利用扫描近场光学显微镜针尖实现对光子晶体的直接调谐与成像

1、    利用扫描近场光学显微镜针尖实现对光子晶体的直接调谐与成像作者：D.JasonPalmer光子晶体（PC）是纳米光子学领域的研究热点，它可以将光限制在纳米尺度的光学微腔中。然而，控制光子晶体微腔（PC-MC）的特性并不是一件轻而易举的事。最近，通过提高扫描近场光学显微镜（SNOM）的功率，研究人员实现了对PC-MC的直接调谐与成像。PC-MC的应用非常广泛，包括光学传感、腔量子电动力学（QED）实验以及高性能光通讯器件等。Q值是衡量PC-MC性能的主要指标，它与损耗成反比。光子晶体的最大优点是具    作者：D. Ja

2、sonPalmer    光子晶体（PC）是纳米光子学领域的研究热点，它可以将光限制在纳米尺度的光学微腔中。然而，控制光子晶体微腔（PC-MC）的特性并不是一件轻而易举的事。最近，通过提高扫描近场光学显微镜（SNOM）的功率，研究人员实现了对PC-MC的直接调谐与成像。    PC-MC的应用非常广泛，包括光学传感、腔量子电动力学（QED）实验以及高性能光通讯器件等。Q值是衡量PC-MC性能的主要指标，它与损耗成反比。光子晶体的最大优点是具有很高的Q值。    光子晶体具有完美的光学带隙结构，类

3、似于固态电子学中的电子带隙结构。通过改变电介质层上孔之间的距离，可以改变光子晶体的光学带隙特性。光子晶体中的量子点相当于局部光源，Q值可以高达106，而通常固态微腔的Q值只有103。光子晶体具有很小的模场体积，因此为光子器件的集成创造了条件。    光子晶体器件的性能对制造工艺和材料的微观特性十分敏感。目前的制造工艺还不能满足量子物理实验对光子晶体的精度要求和工业应用对光子晶体的可调性要求。    那么怎样调谐PC-MC的特性呢？不可逆的方法包括对材料进行后处理，如对孔做进一步蚀刻。意大利科学家Francesca Intonti和他的

4、同事将液体渗透到光子晶体的孔阵列中，通过精心改变液体的折射率和非线性特性，可以控制局部电介质的材料特性，进而控制薄片上单个 PC-MC的特性。1  图: 利用SNOM测量的PC-MC的基模电场分布。     改变腔模式    目前，Intonti和其他研究人员已经采用另一种可逆的方法调谐PC-MC的特性，该方法由瑞士联邦理工学院的Vahid Sandoghdar在2005年首次提出。2这种方法利用SNOM对PC-MC进行扰动和成像。由于亚波长尺度的针尖有效地增加了绝缘材料的面积，同时PC-MC谐振频率的移

5、动与针尖的极化率成反比，针尖引入的损耗与极化率的平方成正比。因此，腔模可以发生显著变化，既没有引入较大的损耗，同时又保持了腔的高Q值。    PC-MC由三层砷化铟量子点组成，砷化铟层悬挂在一层320nm厚的砷化镓薄膜上。微腔区域由4个缺失孔按照钻石形状排列组成，缺失孔位于三角孔阵列的中部。研究小组使用玻璃SNOM针尖收集量子点发出的荧光信号，结果表明，针尖相当于增加介电材料的面积，它改变了PC-MC的局部介电常数，从而导致腔膜红移几个纳米。    研究表明，通过改变针尖与PC-MC表面的距离或者改变耦合进入SNOM针尖的光强，可以控

6、制谐振的移动。Intonti表示：“针尖导致的谐振移动与微腔本征模的电场强度成正比，因此调谐强度的空间图相当于对微腔本征模进行直接成像，同时将最小空间分辨率提高到原来的1/6。这种方法将测量精度提高到了一个前所未有的高度。”     改变局部折射率    因为SNOM针尖的存在扩大了腔的线宽，因此可以获得针尖导致损失的空间图。3研究还发现，耦合进入针尖的激光可以增加微腔的温度，从而导致GaAs的折射率发生局部改变。改变局部加热的位置也可以实现PC-MC的调谐。4    Intonti表示：“利用

7、针尖实现光子晶体的调谐具有局部、连续和可逆的特点，因此可以应用在单个原子与单个腔模之间发生强烈耦合的量子电动力学领域。一旦条件满足，可逆特性使系统在强耦合和弱耦合之间发生切换，因此可以实现以光子晶体为基础的光开关，应用在一系列光子器件上，如分插复用滤波器、低阈值激光器和集成的二维光子晶体片。”由于该方法可以获得以前无法获得的腔模信息，研究人员打算用它研究一些光子器件的特性，而这些器件以前都是利用液体渗透方法研究的。    Vahid Sandoghdar表示：“这项工作非常有意义，而且理论与实验比较吻合。实现光子晶体和SNOM技术的集成是目前的技术难点，它限制了该项技术的实际应用。目前的研究成果对于QED实验者而言有重要意义，利用该项技术可以非常容易地将光子晶体模式调整到量子点模式。”    随着这种方法的改进，多功能、集成的纳米光学系统，如光学过滤器和光开关，都将成为光子晶体与现有的微电子技术结合的产物。     参考文献1.Intonti et al. Appl.Phys. Lett. 89, 211117 (2006).2.Koenderink et al.