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1、光子晶体集成光电子器件论文.freelyofSciences,Beijing100190,China)Abstractach-Zender光学干涉仪的功能.与传统光学干涉仪相似,作用于二维平板光子晶体的Mach-Zender干涉仪同样由两条光路组成.由线缺陷构成的主通道经过分支波导后分为相位相同的两路光信号.这两路光信号在继续传播的过程中受到不同的相位和振幅调制,产生调制机制的正是光子晶体本身.光子经过晶体的过程中,由于受到周期性折射率分布的调制,会使相位和群速度受到影响,出现相位滞后或群速度变慢等效应.当两个支路的光子晶体结构有
2、差异,比如说折射率反差不同时,两路光信号传播会受到不同程度的调制,当通过两路分支波导后再汇聚时,由于相位的差异将在输出端产生干涉,或相加性干涉,或相消性干涉,依赖于输入光信号的频率.高品质因子(Q值)光子晶体微腔对光子晶体的应用具有举足轻重的作用.一个光学性能优异的微腔不仅为光耦合传输提供了保证,而且其本身作为光学共振腔的存储和发射光子的作用更为重要.如何提高光子晶体微腔的品质因子这一问题已研究多年,虽然方法层出不穷,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存储的稳定性,减少向周围环境的辐射.Painter小组从傅里叶频谱与光子动量的转换关
3、系出发,制作了Q值达到13000的微腔19,20,但研究的进展还远不止于此,随后Q值的增长呈现出以若干个数量级为单位的趋势.由于微腔由点缺陷构成,缺陷与周围晶体在电场分布上会出现相当“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解决这一问题就需要将腔内电场分布改善为理想高斯型分布,由中心向腔两端对称平缓递减.这样的模式分布使得腔内电场的低空间频率的分量(泄露模式)大幅度减少,从而使腔内光场能量向周围空气背景辐射的几率大大降低了,Q值显著提高.本着这一原则,Noda等人首次尝试通过精细地改变微腔边缘对称空气孔(一对或更多对)的位置(图11(a
4、))得到了Q=100,000的微腔21,并从实验上证实这种微腔的共振峰半高全宽仅为0.022nm.另一种调Q机制是利用光子晶体的带隙效应.Noda小组提出,当微腔和两侧区域由不同晶格常数的光子晶体拼接而成时,如果可以将微腔的共振频率设计在两侧光子晶体的带隙中时,理论计算发现,这种所谓的“异质结结构”的光子微腔,其电场分布十分接近于理想的高斯型分布.该微腔结构如图11(b)所示.他们设计和制作的微腔达到了600,000的高品质因子输出,预计通过优化有望达到20,000,000的惊人结果22.4光子晶体有源集成光学器件光子晶体的应用不
5、仅体现在上述的无源集成器件中,更将其优势突显于各种有源发光器件中.一般光源的发光机制都是电子由高能态向低能态跃迁时将能量以电磁波的形式向外界辐射,不同的能级间的能量差决定了所辐射光子的频率.而人工制作的光子晶体可以人为地控制光子能带以及带隙的位置和宽度.当把发光材料与光子晶体结合起来时,就会出现各种新颖的现象.激光器的应用已经深入到国防工业与民生的方方面面,无论是生产还是科研领域都对激光的应用提出了更高的要求.激光器的线宽是衡量激光品质的重要因素,以往由于原子的自发辐射和热增宽等现象的存在,使激光输出线宽的压窄受到限制.光子晶体的
6、应用恰为这一问题提供了解决的方案.通过合理的设计使由于自发辐射和热增宽等产生的光子正好落入光子晶体完全带隙内,受到带隙屏蔽的光子无法向外辐射,激光的输出线宽将被进一步压窄.同时点缺陷所形成的高Q谐振腔可以降低激光器激射的阈值功率,这意味着以更小的抽运能量输入就可以产生与较大抽运输入相同的效果.光子晶体还可以提高发光二极管的发光效率.传统发光二极管发出的光中,有很大比例的能量转化为平面内传播的波导模式,只能从发光二极管的侧面辐射出去,由于侧面的面积远小于上表面的面积,发光效率受到了极大的限制.一个有效的解决方案是在发光二极管的表面制
7、作上一层二维光子晶体,由于平面内光子带隙的存在,使得平面内传播的波导模式受到很大的抑制,从而大大提高光沿发光二极管垂直方向的辐射效率.光子晶体的出现更为许多发光材料的开发拓展了思路,以往被认为由于荧光的难以控制而无法用作可靠光源的材料,比如氧化锌材料,都在光子晶体的发展带动下加入到有源器件的行列中,成为了新一代光源的研究方向.集成化的光学器件不仅包括光信号的产生,还需要在传送的过程中进行适当的调制.光开关是对光信号调制的一个重要方面.本研究组在这方面也开展了大量的工作:主要是利用光作用在非线性材料上,当入射光强与介质中原子内场强度
8、相当时,将激发介质的高阶极化,改变了材料的折射率,实现开关效应.利用光子晶体作为光开关时,介质折射率的周期性分布使光子晶体本身产生带隙,落入带隙中的光信号无法通过晶体,此时光开关处于“关闭”的状态,当有强抽运光入射到晶体上,由于晶体材质本身折射率在
