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光子晶体集成光电子器件(1)
 1 引言
  
  自1987年Yablonovitch 和John分别自力提出光子晶体的概念以来,光子晶体的实际和实验研究和相干应用取得了敏捷的生长.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巧的进步和生长,人们对这些器件展开了深刻体系的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技巧的“全光子化”和光子技巧的“微型化”与“集成化”成为能够.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.固然天然界也存在天然构成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),然则具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,平日应用当今先辈的半导体微加工技巧,比如电子束刻蚀技巧和聚焦离子束刻蚀技巧, 其精度可优于5nm,根本可以或许满足光子晶体集成光学器件的精确制造和加工请求,使得这些器件的光学特点根本符合计算机设计的预期成果,从而完成实际和实验的优胜互动.
  与传统半导体类似,光在光子晶体中传播时,遭到周期点阵的布拉格散射而产生光子能带和光子带隙.应用光子带隙的存在可以或许完成对光传播行动的强有力控制.这重要经过过程在光子晶体中引入各类缺点而完成光子的局域化控制.缺点有两种根本情势:线缺点和点缺点.线缺点构成波导,它可以引导光子沿某一途径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延长偏向传播,而不克不及泄漏到四周的光子晶体材料里. 1996年,美国麻省理工学院的J.D.Joannopoulos小组在物理学威望杂志Physical Review Letters上发表了一篇实际研究任务[1],指出光经过过程90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口可以或许取得接近100%的传输效力,实际计算的成果如图1所示.随后该小组与美国Sandia国度实验室的Shawn-Yu Lin等协作,展开了微波波段的实验研究任务,证明了实际预言的成果[2].该实验成果如图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)无可比较的优势. 由于传统介质波导经过过程光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来完成传输,当光碰到大年夜的转弯角(比如大年夜于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漏到四周空间中去. 上述的研究任务注解,光子晶体波导可以或许在微纳标准上完成对光的高效力偏转.遭到该研究成果的鼓励,许很多多应用于不合光频段,着眼于更低消耗更宽传播窗口,和一些具有特别用处(如光速变慢)的光子晶体直线波导取得了广泛的研究.
  光子晶体中的另外一种缺点情势——点缺点平日用来构成光子晶体构造中的微腔,在微腔中只要频率与之共振的光子才能存在,构成一个或多个共振形式,是以微腔具有共振选频的感化.波导与微腔合营应用,构成了集成光学根本元件.1998年,美国麻省理工学院的S. Fan等自创形式耦合实际,提出了由光子晶体波导与微腔构成的通道上传/下载滤波器(channel drop filters)的根本概念[3].该器件由两条光子晶体单模波导和中心放置的两个全同耦合微腔构成,经过过程公道地选择微腔的几何构形和物理参数,可以或许控制波导形式与两个耦合微腔的耦合方法,使得在直线波导骨干通道上传播的光信息经过过程共振隧穿机制而高效力(接近100%)地下载到旁支信息通道上.应用光子晶体波导和微腔的耦合感化,日本京都大年夜学的S.Noda小组于2000年制造出了基于InGaAsP材料的应用于近红外波段的面发射下转换型滤波器[4].尔后一系列的关于多通道共振滤波器任务便展开了起来,目标是构建基于光子晶体的密集波分复用器件,以完成微纳标准上的光信息传输和处理

 

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