（光学专业论文）缺陷态光子晶格光学特性的研究.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 光纤通讯的实施开辟了以光子为载体的信息传递时代。控制光子流 动的材料光学半导体的研究成为了光子器件发展的瓶颈。自1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 提出光子晶体的概念以来，光子在周期性介电结构 中传播的行为受到各国科研人员的关注。这种周期性介电结构材料称为 光子晶体或光子晶格。但是完美的光子晶格存在光子带隙，从应用的角 度来讲，只有带有缺陷的光子晶格才具备操控光子的能力。缺陷晶格的 构造与研究是实现全光子集成器件的重要课题。目前，国内外研究机构 对缺陷态光子晶格的结构进行了许多理论性研究，但是实验研究却很少， 其主要原因是构造缺陷晶格比较困难。而光诱导的方法为缺陷态光子晶 格的构造开辟了一条崭新的道路。 本文主要研究采用两种新的方法一交叉相位法和片光法，在光折 变晶体掺铁铌酸锂( l i n b o 。：f e ) 中诱导带有不同缺陷的光子晶格，并对 其控光的能力进行了研究，所完成的主要工作如下： 1 采用交叉相位法，在l i n b o 。：f e 晶体中制作了带有不同微米量级线 缺陷的二维光折变光子晶格。该方法的优点是光路易于组建，所制作的 线缺陷细锐且可以消除衍射干扰。研究了线缺陷的宽窄、方向以及线缺 陷之间的晶格数对缺陷控光能力的影响；观测了不同角度探测光的缺陷 模位置，发现其缺陷模具有一定的宽度且位置可以在带隙中移动，并分 别从实验和理论计算上得到了本实验条件下缺陷模的宽度，实验与理论 内蒙古师范大学硕士学位论文 吻合得很好；从稳态k u k h t a r e v 方程组和双光束耦合理论出发，数值模 拟了线缺陷光子晶格中的光强分布和折射率分布。 2 采用片光法，利用柱透镜整形出来的片状光束成功地在l i n b o 。：f e 晶体中制作了单一线缺陷宽度为4 0 9 m 的二维缺陷态光子晶格：分析和讨 论诱导时间、写入光强比、掩膜孔间距和探测光频率对缺陷态晶格的光 学特性的影响，找到了最佳实验条件；通过理论计算，对单一线缺陷光 子晶格进行了数值模拟，实验与理论相吻合。 3 首次提出在光折变晶体中制作网状缺陷光子晶格的方法，并成功 地在l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作了二维网状缺陷光子晶格，且在缺陷中观察到 了局域现象和叠加增强现象；为了得到最佳实验效果，从理论和实验两 方面分析了影响缺陷写入的实验条件；通过理论计算，数值模拟了网状 缺陷光子晶格的光强分布，实验与理论相吻合，从而证实了该方法的可 行性，这对集成光路及光计算机的研制有积极的作用。 关键词：光子晶格，缺陷态，光折变晶- 体，交叉相位法，网状缺陷 内蒙古师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fo p t i c a lf i b e rh a si n a u g u r a t e dan e we a ri ni n f o r m a t i o n t r a n s f o r m a t i o nw h i c hu s e sp h o t o n s t h er e s e a r c ho no p t i c a ls e m i c o n d u c t o r , t h em a t e r i a l sf o rc o n t r o l l i n gt h em o v e m e n to fp h o t o n ，h a sb e c o m et h e p r e c o n d i t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o n i cd e v i c e e y a b l o n o v i t c hh a s p o i n t e do u tt h ec o n c e p t i o no fp h o t o n i cc r y s t a li n 19 8 7 ，t h eb e h a v i o u ro f p h o t o n sw h i c hp r o p a g a t e si nt h ep e r i o d i c a l l yd i s t r i b u t e dd i e l e c t r i cc o n s t a n t h a sd r a wr e s e a r c h e r s g r e a ta t t e n t i o n t h i sk i n do fm a t e r i a li sc a l l e dp h o t o n i c c r y s t a lo rp h o t o n i cl a t t i c e s ，b u tt h e r ea r ep h o t o n i cb a n d g a pi nc o m p l e t e d p h o t o n i cl a t t i c e s i na p p l i c a t i o n ，o n l yt h ep h o t o n i cl a t t i c e sw i t hd e f e c th a v e t h ea b i l i t yo fc o n t r o l l i n gt h em o v e m e n to fp h o t o n t h ef a b r i c a t i o na n d r e s e a r c ho fl a t t i c e sw i t hd e f e c ta r eai m p o r t a n tt a s kf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ea l li n t e g r a t e dp h o t o n i cd e v i c e s c u r r e n t l y , i n s t i t u t i o n sf r o mb o t hd o m e s t i ca n da b r o a dh a v eb e e nd o i n g t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r eo f p h o t o n i cl a t t i c e si nd e f e c ts t a t e ，b u tt h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sl i m i t e d t h er e a s o ni st h a tt h ef a b r i c a t i o no fl a t t i c e s w i t hd e f e c ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v e t h em e t h o do fl i g h t - i n d u c e dh a sp a v e da b r a n dn e ww a yf o rf a b r i c a t i o no f p h o t o n i cl a t t i c e s 、加t hd e f e c t i nt h i st h e s i s ，t w on e wm e t h o d so ff o r m i n gp h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i c l a t t i c e sw i t hv a r i o u ss t r u c t u r e so fl i n e d e f e c ti ni r o n d o p e dl i t h i u mn i o b a t e 内蒙古师范大学硕士学位论文 ( l i n b 0 3 ：f e ) c r y s t a l sa r eu s e d ，i n c l u d i n gt h em e t h o do fc r o s s p h a s ea n dt h e m e t h o do fs l i c e b e a m ，t h e nt h ea b i l i t yo fc o n t r o l l i n gp h o t o n sa r er e s e a r c h e di n d e t a i l t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 b yc r o s s p h a s em e t h o d ，w eh a v em a n u f a c t u r e dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s o ft w o d i m e n s i o n a l ( 2 d ) p h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i cl a t t i c ew i t hl i n e d e f e c t ，t h e w i d t ho fw h i c hi sm e a s u r e db ym i c r o n s c a l ei nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l s t h e r ea r e t w oa d v a n t a g e so ft h em e t h o d ，o n ei st h a ti t so p t i c a lp a t hi se a s yt os e tu p ， a n o t h e ri st h el i n e d e f e c ti sn o to n l yv e r ys h a r pb u ta l s on o n d i f f r a c t e d t h e i n f l u e n c e so ft h ew i d t h ，t h ed i r e c t i o na n dt h en u m b e ro fl a t t i c e sb e t w e e nt w o d e f e c t sh a sb e e nr e s e a r c h e d t h ep o s i t i o no ft h ed e f e c tm o d ec h a n g e di n b a n d g a pw i t ha n g l eo ft h ep r o b el i g h th a v eb e e no b s e r v e d t h ew i d t ho f d e f e c tm o d eh a sb e e nm e a s u r e da n db e e nc a l c u l a t e db yt h e o r e t i c a ld e p e n d i n g o nt h ec o n d i t i o n so fo u re x p e r i m e n ta n dt h et w or e s u l t sc o i n c i d e dw e l l a c c o r d i n gt ot h ek u k h t a r e ve q u a t i o n si ns t e a d y s t a t ea n dt h et h e o r yo f t w o - b e a mc o u p l i n g ，w ec a r r yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ol i g h ti n t e n s i t y a n dr e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o no fp h o t o n i cl a t t i c ew i t hl i n e d e f e c t 2 u s i n gt h em e t h o do fs l i c e b e a mw h i c h i ss h a p e db yc y l i n d r i c a ll e n s e s ， w ef a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yt h e2 dp h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i cl a t t i c ew i 也 s i n g l e l i n e d e f e c t ，t h ew i d t ho fw h i c hi s4 0 l x r n ，i nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l s t h e i n f l u e n c e so fi r r a d i a t i o nt i m e ，t h er a t i oo fl i g h ti n t e n s i t y , t h eh o l e sp i t c ho f m a s ka n dt h ef r e q u e n c yo fp r o b el i g h to no p t i c a lp r o p e r t i e so fp h o t o nl a t t i c e i nd e f e c ts t a t e sa r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d a c c o r d i n g l y , w eh a v ef o u n dt h e 内蒙古师范大学硕士学位论文 o p t i m u mc o n d i t i o n o fe x p e r i m e n t t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，a s i n g l e l i n e - d e f e c tp h o t o n i cc r y s t a ll a t t i c ew a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d 3 w ep o i n to u tt h em e t h o do ff a b r i c a t e dt o2 dp h o t o n i cl a t t i c ew i t h m e s h - d e f e c ti np h o t o r e f r a c t i v em a t e r i a l sf o rt h ef i r s tt i m e a n dt h e2 d p h o t o n i c l a t t i c ew i t hm e s h - d e f e c ti sf a b r i c a t e di n l i n b 0 3 ：f ec r y s t a l s s u c c e s s f u l l y a tt h es a m et i m e ，t h ep h e n o m e n o no fl o c a l i z el i g h t w a v ea n dt h e p h e n o m e n o no fs u p e r p o s i t i o nl i g h tt oe n h a n c ea r ef o u n di nt h em e s h d e f e c t i no r d e rt og e tt h eb e s tr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa b o u t f a b r i c a t e dd e f e c t sa r ea n a l y z e di ne x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l a c c o r d i n gt o t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n st h el i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fp h o t o n i cl a t t i c ew i t h m e s h d e f e c ta r es i m u l a t e d ，t h er e s u l to fe x p e r i m e n tc o r r e s p o n dw i t ht h eo n e i nt h e o r y t h u st h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da r ec o n f i r m e d ，w h i c hp l a y sa p o s i t i v er o l ei nt h ei n v e n t i o no ft h ei n t e g r a t e do p t i c a lp a t ha n dl i g h tc o m p u t e r k e yw o r d sp h o t o n i cl a t t i c e ，d e f e c ts t a t e ，p h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a l ，t h e m e t h o do fc r o s sp h a s e ，m e s h - d e f e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。本人保证所呈交的论文不侵犯国家机密、商业秘密及 其他合法权益。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名：a 亟叁盔日期：如d 年多月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位 论文的规定：内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 b 签名：五项叁j f 舀导师签名：彳劢艺绣 日期：o 年月 日 第一章绪论 第一章绪论 对新材料的探索一直是人类的奋斗目标和进步手段。2 0 世纪中期出现的半 导体材料使我们的科技和生活水平得到了翻天覆地的变化，人类从此进入了以计 算机和信息高速公路为标志的信息时代。但是随着科技的飞速发展，半导体材料 由于其结构导致的弊端己经不能满足社会发展的需要，于是人们将目光由电子转 向了光子。 光子可以携带更多的信息，并且彼此之间不存在电子间的强相互作用，非常 有利于减少能量损失。因此，利用光子作为信息和能量的载体，将把信息高科技 推向超高速度、超大容量的宽带范畴，成为信息化社会中不可替代的佼佼者。光 纤的问世使人们利用光子的梦想成为了现实，但是信息输入到光纤前后依靠的器 件仍然是传统的电子产品，这大大限制了传输效率。于是人们便开始设想制造像 集成电路一样的集成光路和光子器件。光子晶体的产生使这种梦想成为了可能， 光子晶体是一种介电常数( 或者说折射率) 在空间呈周期性变化的材料，它是一种 新型的光学微结构材料，被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”， 是未来信息技术的核心。但是正当人们为光子晶体的出现感到欢欣鼓舞时却发 现，光子晶体的制作工艺非常复杂，这就大大限制了它的生产和应用。在人们一 筹莫展之时，光折变材料应运而生了。人们可以利用光折变材料制作光折变光子 晶体和光子晶格从而达到导光的目的。可是不久后研究人员发现：光子晶体和光 子晶格都具有带隙，落在其带隙中的光子无法传播，这又使得该领域在应用上受 到了很大的限带如 近些年来，经研究发现如果在光子晶格中嵌入一些缺陷，就会在带隙中产生 缺陷模，那么处于缺陷模中的光子便可以在晶格中传播。这给光学、光电子学以 及信息科学带来了革命性的发展。本章将从光折变效应出发，阐述光折变光子晶 体及光子晶格产生的物理机制、能带模型及光学特性，最后介绍最具应用价值的 缺陷态光子晶格目前的研究进展。 1 1 光折变效应 1 1 1 光折变效应概述 光折变效应( p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t ) 是光致折射率变化效应( p h o t o i n d u c e d 内蒙古师范大学硕士学位论文 r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的简称，它是电光材料在光辐照下由光强分布引起 材料内部折射率相应变化的一种光学非线性现象。 1 9 6 5 年，光折变效应首先由贝尔实验室的h s h k i n 等人n 。发现。他们用铌酸 锂和钛酸锂晶体做倍频实验时发现：光辐照区折射率的变化破坏了倍频的相位匹 配条件，从而降低了倍频转换效率。当时就把这种不希望看到的效应称为“光损 伤”。这种“光损伤”在光辐照停止后，依然可以存留一段相当长的时间。基于 这种性质，c h e n 等人心3 1 于1 9 6 8 年率先提出，使用这种“光损伤”能够进行光学 信息存储，同时开始深入地研究这种效应的物理机制，建立了光激发载流子的漂 移模型，从此人们开始普遍关注这种奇特的现象。“光损伤”可分为永久损伤和 暂存损伤，我们在文中所说的这种“光损伤”能够通过均匀的光辐照或加热而被 擦洗干净，因此它是一种可循环的损伤。学术界为了把它区别于永久性的光损伤， 将它称为“光折变效应 ，实际上它是一种非线性光学效应。光折变效应在光折 变空间孤子【4 】、光写入波导【3 ，4 】等领域的潜在应用而得到广泛关注。1 9 7 0 到2 0 0 4 年问，j o h n s t o n 5 1 、a l t h o f f 等人 6 1 、z o z u l y a 等人同、s h i r a t o r i 等人【引、p e i t h m a n n 等人9 1 、杨德兴等人【1 明以及张鹏等人【i l 】分别对其进行了理论和实验研究。 光折变效应又称为弱光非线性光学，与强光非线性光学相比，光折变效应最 明显的特征是它不取决于入射光的绝对强度，即对于弱光( 光功率为m w 、岬量 级) ，只要辐照足够长时间，同样能够得到足够大的折射率变化，l 。这为非线性 光学开创了更广泛的研究领域，使得光辐照法制作各种光折变光子晶格成为可 能。 1 1 2 光折变效应的物理机制 光折变效应是发生在电光材料中的一种电光现象。电光材料的折射率咒会随 着电场点而发生变化【1 2 】。在电光材料中，只要电光系数足够大就会存在光折变 效应，只是在电光介质中刀随曰的变化非常小。发生在电光材料中的光折变效 应的物理机制可以概括为以下5 个步骤，如图1 - 1 和1 - 2 所示： ( 1 ) 电光材料内部的杂质、缺陷和空穴作为光激发载流子的施主或受主，在 非均匀光辐照下，施主杂质被电离产生光激发载流子； ( 2 ) 光激发载流子( 导带中的电子或价带中的空穴) 通过浓度梯度扩散或在 外加电场及光生伏打效应的作用下做漂移运动； 2 第一章绪论 hy l - 黝乡, j j j , 4y z j z z z z , , 翻 【 lljr _ 一l 导带 施主n d 上土 l 受主n 区乙z z 乙z z 乙物价带 图1 - 1 光折变模型【3 l ( 3 ) 处在光辐照区的迁移电荷被陷阱重新俘获，它们经过激发、迁移、俘获， 再激发、的反复过程，直至到达暗区被处于较深能级的受主重新俘获为止。 这样就形成了正、负电荷的空间分离，这种电荷的空间分离对应于光强的空间分 布； ( 4 ) 光致分离的空问电荷在晶体内建立相应的空间电荷场； ( 5 ) 空间电荷场又通过电光效应，在晶体内部形成与光强的空间分布相对应 的折射率变化。 毒均匀囊曩先 l 蠢电鼻 孽均匀# 曩走 l | ll l l| l | i n f 蔼闻 摊 l ；r r il i li ii i：il i f 曩f 曩丽i 粕 i 髓睦塑塾i l 厍= 言量i 宝目电嚣曩l 三三三三三习 l e 三三_ i r r l 几 折齄事先 m ) 产 小) 叁一 刖隐严r 也( x ) p 冉搬 厶( 刁炉莎它蝴 图1 - 2 光折变效应的过程 1 4 1 在光折变过程中产生的光生载流子，即电子或空穴，主要来源于晶体中的杂 质和缺陷。这些杂质和缺陷作为电荷的施主或受主，其能级处于晶体的禁带中。 因此光折变效应受到晶体中的掺杂浓度及掺杂种类的影响。如果在l i n b 0 3 晶体 中掺入少量的可变价态的铁( f e ) 、铜( c 埘、锰( m n ) 等过渡元素杂质后，晶体的光 折变性能就会大大增强，其光折变灵敏度也有明显的提高；如果掺入少量的单一 内蒙古师范大学硕士学位论文 价态或满壳层的元素，如镁( m 曲、锌( z n ) 、铟( i n ) 等，在可见光波段其光折变灵 敏度便会大大降低。 通过以上的过程，人们对光折变效应的微观机制有了更深入的研究，在此过 程中逐步形成了光折变效应的理论体系。c h e n 等人在研究光生载流子的迁移过 程时，建立了载流子在外加电场或晶体中的内电场作用下的漂移机制旧。不久 后，a m o d e i 等人又提出了光激发载流子按光强梯度分布导致的扩散迁移机制”6 1 ， 该机制从理论上得出了光生载流子在扩散和漂移这两种迁移机制下的空间电荷 场分布，进而给出了光折变晶体中相位栅的分布，也由此解释了光折变效应中的 许多现象。随后，g l a s s 等人又提出了一种新的自由载流子的迁移机制光生 伏打效应旧。光生伏打效应指的是铁电材料在均匀光幅照的情况下会产生的一 种反平行于自发极化方向的光生伏打电流。综上所述，在光折变过程中自由载流 子的迁移主要有以下三种机制： ( 1 ) 扩散：在非均匀光强辐照下，自由载流子浓度最高的位置是亮区，自由 载流子浓度最低的位置是暗区，在浓度梯度v n 的作用下形成了扩散电流，扩散 电流密度为 厶= 一q d v n = k b t l u v n( 1 1 ) 上式中，q 是载流子的电荷量，空穴取正号，电子取负号；d 是扩散系数：v n 是 自由载流子的浓度梯度；是载流子的迁移率；k 是玻尔兹曼常数；t 是绝对温 度。 ( 2 ) 漂移：载流子在电场作用下的迁移，其中电场包括外加电场磊和内部 的空间电荷场或。漂移电流密度可以表示为 厶= q m e( 1 2 ) 上式中，外加电压与电场的关系为r 雷万= v l ；v 为外加电压；l 为两电极间 的长度。 ( 3 ) 光生伏打效应：不同偏振态的偏振光会在不同方向上引起光生伏打电 流，当入射光偏振方向只沿铁电晶体的c 轴方向时( p 光) 会产生反平行于自发 极化方向的光生伏打电流。光生伏打电流与吸收系数口和辐照光强度，的关系可 以表示为： 山矿= t c a i( 1 3 ) 4 第一章绪论 上式中，k 为g l a s s 常数。 1 1 3 能带输运模型 基于图卜2 所示的光折变效应的物理过程，俄国科学家k u k h t a r e v 等人f 溶1 提出了描述光折变效应的理论模型，即能带输运模型( b a n dt r a n s p o r tm o d e l ) l i3 1 。 在该理论模型中，同时考虑了光激发载流子在晶体内的三种可能的迁移机制，即 扩散、漂移和光生伏打效应三种机制，因此较全面地分析了光折变效应的微观过 程。k u k h t a r e v 用下列数学式子描述，称为k u k h t a r e v 方程组。 1 载流子生成速率方程：宅鍪：( s i + f 1 ) ( n o 一怫) 一玎 ( 1 4 ) 2 琏续施鲁= 警+ 扣 5 ， 3 电流密度方程：i ，= q m e + k b t l t v n + - ，旃 ( 1 6 ) 4 p o i s s o n 方程：v p e ) = g ( k m - n ) ( 1 7 ) 各符号表示的物理意义及单位如表卜1 所示。 表1 - 1k u k h t a r e v ；疗程组符号物理意义及单位 n d 施主中心的总密度【l c r n 3 】怫电离的施主中心密度 1 c m 3 】 n a受主中心密度【l c i i l 3 】 s 光激发截面积系数【咖2 j o u l e 】 i 入射光强分布 w 锄2 】8 热激发速率【l s 】 y 足 电子与离子复合系数【锄3 s 】 以 导带中的自由电子密度【l c m 3 】： 一 j 电流密度 咖c m 2 】 g 电荷数 1 6 1 0 1 9 e o u l 】 电子迁移率【c m 2 ( v o l t s ) 】k 矗 波尔兹曼常数 j o u l e k 】 n e 电场f v c m r绝对温度【k 】 占 介电系数张量【f a n f 时问【s 】 1 1 4 光折变效应的主要特征 光折变材料有着较大的电光系数，与普通的、处于高功率下的非线性光学材 料相比较，还具有下面几个主要特点： 第一、光折变材料的光学非线性效应和光强并没有关系。换句话说，就是能 够用辐照时间来“补偿 光照强度。可以理解为，用弱激光辐照晶体的时候，如 果辐照的时间足够长，那么一样能够显现出明显的非线性效应。光强不会影响非 线性。辐照光的强弱只会影响两方面，其一是影响光折变效应产生的速度，其二 5 内蒙古师范大学硕士学位论文 是使折射率变化幽的饱和值幽，发生变化。 第二、光折变效应的空间非局域性。指的是折射率最大值并不是对应光辐照 的最强处，也就是说，相位栅在光栅波矢方向对于光强的干涉条纹具有一定的空 间相位移，所以，这样的光栅又被叫做相移型光栅，可以允许两束相互作用的 光束产生稳态的能量转移。 第三、光折变效应是非瞬时响应的，还有着很长的暗存储时间。光折变响应 时间f 是和光电导仃加密切关联的j j ，它的关系式是 仁匝 ( 1 8 ) o 吨o d 暗存储时间为 求6 0 乃= ( 1 9 ) 仃， 此处仃肋2 豇是光电导，s 是光激发截面，i 是辐照光强，吼为暗电导，嘞是有 效介电常数，民为真空中的介电常数。在光的辐照下，光电导比暗电导大的多， 就是说盯砷口，因而光折变响应的时间与f 入射光强j r 是近似反比的。 第四、短波长的光比长波长的光产生的光折变效应的灵敏度高。这是因为光 的波长越短，单个光子的能量就会越大，这样一来，处于更深能级的光生载流子 就可以被激发。 第五、光折变过程是可逆的。在均匀的光辐照或加热的情况下，折射率变化 刀能够被擦洗掉。光折变晶体是能够重复使用的，有利于节省能源，也可以为 研究减少成本。 1 2 光子晶体和光子晶格 1 2 1 光子晶体及光子晶格的概念 1 9 8 7 年e y a b l o n o v i t c h f 2 0 和s j o h n f 2 1 1 分别独立地提出光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l s ) 的概念，光子晶体是一种折射率呈空间周期性变化的新型光学微结构材 料。光子晶体使信息处理技术的“全光子化”及光子技术的微型化与集成化成为可 能，这在很大程度上推动了科技的发展。 光子晶体是由两种或两种以上的材料构成的，它要求这些介质材料在结构上 呈周期性排列。同时还要求这些材料的折射率对比度达到2 6 ，这个条件是一个 很难达到的数值。基于这些原因使得光子晶体的制作过程十分复杂。y a b l o n o v i t c h 6 第一章绪论 十1 9 9 1 年j j 机械钻孔方法制造出了第块微波段具有完全禁带的光r 晶体， 之后又有很多的半导体精细加工技术，比如电子柬刻蚀、化学气相沉积、反应离 子柬剿蚀、以及激光光剿等技术也被心用于此，在其中具有代表性的是逐层叠加 法。除此之外还有胶体白组织法。，反蛋白石结构法、飞秽激光法 等方法也破应用丁此。然而，这些工艺的周期长、成本高、面积小、品格周期大， _ l = 适台实验室研究。从晶体周期方面考虑人工制作微米量级蜊期的光子品体是 比较困难的基r 以上多方面的原因，光子晶体的研究和应用受到了极大的限制， f 是人们丌始将目光投向了光子晶格的研究。 光子品格( p h o t o n i c1 a 佑c e s ) 与光子晶体都是折射率周期变化的分立系统，但 它们之间存在着许多异同点1 。l 。 首先光子晶格是非线性的波导阵列，一般由同一种材料诱导而成，具有非 线性特性。而光予晶体是线性的波导阵列，至少由两种不同折射率的介质材料周 期性排列而成，它们都是介电系数在空间呈周期性变化的微结构。 第一，光子晶格与光子晶体的主要区别还在于光子晶体的折射率对比度要求 达到26 ，而光子晶格折射率对比度为m - 3 一1 0 - 5 ，比光子晶体小几个数量级。 第三从带隙结构上来看，光于晶休和光子晶格中都存在着光子带隙。但光 子晶体的带隙是频率带隙，即落在频率带隙中的光波不能在晶体中传播；而光子 晶格存在布拉格带凉，即对于同一频率的光波而言，入射角度落在布拉格带隙中 的光改变了原来的传播方向。 从空问维度上来看，光子晶体和光子晶格均可以根据介电常数发生的空间周 期性变化维度划分为：一维( 平面) 、二维( 2 + l 维) 和三维( 立方) ，以下是三种空间 结构示意图，如图1 3 所示。 何向舒 “) 一雏 早回( b ) j t ( 2 + i ) 雏j c ) j 堆【立方1 图1 0 光折变光子晶格( 体) 空间结构示意图 概括地说，光折变介质的本质是具有非线性光学效应。当光辐照在光折变晶 体的表面时，其内部折射率会发生改变。我们利用这样的性质可以通过全光学的 方法在光折变晶体中构造出折射率呈周期性分布的光子晶格。这样的制作方法工 内蒙古师范大学硕士学位论文 艺比较简单制作过程也叫以在极低的辐照光功率下进行( 如光强为m w 甚至u w 量级】。构造出的光f 晶格可以k 州问保存，并且用均匀光照或高温加热的方法 可以将写入的品格完全攘掉，光折变晶体可以循环使用。基于上述这些优点，光 折变光子晶格拥有极高的研究价值和广阔的应用前景，下文中将光折变光子品格 简称为光了品格。 122 光折变光子晶格的特性 光于晶格和光子晶体一样具有许多非线性的光学效应例如导光作用、分 立衍射和分立孤子、光子带隙以及光波的相互耦合等等。下图为分立衍射示意图。 一 1 mm m e “w d e 图1 4 在一维波导阵列中的升立衍射 光子晶格的内部结构不同于其它连续均匀的体介质。它是有序的周期性排列 的，这个周期长度非常小，可以和光波波长的数量级( 微米、亚微米) 相比拟。因 此光波在光子晶格中传播时出现了很多不同的新奇现象，例如光波在线性分立系 统中传播时的反常折射”“、分立衍射t ”1 以及光波在非线性分立系统中传播时的 自局域态，即分立孤子【3 3 - 3 s 等。这些现象是光在连续、均匀的体介质内传播时 所没有的。 光子晶格和光子晶体一样，晟根本的特性是存在光子禁带【3 “3 q 。我们首先来 分析光子晶体的带隙。它的光子禁带其实是某一频率范围。频率在该范围内的光 子在光子晶体的内部的某些方向上是无法通过的。光子禁带分为完全禁带和不完 全禁带两种。完全禁带是指某一波长的光波在整个空间的所有方向上都不能传 播，并且每个方向上的禁带能级相互重合；不完全禁带是指空间各个方向上的禁 带没有完全重合也可以说只在某个特定的方向上有禁带而不能传播。光子禁带 使光子晶体能够很好地抑制了自发辐射。而对于光子晶格而言，它的带隙是布拉 格角度带隙，在光波频率一定的情况下，某斜入射角度的光波落在带隙中，因而 不能通过。 与光子晶体相同，光子品格最重要的特征之一也是具有光子局域的能力。首 第一章绪论 先讨论光子晶体的局域能力。光子局域和光子晶体中的缺陷能级有着紧密的关 联。假如在高纯度的半导体晶体中加入一些杂质，那么半导体材料的电学和光学 等特性都会发生明显的改变。与此类似，如果可以在光子晶体中添加适当的杂质 和缺陷，那么在光子禁带中也将会出现相应的缺陷能级p 。；。与缺陷能级频率一 致的光子就会被束缚在缺陷的位置上，而不符合缺陷能级条件的光子就将立刻减 少，这样就在光子晶体的禁带中形成了一个缺陷态，但缺陷态的带宽非常窄。对 于光子晶格来说也同样存在着缺陷态能级，只是光子晶格中的缺陷态是通过在晶 格中嵌入缺陷来实现的。光子晶格中缺陷分为点缺陷和线缺陷两种。点缺陷好比 在规则的周期性结构中抽取一根波导，周围的全反射壁将这根波导完全的与外界 阻隔。利用点缺陷能够把光“囚禁 在某一条特定的通道内，使光波无法从其他 任何方向向外传播。如果能够密集的制作一系列点状缺陷使它们彼此相连，那么 就构成了线状的缺陷。用探测光辐照己植入线缺陷的晶格时，只要入射光满足一 定条件，它就只能沿线缺陷方向传播，这相当于光被局限在了一条特殊的通道内， 即线缺陷的位置上。 1 3 缺陷态光子晶格 1 3 1 缺陷态光子晶格的概念及应用 虽然光子品格拥有带隙结构，限制着光的传播，但是如果能够在晶格中制作 一些缺陷，那么在适合的条件下，光波就会沿着缺陷传播，因此学术界对含有“缺 陷”的光子晶格更加关注。缺陷使原来作为“禁区 韵带隙产生了“一线生机 。 也就是因为这“一线生机 ，给了人类控制电磁波的传播方向的能力；也就是因 为这“一线生机”，我们有了引导电磁波的可能，这一重要特性在光电领域中极 具应用价值，如图1 5 。我们如果将缺陷植入光子晶格内部，那么就可以相应的 在光子禁带中也构造出一个频率非常窄的缺陷，只要光波移出缺陷所在的位置， 它便会马上衰减，利用以上原理能够设计出具有较高性能水平的光子晶格过滤器 】；假使植入的缺陷为点状，那么利用点缺陷便可以把光囚禁”在某一根或几根 指定通道的位置上，使它不能从任何一个方向传播出去。这就好比一个微腔，我 们能够利用这样的特殊性质制作具有高品质因子的光子晶格谐振腔。轭l ，如图 1 6 ( 口) ；如果能够密集的制作一系列点状缺陷使它们彼此相连，那么就构成了线 状的缺陷。用探测光辐照植入线缺陷的晶体时，只要入射光满足一定条件，则入 9 内蒙古师范大学硕士学位论立 射光就只能沿线缺陷方向传播，这相当于光被局限在了一条特殊的通道内，即线 缺陷的位置上。图i - 6 ( b ) 是利用r 述思想设计的光子晶格光纤。 7 圉1 5 在“禁区”中的块陷 渺 ( 6 拥有点缺陷和线缺陷的光子晶格 132 缺陷态光子晶格的制作方法 由于光子晶格中的缺陷在光通讯产业技术上具有重要的应用价值，所以人们 研究了许多关于制作光子晶格中缺陷的方法。在工业生产上，人们己利用高温烧 结法m 和拉伸法制作了缺陷和带隙型光子晶体光纤。 ( 1 ) 高温烧结法h3 】：英国b a t h 大学的研究人员用二维光子晶体成功地研制了 新型的光纤：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，并在2 0 0 0 摄氏度高温下烧结而成。其中制作的直径约4 0 微米、蜂窝结构的 亚微米空气就是导光通道。该方法中光波并非在氧化硅而是在空气孔中传播的， 由于相当大的光功率在空气中传输所阻可导光波的范围较大。此方法制作的缺 陷高低折射率村比度很大，但是此方法具有制造工艺复杂、技术含量高且难以实 现等不可避免的缺点。 ( 2 ) 拉伸法h ：利用拉伸法制作光子晶体光纤一般分为两个步骤，其一是p c f 预制棒的制作，其二是p c f 预制棒的拉制。预制棒的制作有许多方法，例如： 刻蚀法、加压法、堆积法、铸造法、打孔法和挤压法等等，最简单常用的方法是 第一章绪论 堆移 浊。这种方法首先h m c v d 法、o v d 浊或青v a d 法制造出一定数量的卒 心石英管和石英捧随后将这些石英管排列堆积成预先殴讨好的形状如六边形， 网状等等。再将中问的几报石英管去掉，或青用几根石英棒替换，以便形成缺陷 最后将它们艘到台适r 寸的薄壁石英管护套中，形成预制棒。预制棒$ 峨后还可 以对其进行酸处理或热处珲，去掉预制棒表面的微小裂纹，这样做的日的足拉仲 过程中不易发生局部坍塌。这种方法制作的预制棒可以灵活地改变纤芯、尺寸和 形状以及控制包层医域的折射牢分布。采用精密仪器，并控制适当的温度( 般 为2 0 0 0 摄氏度左右) ，在适当的速度下将预制棒拉制成p c f 。最后再将拉制好的 光纤涂上保护层，这样做的日的是增强它的机械度和抗腐蚀性。图1 7 为光子晶 体光纤的制作过程。 叫j ”3 倒 f1 曩殛戮 罔1 7 光于晶体光纤的制作过程 以上所述均为工业上的制作方法。在实验室中，陈志刚等人曾经以成像聚焦 法成功地制作了线缺陷m 车1 和点缺陷m 删。刘思敏等人用干涉聚焦法也成功地写 入了点缺陷叫。具体过程如下： ( 1 ) 成像聚焦法一。：利用如图1 - 8 所示的实验装置和如图卜9 所示的掩膜 在s b n 晶体中制作了带有线缺陷和点缺陷前光子晶格。 i1 ) r 】p a t、b 、mt “t ( n 圈l 成像聚焦法的实验装置 内蒙古师范大学硕士学位论又 目i - 9 成像 士掩膜 ( 2 ) 干涉聚焦法：利用如图1 1 0 所示的实验装置掩膜在l i n b 0 3 ：f ct 1 体 中制作了带有点缺陷的光子品格。 一。7 ：爷_ 1 广_ 暑l 二”扩 1 * o n n 图l 1 0 干涉聚焦法的实验装置 14 本论文的主要研究内容 本论文共分五部分，t 要内容有：首先，采用交叉相位法构