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1、光子晶体集成光电子器件的论文摘要: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 photoniccrystalintegratedopticaldevices liuya-zhaolizhi-yuan (laboratoryofopticalphysics,insti
2、tuteofphysics,chineseacademyofsciences,beijing100190,china) abstractodulationandconversionoflightonthenanoscale.theunderlyingphysicalprinciplesandmechanismentsanddevices.ployseveraltypicalexamplestobrieflydescribedifferentaspectsofthesedevices:ho,andho,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精
3、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
4、物理学权威杂志physicalrevie时,光子带隙的中心波长落于1550nm左右,该晶体能够用来制备光通信波段的微纳集成光电子器件.下面我们将比较具体地介绍二维平板光子晶体功能元件的工作原理. 对于完整的光子晶体而言,特定晶向上会出现导带与带隙.光子可以在导带中传播,在带隙中则不能存在.图3(a)给出了典型的二维平板光子晶体能带结构,图中灰色区域代表光锥以内的泄漏模式区域,处于泄漏模区域的光在长距离传播的过程中会逐渐因为耗散而消逝.在白色区域中,由连续点组成的线代表传播模,每一个频率对应的模式可能有一个或者多个,我们称其为单模或多模传
5、播区域.但频率为0.26—0.32(c/a)的区域不存在任何传播模(a为晶格常数,c是真空中的光速),这一区域即为带隙.如何使带隙区域出现传播模,这就需要缺陷的作用.缺陷又分为线缺陷与点缺陷.线缺陷的出现使原先带隙区域出现部分通带使光子能够通过,从能带分布上显示为带隙变窄.如图3(b)中引入线缺陷后,两条导模分布出现在频率0.264—0.28及0.28—0.30(c/a)的区域,带隙宽度减小为0.02(c/a)[7].因为具备了上述有利条件,线缺陷常被用作光子晶体中的光波导.制成的完整的二维平板光子晶体如图4(a)所示,晶体材料的折射率呈
6、现周期性的排布.该结构是我们小组利用中国科学院物理研究所的微加工仪器设备设计和制作的.当沿某一特定晶向破坏这种排布时就形成了线缺陷.图4(b)给出了晶体中沿三角晶格γ-x方向去除一排空气孔后形成的,最后得到了波长间隔仅为1.5nm的两路共振输出光信号,实测共振峰值曲线由图8给出[14].以这种滤波器为基础继续开发了间接耦合的四通道滤波器(见图9),同样得到了较为理想的结果.在长期的试验过程中,本组还发现了光子晶体中原子形态对于晶体和缺陷的模式调制作用,并首次利用这种新型的调制手段制作了间接耦合四通道滤波器.由图10可以看到,经过对原子形态
7、的合理设计,可以使各个通道的输出信号精确到几个纳米[15].其原理是采用椭圆形的空气孔,调节椭圆的长短轴比例和长轴的指向,可以精密地调控微腔的共振频率.无论是哪种形式的耦合滤波器,其基本工作原理都在于:线缺陷组成了滤波器中的输入主通道和各个输出分支通道,由主通道输入的光信号包含不同波长的光子,只有与微腔缺陷模相匹配的光子才能通过微腔与输入波导之间的共振耦合转移到相对应的微腔中,随后再通过微腔与输出波导之间的共振耦合沿各个输出波导输出.如此主通道中的信号被分别“过滤”到相对应的输出波导中,实现了信道下载功能.不难想象,如果将整个过程逆转过来
8、:控制光信号从各分支端输入,再由微腔通过共振耦合使光子重新回到主通道中就形成了信号的上传功能.信道上传､下载两部分分别作用再集合为一体,这就实现了波分复用器的基本功能,对实现光子
