表面不需要额外处理就不受灰尘等环境因素的影响等优点。 4 发现了频率位于光子带隙内的光子晶体表面上的位相跃变不同于普通介 质，对于频率位于带隙内的以任意角度入射的光，光子晶体表面总存在着 位相损耗。 关键词：光子晶体；滤波器；分束器；反射器；多模干涉：位相跃变；时域有 限差分；平面波展开； a b s t r a c t p h o t o n i cc r v s t 以s f p c ) h a v ea t t r a c t e dm u ( - ha t t e i l t i o n 丘o mb o t hf u n d a i n e n t 猷8 n d p r a c t i c a lv i e w p o i n t si n t h ep a s tt w od e c a d e s ，t h ep m p e r t i e so fc o m p l e ) 【s p a t i a ld i s _ p e r 8 i o na n da n i s o t r o p i s mp r o v i d en o v e lm e c h a j _ l i s m st oc o n t r o lt h ef 1 0 wo fl i g h t ，w h i c h k a d st om a n ya b n o r m a lp h e n o r n e h ao fp h y 8 i c 8 a sar e s u l t ，p h o t o n i cc r y 8 t a lw i l l p o s 一 8 e 8 sw i d e l ya p p l i c a t i o np r o s p e c ti no p t i c sc o m m u n i c a t i o na n dp h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r - c u i t 8 ，n o w ，v a r i o u sp h o t o n i cc r y s t a ld e v i c e 8h a eb e e nd e v e l o p e do n em e r 幽e o t h e r i nt h i 8d i s 8 e r t a t i o n ，l l s i n gt h et w od i m e 瑚i o n a l 丘i l i t ed i 圩色r e n c et i m ed o m a i ns i m u l a - t i o ns d f t w a r ea n d p l 柚ew a ee x p a 璐i o nm e t h o dd e v e l o p e di n d 印e n d e n t l yb yl l s ，s e v e r a 上 n o v e ld e v i c e s0 ft w od i m e i l s i o n “p h o t o n i cc r y s t mh a v eb e e n d e s i 卵e d ，a n dt h e i rp o 忙m t i a l 印p l i c a t i o 瑚i no p t i c sc o m m u n i c a t i o n 舡l dp h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sh a v eb e e n i n v e s t i g t e d t h em a i nr e s e a r c l lw o r k sa n dc o n c l u s i o i l sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ns o f t w a j 镪a b o u tt w 0 - d i m e l l s i o n a lf d t da n d p l a _ i l e w a v ee x p a i l s i o nm e t h o di sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yu s 2 w e j n v e s t i g a t et h ed e p e n d e n c eo fo n e - d e f e c tr e b e c t o r sr e 丑e c t i v i t yo nt h ed i a m e t e r ， p o s i t i o n8 n d r e 行a c t i v ei n d e xo ft h ed e f e c t ，a sw e l l8 sn i eb e h a 、，i 叫o fn l er e n e c t o r s t r a n s m i s s i o n8 p e c t n l i n t h ec a i c u l a t i o nr e 8 l l l t ss h a wt h a tt h er e 丑e c t i v i t yo ft h e r e n e c t o ri sn o to i l l y8 t m n d y d e p e n d e n t o i lt h en u m b e rb u ta l s o 曲ed i a m e t e r ，t h e r e f r a c t i v ei n d e x ，a sw e ua st h ep o s i t i o no ft h ed e f e c t m o r e 0 、，e r ，t h er e 丑e c t i v i t yi n - c r e a s e sw h e nt h ep o s i t i o nd e v i a t e sf r o mt h el a t t i c eg r i dp o i n ta 1 0 n gt h et r 衄s v e r 8 e d i r e c t i o no ft l i ew a v e g u i d e ，w ec a ne v e no b t a i na l i n o s tt o t a lr e 丑e c t i o n m e a n w h i k ， ah i g hq u a l i t yf a c t o rf i l t e rm a d eo fo n e _ d e f e c tr e 丑e c t o r si nas i m p l es t r u c t u r ei s d e s i g n e da n ds m u l 雠e d 研l er e s u l t ss b o w t h a tt h eq u a l i t yf a c t o rw mb ei n c r e a s e d b yt h r e et i m e sw i t h o u ta n ym o r ec o i l s t r u c t i o n 猷c o m p l e x i t y i i tw i l lb eh e l p f u lt o s i m p l i 母t h ep r o c e s s i n ga n dm i n i m i z et h es c a l eo ft h e 矗l t e r ， 3 w eh a v ed e m o r l s t r a t e da 8 p l i t t e rt 1 1 a tc a nb er e 甜i z e db ，c o m b i n i n g8 e l f - c o l l i m a t i o n w i t hp 解t i a lb a n d g a po ft h ep c ，t h ed i m e 璐i o n s 觚dl o s s e si sc o m p a r a t i v et ot h e d a s s i c a lo n e ，b u tt h et r a 珊m i s 8 i o ns p e c t r m n8 h d w sm o r en a t t h e s p l i t t i n gp a n i s v e r y8 i m p l e 0 n l yab l o c ko fp cw i t h o u ta d d i t i o n a ip r o o e s s i i l g m o r e o v e r 山e c a l l s e 1 1 1 英文摘要中国科学技术大学博士学位论文 1 v t h eb e a mw i l ls p l i ta s1 0 i 培a sni si n p u to nt h es u r f 珊o f s p l i t t 佃晤p a r t ，t h ed e i m 缸mo ft h er e q u i r e ds p a c ea u 目m l e n tt o l 盯a n c ei 8r e 小l c e d ，s ot h e c o u p u n g t oo t h e r w a v e g i l i d ew i l lb ev e r ys i m p l e ，t h i s 谢un 1 a xt h et e c h n o l o g i c 8 lr e s t r a i n t 8l a r g e l y a 丘e rt h ei m p r o v e m e n to f o u r d e s i g n ，t h et 】a n s m i t t e de m c i e n c yi si n 凹e a s e dl a r g e l y a v e r 世l ee n t i r ew 哥v e k n 酷h r a n g ew n h i n w h i c ht h es 曲f - c d m m a t i o n o c c u r s ，t h em a x i m u mt r a 以s m i t t e de 伍c i e n c yr e a c h4 7 i ne ! a c hb r a i l c ho c c u r r i n g8 tn 地n o r m a l i z e d f r e q u e n c yo f0 1 8 7 m o r e o v e r ，s u c l lat 、玳p d j m e n s i o n mm o d e li nf a c tp r o v i d 鹤a g o o da p p 删m a t i o n t oat h r e e d i m e n s i o n “p c8 l a bs t r u c t t l r e t h e r e f o r e ，o l l rr 争 s u l t ss t r o n g l ys u 髓 e s tt h ep 0 8 s i b i l i t yo fo i h c h i pi n t e 铲a t e dp h o t o n i cc o m p o n e n t 8 b a s e du p o n8 e l f - c o i l i m a 土i o np h e n o m e n a ， 4 t h em m i p h e n o m e n a i nt h ep ca r ei n v e 8 t i g a t e df r o mt w o 嬲p e c t s ，o n ei sm m l w i t h t h ec o r eo f p h o t o n i cc r y s t a l ，a n o t h e ri sm m lw i t h 协ec o r e 锄d c l a d d i n go f p h o t o n i c c 码，s t a l w ef i n dt h a tt h ee q u 越丘e q u e n c y ( ：o n t o u rm l l s tb ec l o s e dw h e nt h em m i p h e n o m e n ao c c u r s ，f u n h e r m o r e ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fi m a g i i l g ，i t sa9 0 0 d 印p r o x - i m a t i o nt ot a k ep h o t o l l i cc r y s t 赳a sal l l l i f o r mm a t e r i 越a n dc h 卵a c t e r i z ei tw i t ha 疆e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x w b 矗n dt h a tt h ei m a g i n gd i s t 缸c ei s1 i n e a r l yi n c r e a s e d w i t ht h ee f f e c t i v ei n d e xo fp h o t o l l i cc r y 8 t 柚，w h i c hp r o v i d e sa n8 d d i t i o n a ld e g r e eo f 丘e e d o mf o r d e s i g n i n gm m i d e v i 咖t h ed e v i c e 8o f m m lw i 乞ht h ec o r ea i l dc l a d d i n 叠 o fp h o t o n i cc r y s t a lp o s s e s st h ea d v a n t a g e so fl o w l o 黯，c o m p 龇ts t r u c t u r e ，a n dc a n e l i m i n a t et h ee 矗b c to fe n v i r o n m e n t ( s u c ha sd u s t ) m o r e o v e r ，t h em m i p h e i l o m e n a i np c sha _ v es t r o n gp o l 啦i z 啦i o nd e p 哪d e n c e 妇t h eh h e r e n ta n i s o 乞r 哪cp r o p e r t y o fp h o t o n i cc r y s t a l 5 t h ep h 嬲el o s g0 ft h er e 丑e c “o no nt h ep h o t o n i cc r y s t a li n t e r f a c ei s i n v e s t j g a t e d t h e o r e t i c a u y ，w et r e a tt h ep h o t o n i cc r y s t a l l sa nu i l i f o r mm a t e r i 8 la n dc h a r a c t e 卜 i z ei tb ya e g a t i v ee f f e c t d i e l e c t r i cc o n s t a n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s e l o s si np h o t o n i cc r y 8 t 虬i t e r f a c ei 吕a b n o r 瑚a lt ot h e 叫d i n a r yd i e l e c t r i c ，t h e r ei 8 a l w a 咿p h a s el o s 8w h a t e v e ri st h el n c i d e n ta l l 9 1 e s i m u l t a 玎e o l l s l y ，t h en u m e r i c a l 8 i m l l l a t i o ni sg i v e no u tt ov “i d a t eo u rt h e o r y ，a n d 乞h er e s l l l t s 越s os h o wt h a tp h 嬲e 1 0 s s 出w a y se x i 8 t sf o rm b i t r a r yi n 西d e n ta n 西巴 h i g h l i g h t 8o ft h ed i 翻e r t a t i o n 射ea sf o l l o w i n g ： 1 w eh a 代d e s i g n e da n ds i m u l a t e dah i g hq u a l i t yf a c t o r ( q ) 矗l t e rc o n s t r u c t e db y o n e - d e f e c tr e 丑e c t o r si nas i m p i es t r u c t u r e i no u rd e s i g i l ，t h eqw i 儿b ei n c r e a s e d b yt h r e et i m e sw i t h o u ta n ym o r ec o n s t r u c t i o n a lc o m p l e x i t y 2 w e1 1 a v ed e m o i l s t r a t e da s p l i t t e rt h a tc a | lb er e m i z e db y m b i n i n gs e l f c o l l i m a t i o n w n h p 雒乜柚b a n d g a p o f t h e p c ，t h es p l i t t e r n o t o n l y p o s s e 鹃t h e g b n e r a la d v a n t a g e 8 中国科学技术大学博士学位论文英文摘要 o fs p l i t t e rb a s e do ns e l f c o l i i m a t i o no fp h o t o n i cc r y 8 t a lb u ta l s ot h ec o u p l i n gt o o t h e rd e v i c e sw i l lb em o r es i m p l e 3 w ep r o v i d ean e w d e s i g no fm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ed e v i c e 8 ：t h ec o r ea n dc l a d d i n g o fm u l t i - m o d ei n t e r f e r e n c ed e v i c 船盯e1 ) o t hp h o t o n i cc r ”t a l t h ed e v i c e sd e 8 i g i l e db yt m sw 8 yp o s s e s st h ea d v a n t a g e so fl o wl o s 8 ，c o m p a c ts t r u c t u r e 脚s yr e - a l i z a t i o n ，a n dc a ne l i m i n et h ee b c to fl m v i r o n m e n t 4 w e 丘n dt h a tt h e r ei sa l w a 妒p h a s el o 鹊o nt h ei n t e r f a c eb e t w e e n o r d i n a r yd i e l e c t r i c a n dp h o t o n i cc r y s t a lw h a t e v e ri st h ei n c i d e n ta n g l e k e y w o r d ：p h o t o l l i cc r y s t a l ；f i l t e r ；b e a ms p l i t t e r ；r e f l e c t o r ；m u l t i m o d ei n t e “e r e n c e ；p h a 8 et r a l l s i t i o n i t h e e n i t e _ d i 髓r e n c et i m e _ d o m a i n m e t h o d ；p l a n e - w a v ee x p a n s i o n m e t h o d 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 追求对光的随心所欲的控制，是人类多年的梦想。光子带隙概念的提出， 使人类的梦想成为了可能。从科学技术角度预言，将对人类产生不弧于微电子 革命所带来的影响。因此光子晶体又被科学界和产业界称为光半导体。可以预 计，光子晶体的许多基本应用将会在市场上体现出来，在这些应用中，将会有 高效的光子晶体激光器和高亮度的发光二极管。在十年内，应该能制造出第一 个光子晶体“二极管”和“晶体管”。在：二十年内，应该能制造出第一个光子 晶体逻辑电路，再接下来，光子晶体驱动的光子晶体计算机可能会出现。本章 首先对光子品体概念作了一简单介绍并对其发展历史进行了简单回顾；然后在 第二节巾阐述了其在光通信和光集成中的各种应用；相对于三维光子晶体，由 于二维光予晶体在工艺和理论上都更为简单，因此其应用也更为广泛，本章将 单独对其进行介绍。 1 1 光子晶体简介 早在1 9 4 6 年，p u r c e i l 就探讨了平面镜改变电磁偶极子的的辐射现象n 随 后几十年里，人们深入发展了这一研究。终于在1 9 8 7 年，y 曲1 0 n o v i t c h 借鉴一 般晶体中的电子带隙概念首先提出了光子带隙的概念【2 一目。所谓光子带隙是指 在某一能量范围内的光子不能通过光子晶体或在晶体内部产生的光不能传播。 对此，经典的解释是光在晶体内发生并经过多次反射后最终被吸收，量子的是 解释是：在带隙内的光子是不能发射的，因为它不存在该光子的量子态。我们 称具有光子带隙的材料为光子晶体。这个重要的思想突破，启动了一系列与光 子晶体相关的研究，包括光子晶体的理论、试验、制造和应用等方面。目前有 好几个比较热门的研究领域，例如：光子晶体带隙的理论研究，光子晶体器件 研究，光子晶体制造工艺研究，光子晶体导致的新的物理现象研究【6 。4 】等等。 傲地讲，光子晶体指的是种由介电质周期性分布所形成的微结构系统，它 通常具有很高的折射率对比，其周期大小一般为光波长量级。它可以区分为一 维、二维、三维光子晶体，如图1 1 所示。就功能性而言以一维和二维的光子 晶体的应用最广。一维的光子晶体就是所谓的多层膜。有抗反射膜。全反射 膜。二维的应用就非常多，比如波导元件、分光元件、干涉仪等等。而三维光 ll 光子晶体简介 中国科学技术大学博士学位论文 一维二维三维 在= 竺方守有在二个方守有 在三个方向有 周期结构 周期结构 周期结构 图1 1 ：一维、二维和三维光子晶体示意图。 子晶体最为多样且复杂，最简单的三维光子晶体可以想象成许多的纳米尺寸的 结构，紧密而有周期地堆积，就如同自然界中的蛋白石一样，是由周期性的二 氧化硅沉积而成，其反射光颜色会随着各种角度而变化。 在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上 的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的亚微米结构( 图1 2 ) 选择性地反射臼光 的结果。但它们没有三维的光子带隙。光子带隙的出现与光子晶体结构、介质 的连通性、介电常数反差和填充比有关，条件是比较苛刻的。一般地说，介电 常数反差越火( 一般要求大于2 ) ，得到光子带隙口丁能性越大。 第一个在实验上实现光子晶体的是y a b l o n o v i t c h 及其合作者g m i 扯e r ，他 国1 - 2 ：左：色彩亮丽的蝴蝶，右：蝴蝶翅膀放大图。 们在实验中采用的周期性的介电系统是在三氧化二铝块材中，按照面心立 方( f a c c e t e r e dc u b l c ，c ) 的排列方式钴了将近八千个球状空洞( 这些空洞即所 谓的“原子”) ，如此形成一个人造的宏观晶体。三氧化二铝和空气的介电 2 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 常数分别是1 2 5 和1 0 ，面心立方体的晶格常数是1 2 7 c m 。根据实验测量得到的 透射频谱所对应的三维能带结构如图1 3 所示，其中左斜与右斜线分别代表两 图l 一3 ：第一个功败垂成的光子晶体能带结构 种不同的偏振模式。由此图所求得的绝对能隙位于1 5 g h z 的微波范围，宽度约 有l g h z 。遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性之故，在w 和u 两 个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因 此只具有虚能隙。两年之后，1 l o n o v i t c h 等人卷土重来，这回他们调整制作方 式，在块材料上沿三个夹1 2 0 度角的轴钻孔，如此得到的。c 晶格含有非球形的 “原予”( 如图l 一4 所示) ，终于打破了对成的束缚，在微波波段获得真正的绝对 图l - 4 ：第一个具有绝对能隙的光子晶体( 左) 及其经过特别设计的制作方式( 右) 。 能隙，证实该系统为一个光子绝缘体【l 目。发展至今，无论是理论上还是实验 3 1 2 光子晶体的制作中国科学技术大学博士学位论文 上都已有大量的成果出现：在三维方面，龙子能隙已在许多晶格结构不同的系 统如面心立方，体心立方及其他准晶格结构中观察到；在二维方面，三角、四 角、蜂巢、及其他晶体结构也被证实具有光能隙存在。 1 2光子晶体的制作 在过去的三四年中，利用各种不同的材料，各式光子晶体的制作技术取得 了突飞猛进的发展。 光束蚀刻法 光束蚀刻技术制造二维光子晶体是目前的研究主流，因为利用光蚀刻技术不但 可以精确地制造出高度有序的阵列，更可以利用光罩的设计来达到光波导的行 进方向。通常我们制作二维光子晶体的方法是将它作在硅基板上。一种是把高 介电常数的物质作规则排列( 图l 一5 ) ，而另一种熙是把空气柱( 低的介电常数) 作在硅基板上f 图l 一6 ) 。 图1 5 ：由介质柱组成的二维光子晶体。 图1 6 ：引入空气孔形成的二维光子晶体。 2 0 0 0 年s u s u m u 等人在s c i e n c e 上发表了利用光蚀刻技术成功的制造出具有明 显光子带隙的三维光子晶体( 图l 一7 ) ，但是由于光罩对位等条件的限制，因此该 系列的三维光子晶体的层数并不理想1 16 3 。 电子束蚀刻法 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 图1 - 7 ：由光蚀刻技术制造的三维光子晶体。 由于纳米技术的发展，带动了光子晶体的研究，使得所应用的电磁波波长可到 红外或者可见光的范围。工作于红外光和可见光的光子晶体，其晶体之晶格 大小约为波长的l 4 到1 2 ，大约相当于2 0 0 _ 5 0 0 纳米若要以人工的方式制作这样 周期大小的光子晶体，一种方式是以成长或化学合成的技术建构薄膜或者纳 米颗粒；另一种方式是使用解析度比传统微米级更高的深紫外线曝光显影技 术( d e e p _ u vp h o t o l i t h o g r a p h y ) 除此之外，近年来各国积极发展的电子束蚀刻 法( e _ b e a mp h o t o l i t h o g r a 曲y ) 【“1 9 】也是非常重要的纳米制造技术。目前大部 分光子晶体的应用都需要配合电子束蚀刻法才能达成。 电化学方法 二维光子晶体的另外一种制造方法是电化学方法，又叫阳极蚀刻生长法【2 0 2 1 j 。 该种方法利用硅和氧化铝已经取得了令人满意的纵横比( 8 s p e c tr a t i o ) 。如果 一n 型硅在氢氟酸中作了阳极化处理并在背后对其进行照明，那么就可以在 【1 0 0 】方向上形成具有微米尺寸的大孔，如果我们对磨光的硅基进行这样的处 理，则孔是以随机的的形式生长的。然而，如果我们通过标准的光刻技术在上 面刻蚀一些坑，那么孔就会沿着这些坑生长。利用这个技术，我们就可以制造 二维“无限高”的光子晶体，这里的无限高是相对于入射波长来说的，最初的 工作是由g r u n i 醒等人作出的，他们制造了二二维“无限高”的空气孔阵列，该 结构有3 4 0 p m 深，空气孔的半径为6 2 “m ，因此此其对应的纵横比大于5 0 ：1 ， 该结构的带隙在4 0 “m 附近。另外，在可见光区域利用电化学方法也实现了带隙 5 1 2 光子晶体的制作 中国科学技术大学博士学位论文 结构，m a s u d 8 等人实现了一种周期1 0 0 n m ，孔的直径7 0 纳米的二维光结构，它 的纵横比超过了1 5 0 。 自组织生长方法 到目前为止，光子晶体的制备多是利用由上而下的蚀刻来制作。该制作的程序 不但复杂亦很难做到三维的结构。相对的，若我们效法生物体利用自组装生成 比如头发、牙齿以及头头骨等的模式，采取由分子程度逐步建构至纳米程度 的结构，亦郎由下而上的方法可以解决上述的问题，胶体自组织生长口2 - 2 8 1 就 是这种方法。颗粒的大小一般为微米或亚微米。悬浮在液体中。由于颗粒带 电，而整个体系呈电中性，这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程 的v a 咀d e rw 讪吸引力。经过一段时间，悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变 成有序的面心立方结构而形成胶体晶体。这种方法非常简便，而且很经济。一 般采用的胶体颗粒是聚合物或氧化硅等，因为其它材料要得到大小均匀的颗粒 很困难。早期采用的是聚合物的胶体颗粒，折射率都比较小。自然的蛋白石或 人工的蛋白石是由氧化硅胶体颗粒组成的，颗粒的大小可以做得很均匀，大小 一般为几百纳米，氧化硅颗粒的折射率也比较小，为1 4 5 ，图1 培给出入工或自 然的蛋白石的扫描电子显微镜的图片。遗憾的是理论计算表明由这些材料构成 的面心立方结构的胶体晶体没有光子带隙。人们在这方面尝试了很久，似乎进 展甚微。最近胶体溶液自组织生长的进展有可能改变这种情况。研究人员注意 到胶体晶体的空隙可以填充各种无机或有机物，如果能将胶体颗粒去处而不影 响晶体结构。就能得到空气孔结构的光子晶体。理论发现，如果背景是高介电 常数的材料的面心立方结构，在第八和第九个光子能带之间有光子带隙，虽然 第二和第三带之间仍然是赝带隙。实验上成功用t i 0 2 ( 折射率2 6 ) 制成了空 气球的结构。这种反蛋自石( i n v e r s eo p a l ) 结构的空气孔中可以填充其它高介 电材料。如半导体或金属量子点，也可以填充如c 6 0 之类的富勒稀材料。 堆积法制作光子晶体光纤 堆积法制作光子晶体光纤f z q 基本程序如下：危设计出光子晶体光纤截面的结 构，根据此结构制出相应的细棒，然后将这些细棒有规则的堆积起来同时在其 中制造所需的缺陷，再将他们熔融制成预制棒，最后将他们拉成型。比如，英 国b a t h 大学的研究小组的制作过程如下；原材料是直径为3 0 m m 的石英棒，沿着 其轴向方向钻一个直径为1 6 m m 的孔，将棒研磨成一个正六棱柱，接着将这个 初制品放在光纤拉丝塔上在2 0 0 0 摄氏度的高温下拉成直径为o 8 m m 的六角形细 棒。再将这些细棒切断并堆积成所要求的晶体结构，放在光纤拉丝塔上拉成空 气孔距为5 0 p m ，将这些细丝截断并堆积成六角形结构，其中心用一根完全相同 的实芯细丝替代( 这样就在光纤中引入了缺陷) ，最后被拉成间距为2 “m 的光 纤，在这三阶段的拉制过程中，晶胞的缩减因子超过了1 0 4 当然，还有许多其它的方法制作光子晶体，比如全息干涉法、垂直选择性氧化 6 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 法、镀膜等等。 图1 - 8 ：自组装制造的三维光子晶体。 1 3光子晶体在光通信和光集成中的应用 光子晶体的发现提供了一种全新的控制光流的机制，通过光子晶体的带隙 及在光子晶体中制造各种缺陷( 比如点缺陷，线缺陷) 可以很方便的对光进行 调制。由于其特性，利用光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性 能器件，特别是在光通信和光集成领域中。利用它我们可以实现光通信和光集 成中的各种器件。 光子晶体光纤【2 9 】 光子晶体光纤就是指在二维光子晶体纤维的长度上制造缺陷，从而能够导 光的波导，如图1 9 所示。不像普通光纤，光子晶体光纤可以仅由一种材料构 成，缺陷处的折射率可以大于也可以小于包层的折射率。目前研究得比较多的 是硅一空气结构的光子晶体光纤。由于光子晶体的特殊色散结构，因此光子晶 体光纤具有许多普通光纤所没有的优良特性。 良好的色散性质不像普通光纤，光子晶体光纤可以由单一的材料构成 7 1 3 光子品体在光通信和光集成中的应用中国科学技术大学博士学位论文 8 岱鹰 ( a )( b ) 图1 - 9 ：典型的光子晶体光纤端面示意图。( a ) 缺陷是实芯：( b ) 缺陷为空气孔。 因此纤芯和包层在力学和热学上是可以做刭完全匹配，也就是说。纤芯 和包层的折射率羞不会由于材料的不相容性而受到限制。从而可以在很 长的波长范围内得到较大的色散眇3 1 l 。在传统的单模光纤产生正常色散 的波长上，在光予晶体光纤中可以实现反常色散，基于此，人们可以实 现孤立子传播、超短脉冲压缩、色散补偿等。b i r k 8t a 等经过计算得 出一2 0 0 0 p s 彻q 南m 的色散是可能实现的= 据此能够得出这种光纤可以补 偿是其长度1 0 0 倍的标准色散光纤，这远远超出了传统色散补偿光纤的色 散补偿能力。光子晶体光纤的另一个色散特点是零色散点可调只需简单 的改变光子晶体光纤的尺寸，就可以在几百n m 范围内取得零色散1 3 2 j 。 高双折射现象虽然普通光纤具有一些小扭转、弯曲、拉伸等不可控因素导 致的不可控双折射，但一般不支持偏振模。它们要取得双折射的方式主要 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。但在光子晶体光纤中可以轻易实现高双折射，我 们只需要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，比 如：去除某些空气孔或改变空气孔的尺寸。 宽频带的单模性质对于标准阶梯型光纤，允许的导模数量取决于归一化频 率参量矿 y = ( 2 7 r p a ) ( n 乙一n 三) 1 2( 1 1 ) 当y 2 4 0 5 时，光纤才是单模的。换句话说，普通光纤存在截止波长， 只有当传输光的波长大于截止波长时才有可能实现单模传输。与普通光纤 不同的是，光子晶体光纤不存在截止波长。用有效折射率模型可以很好的 解释这一现象，我们定义有效折射率为包层的、以光强分布为权重的平均 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 折射率，于是在光子晶体光纤中 矿= ( 2 丌p a ) l ：n 乙一扎玉，) 1 7 2 ( 1 2 ) 一般波长越短，场分布越趋于折射率较高的区域，这就意味着增加了有效 折射率，从而扩展了单模传输带宽【3 4 】。 易于实现多芯传输对于许多实际的应用来说，单芯往往难以较好地满足需 求，比如：复杂的通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等。此外。多芯光 纤能提高信道通信容量。因此，多芯光纤的研制就显得意义非凡。光子晶 体光纤是通过堆积法制造的，这种方法使得多芯结构能被精确地定位且具 有良好的轴向均匀性，而无需附加额外的工艺1 3 曲。k n i g h tj c 等进行了 这方面的理论试验探讨，发现改变空气孔的比重或纤芯的位置可以很容易 地获得具有不同耦合度的多芯光纤【3 6 i 。 光子晶体光纤的弯曲损耗小【3 4 】与传统光纤相比显著不同的是，光子晶体 光纤不仅在长波方向存在完全损耗边，同时在短波长方向上也存在弯曲损 耗边s o r e t 怫nt 等对此进行了理论和实验上的探讨，他们用有效折射 率模型对光子晶体光纤的弯曲损耗窗口进行了模拟计算，图1 1 0 为理论计 算结果，这和他们的实验是吻合的【3 。 图l 一1 0 ：弯曲损耗的理论计算结果 光子晶体激光器 传统激光器的性能正在逐渐地改进，但其中有一些缺陷似乎很难克服， 例如，激光器发射波长的变化使传输损耗发生变化；随功率的增加线宽趋 9 1 3 光子晶体在光通信和光集成中的应用 中国科学技术大学博士学位论文 于饱和，并重新展宽：辐射角比较大。耦合效率不高。而如采在激光器中引 入带有缺陷的光子晶体，即人为地制造出可以将光局限在其中的微腔( 如 图1 一1 1 ) ，这样在光子带隙中就会出现一个或几个孤立的缺陷模，如果微腔中 的激光介质被激发，那么就会产生具有缺陷模特征的激光，而当徽腔的q 值足 够大时，缺陷模激光就会有很好的单色性，再以平面内波导或平面外其它方式 将其引出光子晶体，方向就可以很好地控制。此时，自发辐射的能量几乎全部 用来发射激光，这就大大降低了激光器的阈值。这种小体积，低阈值甚至零阈 值，高功率，易于光纤耦合而且可以在小区域密集分布的激光器也正是通常我 们在设计光纤传感器选择光源爵所追求的；另外，光予晶体激光器本身还可以 延伸到高灵敏的化学探测器设计中，并为探索许多基本的物理现象开辟新的方 向。1 9 9 9 年，美国加州理工大学a ，s c h e r e r 领导的研究组首次报道了可工作在室 温下且运转在1 5 5 0 n m 的光子晶体激光器删( 图1 1 2 ) ，目前，贝尔实验室、 图1 1 1 ：光子晶体激光器 英国斯温顿b a t h 大学、丹麦c r y s t a if i b e ra s 公司等都在大力地研究这种新型 的激光器。a j d a n n e r 等人提出的双缺陷光子晶体垂直腔面发射激光器更是集 以上两种激光器的优势于一体【3 9 1 。在我国，2 0 0 4 年四月份深圳市激光工程重点 实验室也已经开发出了功率达1 5 w 能光子晶体激光器。据预计，在五年之内， 高效光子晶体激光发射器将逐步实用化，继而逐渐发展为激光器的主流。 滤波器 光通信是当代最伟大的科技之一有了它地球已经变成了一个小村子。而 对于以全光光纤网络为支撑点的现代光通信，其持续增长的应用需求，使得 寻找更宽的传输带宽显得尤为迫切。为了增加总的透过带宽，人们总是通过 减少相邻两个通道的波长差从而允许容纳更多通道来实现的。波分复用系统 是满足这一要求的常用技术，而波分复用里面的关键器件滤波器的作用是不 1 0 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 图1 1 2 ：1 5 5 0 l l l n