利用掃描近場光學(xué)顯微鏡針尖實現(xiàn)對光子晶體的直接調(diào)諧與成像

1、    利用掃描近場光學(xué)顯微鏡針尖實現(xiàn)對光子晶體的直接調(diào)諧與成像作者：D.JasonPalmer光子晶體（PC）是納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，它可以將光限制在納米尺度的光學(xué)微腔中。然而，控制光子晶體微腔（PC-MC）的特性并不是一件輕而易舉的事。最近，通過提高掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）的功率，研究人員實現(xiàn)了對PC-MC的直接調(diào)諧與成像。PC-MC的應(yīng)用非常廣泛，包括光學(xué)傳感、腔量子電動力學(xué)（QED）實驗以及高性能光通訊器件等。Q值是衡量PC-MC性能的主要指標(biāo)，它與損耗成反比。光子晶體的最大優(yōu)點是具    作者：D. Ja

2、sonPalmer    光子晶體（PC）是納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，它可以將光限制在納米尺度的光學(xué)微腔中。然而，控制光子晶體微腔（PC-MC）的特性并不是一件輕而易舉的事。最近，通過提高掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）的功率，研究人員實現(xiàn)了對PC-MC的直接調(diào)諧與成像。    PC-MC的應(yīng)用非常廣泛，包括光學(xué)傳感、腔量子電動力學(xué)（QED）實驗以及高性能光通訊器件等。Q值是衡量PC-MC性能的主要指標(biāo)，它與損耗成反比。光子晶體的最大優(yōu)點是具有很高的Q值。    光子晶體具有完美的光學(xué)帶隙結(jié)構(gòu)，類

3、似于固態(tài)電子學(xué)中的電子帶隙結(jié)構(gòu)。通過改變電介質(zhì)層上孔之間的距離，可以改變光子晶體的光學(xué)帶隙特性。光子晶體中的量子點相當(dāng)于局部光源，Q值可以高達106，而通常固態(tài)微腔的Q值只有103。光子晶體具有很小的模場體積，因此為光子器件的集成創(chuàng)造了條件。    光子晶體器件的性能對制造工藝和材料的微觀特性十分敏感。目前的制造工藝還不能滿足量子物理實驗對光子晶體的精度要求和工業(yè)應(yīng)用對光子晶體的可調(diào)性要求。    那么怎樣調(diào)諧PC-MC的特性呢？不可逆的方法包括對材料進行后處理，如對孔做進一步蝕刻。意大利科學(xué)家Francesca Intonti和他的

4、同事將液體滲透到光子晶體的孔陣列中，通過精心改變液體的折射率和非線性特性，可以控制局部電介質(zhì)的材料特性，進而控制薄片上單個 PC-MC的特性。1  圖: 利用SNOM測量的PC-MC的基模電場分布。     改變腔模式    目前，Intonti和其他研究人員已經(jīng)采用另一種可逆的方法調(diào)諧PC-MC的特性，該方法由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Vahid Sandoghdar在2005年首次提出。2這種方法利用SNOM對PC-MC進行擾動和成像。由于亞波長尺度的針尖有效地增加了絕緣材料的面積，同時PC-MC諧振頻率的移

5、動與針尖的極化率成反比，針尖引入的損耗與極化率的平方成正比。因此，腔模可以發(fā)生顯著變化，既沒有引入較大的損耗，同時又保持了腔的高Q值。    PC-MC由三層砷化銦量子點組成，砷化銦層懸掛在一層320nm厚的砷化鎵薄膜上。微腔區(qū)域由4個缺失孔按照鉆石形狀排列組成，缺失孔位于三角孔陣列的中部。研究小組使用玻璃SNOM針尖收集量子點發(fā)出的熒光信號，結(jié)果表明，針尖相當(dāng)于增加介電材料的面積，它改變了PC-MC的局部介電常數(shù)，從而導(dǎo)致腔膜紅移幾個納米。    研究表明，通過改變針尖與PC-MC表面的距離或者改變耦合進入SNOM針尖的光強，可以控

6、制諧振的移動。Intonti表示：“針尖導(dǎo)致的諧振移動與微腔本征模的電場強度成正比，因此調(diào)諧強度的空間圖相當(dāng)于對微腔本征模進行直接成像，同時將最小空間分辨率提高到原來的1/6。這種方法將測量精度提高到了一個前所未有的高度?！?#160;    改變局部折射率    因為SNOM針尖的存在擴大了腔的線寬，因此可以獲得針尖導(dǎo)致?lián)p失的空間圖。3研究還發(fā)現(xiàn)，耦合進入針尖的激光可以增加微腔的溫度，從而導(dǎo)致GaAs的折射率發(fā)生局部改變。改變局部加熱的位置也可以實現(xiàn)PC-MC的調(diào)諧。4    Intonti表示：“利用

7、針尖實現(xiàn)光子晶體的調(diào)諧具有局部、連續(xù)和可逆的特點，因此可以應(yīng)用在單個原子與單個腔模之間發(fā)生強烈耦合的量子電動力學(xué)領(lǐng)域。一旦條件滿足，可逆特性使系統(tǒng)在強耦合和弱耦合之間發(fā)生切換，因此可以實現(xiàn)以光子晶體為基礎(chǔ)的光開關(guān)，應(yīng)用在一系列光子器件上，如分插復(fù)用濾波器、低閾值激光器和集成的二維光子晶體片?！庇捎谠摲椒梢垣@得以前無法獲得的腔模信息，研究人員打算用它研究一些光子器件的特性，而這些器件以前都是利用液體滲透方法研究的。    Vahid Sandoghdar表示：“這項工作非常有意義，而且理論與實驗比較吻合。實現(xiàn)光子晶體和SNOM技術(shù)的集成是目前的技術(shù)難點，它限制了該項技術(shù)的實際應(yīng)用。目前的研究成果對于QED實驗者而言有重要意義，利用該項技術(shù)可以非常容易地將光子晶體模式調(diào)整到量子點模式?！?#160;   隨著這種方法的改進，多功能、集成的納米光學(xué)系統(tǒng)，如光學(xué)過濾器和光開關(guān)，都將成為光子晶體與現(xiàn)有的微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。     參考文獻1.Intonti et al. Appl.Phys. Lett. 89, 211117 (2006).2.Koenderink et al.