光子晶體集成光電子器件

1、光子晶體集成光電子器件                           摘 要: 文章簡要介紹了利用光子晶體實(shí)現(xiàn)微納尺度上光調(diào)控的物理原理和工作機(jī)制,重點(diǎn)討論了如何利用光子晶體的缺陷態(tài)實(shí)現(xiàn)微納尺度的各種集成光電子器件,并結(jié)合文章作者所在研究組的研究工作經(jīng)驗(yàn),簡單回顧了各種類型的集成光電子器件的工作原理1,指出光通過90°的光子晶體波導(dǎo)

2、轉(zhuǎn)彎角時,在某些頻率窗口能夠獲得接近100%的傳輸效率,理論計(jì)算的結(jié)果如圖1所示.隨后該小組與美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的Shawn-Yu Lin等合作,開展了微波波段的實(shí)驗(yàn)研究工作,證實(shí)了理論預(yù)言的結(jié)果2.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.在這一點(diǎn)上, 光子晶體波導(dǎo)具有傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)(如光纖)無可比擬的優(yōu)勢. 由于傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)通過光在芯層和包層之間的分界面處的全反射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)傳輸,當(dāng)光遇到大的轉(zhuǎn)彎角(比如大于30°)時,全反射條件不再滿足,相當(dāng)比例的光能量將從轉(zhuǎn)彎角處泄露到周圍空間中去. 上述的研究工作表明,光子晶體波導(dǎo)能夠在微納尺度上實(shí)現(xiàn)對光的高效率偏轉(zhuǎn).受到該研究成果的激勵,許許多多應(yīng)用于不

3、同光頻段,著眼于更低損耗更寬傳播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速變慢)的光子晶體直線波導(dǎo)得到了廣泛的研究.光子晶體中的另一種缺陷形式點(diǎn)缺陷通常用來構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)中的微腔,在微腔中只有頻率與之共振的光子才能存在,形成一個或多個共振模式,因此微腔具有共振選頻的作用.波導(dǎo)與微腔配合使用,構(gòu)成了集成光學(xué)基本元件.1998年,美國麻省理工學(xué)院的S. Fan等借鑒模式耦合理論,提出了由光子晶體波導(dǎo)與微腔構(gòu)成的通道上傳/下載濾波器(channel drop filters)的基本概念3.該器件由兩條光子晶體單模波導(dǎo)和中間放置的兩個全同耦合微腔構(gòu)成,通過合理地選擇微腔的幾何構(gòu)形和物理參數(shù),能夠控制波導(dǎo)模式

4、與兩個耦合微腔的耦合方式,使得在直線波導(dǎo)主干通道上傳播的光信息通過共振隧穿機(jī)制而高效率(接近100%)地下載到旁支信息通道上.利用光子晶體波導(dǎo)和微腔的耦合作用,日本京都大學(xué)的S.Noda小組于2000年制作出了基于InGaAsP材料的應(yīng)用于近紅外波段的面發(fā)射下轉(zhuǎn)換型濾波器4.此后一系列的關(guān)于多通道共振濾波器工作便開展了起來,目標(biāo)是構(gòu)建基于光子晶體的密集波分復(fù)用器件,以實(shí)現(xiàn)微納尺度上的光信息傳輸和處理.光子晶體中帶隙的調(diào)控作用還體現(xiàn)在對光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch就預(yù)見了光子晶體點(diǎn)缺陷形成激光器的可能5.大體說來就是將光信號設(shè)計(jì)在導(dǎo)帶區(qū)域,使其能夠透過晶體繼續(xù)傳播,而噪

5、聲落入帶隙區(qū)域被完全屏蔽,從而獲得超過傳統(tǒng)光源的高單色性激光輸出.12年后,美國加州理工學(xué)院的A.Scherer研究小組首次實(shí)現(xiàn)了室溫下抽運(yùn)的光子晶體納米激光器6,翻開了世界范圍光子晶體激光器研究工作實(shí)用化的新一頁.該小組在包含有多層量子阱結(jié)構(gòu)的砷化鎵橋式薄膜上制作了光子晶體微腔, 利用局域缺陷模的高品質(zhì)因子,為量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光提供了反饋機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)了具有亞波長尺度的模式體積的納米激光器.近年來,各種基于光子晶體的有源與無源器件在微納米加工技術(shù)的支持下層出不窮,它們的出現(xiàn)提供了構(gòu)成光子晶體集成光學(xué)回路的基本功能單元. 78.信號在沿線波導(dǎo)傳輸?shù)倪^程中,可以依據(jù)能量分配的需求,以制定的

6、比例,分配到每個分支線波導(dǎo)中,圖6(a)給出了本小組制作的光子晶體樹型分支波導(dǎo),它將能量均勻地分配到4個通道中.圖6(b)和6(c)分別是其中的一個分支單元以及在紅外顯示下能量均分的實(shí)測圖9,10.樹型分支波導(dǎo)的接口處經(jīng)過合理地優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)低損耗傳播,比如調(diào)制線波導(dǎo)周圍基元占空比就可以達(dá)到低損耗的目的11,12.高效率的分支波導(dǎo)連接結(jié)構(gòu)為光子晶體共振濾波器的制作奠定了基礎(chǔ).光子晶體中的點(diǎn)缺陷形成了光學(xué)微腔,微腔的性能參數(shù)通過控制微腔的形態(tài)和尺寸大小來確定.常見的微腔形成方法有3種:或增大某基元的占空比,或減小某基元的占空比,或使用其他介質(zhì)替位.這些操作最終形成的微腔功能多種多樣,其中典型的兩

7、類功能是用作高品質(zhì)因子的光學(xué)共振腔和光傳播過程中的耦合器.作為第一種應(yīng)用是利用微腔對光子局域作用,將波導(dǎo)中傳輸?shù)墓馔ㄟ^微腔與波導(dǎo)間的共振耦合轉(zhuǎn)移并存儲到微腔中,微腔的形態(tài)經(jīng)過特定設(shè)計(jì),確保光子經(jīng)多次共振增強(qiáng)后直接向平板光子晶體表面輻射,形成高品質(zhì)因子的激光輸出.這種垂直出射的光學(xué)共振腔類似于表面發(fā)射激光器,是將水平方向傳播的光轉(zhuǎn)換到垂直方向上的發(fā)射的一種有效方法.微腔的另一種作用是作為耦合器,將輸入波導(dǎo)中的光信號耦合到輸出波導(dǎo)中.在這種情況下,需要微腔的共振模與輸入輸出波導(dǎo)的傳播模式完全匹配.當(dāng)滿足共振波長的光子進(jìn)入輸入波導(dǎo)后,將通過波導(dǎo)與微腔之間的共振耦合效應(yīng)局域在微腔中,進(jìn)而再由微腔向輸出

8、波導(dǎo)耦合.此時微腔起到了耦合器的作用,與傳統(tǒng)環(huán)形腔耦合器作用近似. 11,12.嵌入式濾波器將微腔直接放在線波導(dǎo)內(nèi),控制微腔的數(shù)量和位置選擇不同的光信號通過.連接式濾波器則把線波導(dǎo)斷開,通過微腔共振連接線波導(dǎo)兩端13.無論是哪種形式的直接耦合濾波器,都可將光信號直接作用于微腔,只有與腔缺陷模相匹配的光子能繼續(xù)傳播,其余光子則不能通過波導(dǎo).這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于腔與波導(dǎo)的耦合效率高,避免了共振耦合時距離等因素對耦合效率的影響.間接耦合濾波器把微腔與波導(dǎo)分離開,波導(dǎo)與微腔在光子晶體平面內(nèi)存在一段距離,二者通過平面內(nèi)的倏逝波耦合實(shí)現(xiàn)光信號傳送.距離的存在為調(diào)整輸出信號的品質(zhì)因子提供了有效手段

9、,本小組的一項(xiàng)工作就是利用調(diào)節(jié)波導(dǎo)與微腔以及微腔邊緣原子位置而得到的高精度間接耦合的雙通道濾波器.在這種濾波器中,微腔邊緣的原子向外側(cè)分別移動了10和20nm,最后得到了波長間隔僅為1.5nm的兩路共振輸出光信號,實(shí)測共振峰值曲線由圖8給出14.以這種濾波器為基礎(chǔ)繼續(xù)開發(fā)了間接耦合的四通道濾波器(見圖9),同樣得到了較為理想的結(jié)果.在長期的試驗(yàn)過程中,本組還發(fā)現(xiàn)了光子晶體中原子形態(tài)對于晶體和缺陷的模式調(diào)制作用,并首次利用這種新型的調(diào)制手段制作了間接耦合四通道濾波器.由圖10可以看到,經(jīng)過對原子形態(tài)的合理設(shè)計(jì),可以使各個通道的輸出信號精確到幾個納米1519,20,但研究的進(jìn)展還遠(yuǎn)不止于此,隨后Q

10、值的增長呈現(xiàn)出以若干個數(shù)量級為單位的趨勢.由于微腔由點(diǎn)缺陷構(gòu)成,缺陷與周圍晶體在電場分布上會出現(xiàn)相當(dāng)“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解決這一問題就需要將腔內(nèi)電場分布改善為理想高斯型分布,由中心向腔兩端對稱平緩遞減.這樣的模式分布使得腔內(nèi)電場的低空間頻率的分量(泄露模式)大幅度減少,從而使腔內(nèi)光場能量向周圍空氣背景輻射的幾率大大降低了,Q值顯著提高.本著這一原則,Noda 等人首次嘗試通過精細(xì)地改變微腔邊緣對稱空氣孔(一對或更多對)的位置(圖11(a)得到了Q=100,000的微腔2122.于“關(guān)閉”的狀態(tài),當(dāng)有強(qiáng)抽運(yùn)光入射到晶體上,由于晶體材質(zhì)本身折射率在非線性作用下發(fā)生變化,破壞了初始的能帶分布.在合理地選擇晶體材質(zhì)與抽運(yùn)光的情況下,原先帶隙的位置及大小受到調(diào)制,使原本落在帶隙中的光子進(jìn)入導(dǎo)帶,光信號通過晶