光子晶体集成光电子器件1.doc

光子晶体集成光电子器件

摘要:文章简要介绍了利用光子晶体实现微纳尺度上光调控的物理原理和工作机制,重点讨论了如何利用光子晶体的缺陷态实现微纳尺度的各种集成光电子器件,并结合文章作者所在研究组的研究工作经验,简单回顾了各种类型的集成光电子器件的工作原理､物理实现和光学特性.关键词:光子晶体,光电子器件,耦合器,光学共振腔,波导PhotoniccrystalintegratedopticaldevicesLIUYa-ZhaoLIZhi-Yuan(LaboratoryofOpticalPhysics,InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)AbstractWediscusshowphotoniccrystalscontrollightpropertiessuchasthegeneration,propagation,modulationandconversionoflightonthenanoscale.Theunderlyingphysicalprinciplesandmechanismwillbeaddressed.Discussionswillfocusontheconstructionofvariousnanoscaleintegratedopticalelementsanddevices.Weemployseveraltypicalexamplestobrieflydescribedifferentaspectsofthesedevices:howtheywork,howtofabricatethem,andhowtocharacterizetheiropticalproperties.Keywordsphotoniccrystals,opticaldevices,coupler,resonator,waveguide1引言自1987年Yablonovitch和John分别独立提出光子晶体的概念以来,光子晶体的理论和实验研究以及相关应用得到了迅速的发展.迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能.简单地说,光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术,其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动.与传统半导体类似,光在光子晶体中传播时,受到周期点阵的布拉格散射而产生光子能带和光子带隙.利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里.1996年,美国麻省理工学院的J.D.Joannopoulos小组在物理学权威杂志PhysicalReviewLetters上发表了一篇理论研究工作[1],指出光通过90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,理论计算的结果如图1所示.随后该小组与美国Sandia国家实验室的Shawn-YuLin等合作,开展了微波波段的实验研究工作,证实了理论预言的结果[2].该实验结果如图2所示.在这一点上,光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势.由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30°)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去.上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗､更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究.光子晶体中的另一种缺陷形式——点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件.1998年,美国麻省理工学院的S.Fan等借鉴模式耦合理论,提出了由