光子晶體進(jìn)展——清華

1、 清華大學(xué)清華大學(xué) 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 彭彭 江江 得得 ( photonic crystals) 光學(xué)系統(tǒng)分區(qū)光學(xué)系統(tǒng)分區(qū) ( 系統(tǒng)線度系統(tǒng)線度 a, 特征波長特征波長 1 m ：判據(jù)：判據(jù) x a / ) 介觀系統(tǒng)介觀系統(tǒng) ( a 1- -100 m, x 1) 線度不夠大：光子線度不夠大：光子 “點(diǎn)點(diǎn)” 線度不夠?。合到y(tǒng)線度不夠小：系統(tǒng) “點(diǎn)點(diǎn)” maxwell 電磁場理論電磁場理論 線度足夠大：光子線度足夠大：光子 “點(diǎn)點(diǎn)” 宏觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng) ( a 1cm, x 1) 幾何光學(xué)幾何光學(xué) 線度足夠?。涸踊蚍肿泳€度足夠小：原子或分子 “點(diǎn)點(diǎn)” 微觀系統(tǒng)微觀系統(tǒng) ( a 1nm,

2、x 1) einstein 量子力學(xué)量子力學(xué) ( (a 0.1-100nm0.1-100nm, x 1) )納光子學(xué)納光子學(xué) 光子晶體光子晶體( (a 0.1-10.1-1 m, x 1) ) 線度線度 光波長光波長量子電動力學(xué)量子電動力學(xué) dwdm 傳輸：損耗傳輸：損耗 色散色散/斜率斜率( 偏振模色散偏振模色散) 光學(xué)非線性光學(xué)非線性 dwdm 控制：復(fù)用控制：復(fù)用/解復(fù)用解復(fù)用 (mux/dmux) 分插分插/復(fù)接復(fù)接(add/drop) 交叉互聯(lián)交叉互聯(lián) (oxc) 光子學(xué)集成光子學(xué)集成(vlsi)(vlsi)：波導(dǎo)彎曲損耗波導(dǎo)彎曲損耗 光通信網(wǎng)絡(luò)光子學(xué)集成光通信網(wǎng)絡(luò)光子學(xué)集成 197

3、0s： 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料（異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料（ld 室溫工作）室溫工作） 石英光導(dǎo)纖維（損耗石英光導(dǎo)纖維（損耗 458 nm 近場光斑近場光斑 h= 0.0065 10m 3. 靈活的色散特性靈活的色散特性 應(yīng)用：色散補(bǔ)償應(yīng)用：色散補(bǔ)償/色散管理色散管理/光孤子技術(shù)等光孤子技術(shù)等 2 2 dc nd d 大的正色散大的正色散 = 1.4 m = 0.66 d = 250 ps/nm km 平坦的零色散平坦的零色散 = 2.9 m = 0.52 d = 0 ps/nm km 大的平坦負(fù)色散大的平坦負(fù)色散 = 3.2 m = 047 d = -100 ps/nm/km 4. 單纖多芯傳輸單纖多芯傳輸

4、 / 耦合耦合 應(yīng)用：多信道光傳輸應(yīng)用：多信道光傳輸 /光纖傳感光纖傳感, 光控光耦合器件光控光耦合器件 5. 空氣芯光纖帶隙可調(diào)空氣芯光纖帶隙可調(diào) 無損耗無損耗 ! 無材料色散無材料色散 !！ 無光學(xué)非線性無光學(xué)非線性 !！ 應(yīng)用：通信應(yīng)用：通信/傳感傳感 pump =1536nm signal =1650nm0 rcore = 1.6 m lhf = 75m aeff =2. 85 m lb =0.4mm pcf 拉曼放大器拉曼放大器 g=42.8db nf6db xpm+narrowband filtering (data rate of 10 gbit/s) lhf = 5.8m, r

5、core = 2.0 m, aeff =2.93(+/-0.3)m2 50db/km, d=+100 ps/nm-km (1550), =31w-1km-1 control =1551nm, prob =1530-1580nm pcf波長轉(zhuǎn)換波長轉(zhuǎn)換 lpg: 電調(diào)電調(diào) pcf 衰減器衰減器 電調(diào)電調(diào) pcf 衰減器衰減器 dynamic range: 30db, insertion loss:0.8db, pdl:0.5db, :1sec 電調(diào)電調(diào)pcf衰減器衰減器 電調(diào)電調(diào) pcf 濾波器濾波器 pcf 耦合器耦合器 smf hof pcf 寬帶波長寬帶波長/模選擇耦合器模選擇耦合器 微電

6、子工藝微電子工藝 制備工藝制備工藝 fig. 1: photonic crystal waveguide in soi. pitch is 460nm, hole-size is 290nm. fig. 2: photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs. 248nm duv lithography on soi soi photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400500nm hole sizes：160 30

7、0nm. 制備工藝制備工藝 pbg限制波導(dǎo)限制波導(dǎo) pc微腔復(fù)用微腔復(fù)用/解復(fù)用器解復(fù)用器 pc濾波器濾波器 共面共面pc諧振腔諧振腔 1563 nm1609 nm lcavity=6 m, q=400 微腔耦合波導(dǎo)激光器微腔耦合波導(dǎo)激光器 ( caltech ) ( mit ) 光子晶體微腔激光器光子晶體微腔激光器 -hcl:h2o=4:1 wet chemical etch 4 1.2% compressively strained ingaasp qws slab thichness: 10nm qws separated by 23nm barriers lattice constan

8、t: = 550nm, radius of the holes: d=215nm central defect cavity: 19 holes pmmaelectron-beam lithography cr-cu layerar+ ion beam etch sin2 layercf4 reactive ion etch inp substrate ingaasp qws regionecr etch 光子晶體微腔激光器光子晶體微腔激光器 光子晶體微腔激光器光子晶體微腔激光器 （三維三維） 半導(dǎo)體光刻工藝半導(dǎo)體光刻工藝 waves of certain can not enter into

9、 or propagate through the materials. model d w si d d d d a y z (a) (b) (c) (d) (e) b fabricationexample si / sio2 gap= 14 % 0,center = 1.5 m 溶膠凝膠（溶膠凝膠（sol-gel)sol-gel)法法 si substrate substrate 微球尺度 855nm1.3 sio2 - opals ( 模板模板 ) 制備制備 t h 80oc 65oc 溶膠凝膠（溶膠凝膠（sol-gel)sol-gel)法法 si - inverted opals 制備制備 550oc substrate substrate substrate lpcvd (111) surface 2層層4層層16層層 a. 透射譜：透射譜： 理論理論 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) b. 理論計(jì)算的光子能帶理論計(jì)算的光子能帶 空氣球大?。嚎諝馇虼笮。?(a, b): 1mm, (c, e): 670nm (100) surface c. 理論計(jì)算的光子能帶理論計(jì)算的光子能帶 b. 反射譜：反射譜： 841nm, 1070nm 空氣球大?。嚎諝馇虼笮。?(d, f) : 855mm (c )(d) patterned photonic crys