基于二维光子晶体自准直效应的定向发射和全光逻辑器件

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1、知识产权保护声明本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：功障屈日期：蒯年6月弓日第一章引言从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步。半个世纪以来，电子器件的迅猛发展使其影响着我们生活的

2、方方面面，它尤其促进了通讯和计算机产业的发展。然而，由于进一步微型化所导致的电路阻抗和能量损耗的加大，使得进一步地提高集成电路的运作速度成为一种挑战。由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内，量子和热的波动使它的运作变得不可靠了，这些使得电子器件的能力已接近其工作极限。光子是一种以光速运动的粒子，与电子相比，光子受到的相互作用远小于电子，这使得以光子为载体的光子器件有比电子器件有高得多的运行速度。光子在电介质中传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽远大于金属导线。因而人们把目光投向了光子，提出

3、了用光子作为信息裁体代替电子的设想。类似于电子产业中的半导体材料，光子产业中也存在着一种基础材料一光子晶体(photoniccrystal)。光子晶体是具有周期性折射率变化的人工材料，其概念在1987年由S．JolIn和E．YablonovitCh分别独立提出【1，21。自其概念被提出后，在最近的几十年里，光子晶体得到了迅猛的发展。光子晶体以高低折射率材料的空间周期排列不同而分为一维，二维和三维光子晶体。在这些光子晶体类别中，二维光子晶体以其设计灵活、制作工艺相对简单等特点，而使得基于二维光子晶体的器件

4、在集成光路中应用的研究受到更广泛的关注。定向发射器和全光逻辑器件是集成光路中的关键结构，在集成光路中起到重要的作用。他们可以作为光交叉连接设备使用。而光交叉连接设备是未来高性能宽带信息自动交换光I网络(automaticallyswitchedopticalne俩ork，ASON)的核心硬件设备，前者可为后者提供交换平台。因而对定向发射器和全光逻辑器件的研究具有很高的学术价值和应用价值。1．1二维光子晶体定向发射器的研究现状光通过单个孔径(apenure)的现象，根据一般的衍射理论(di倚actiont

5、heory)，科学工作者们已经研究了几个世纪。光在通过比波长还小的孔径后，会朝中山大学硕士学位论文基于二维光子晶体白准直效应的定向发射和全光逻辑器件各个方向发散开来，如图1—1所示，而且透射率(transmissionfactor)很低。图1—1单孔径衍射示意图。出于技术上的目的，当我们需要在亚波长的线度内操纵光时，光的透射和衍射特性是必须考虑的两个基本制约因数。最理想的情况是，我们不但可以得到高的透射率，而且透射光还具有很高的方向性(direction)。然而，由于前面所提到的两个因素相互制约，同时得

6、到高的透射率和方向性是极具挑战性的一个课题，这也是科学工作者们一直追求的目标。近来，H．J．kzec等人提出了一种亚波长尺寸的孔径结构，光在通过这个亚波长尺度的孔径后，同时具有很高的方向性和透射率【3l。他们的研究成果发表在2002年的Science杂志上。他们在孔径的光输入和输出端均镀上金属薄膜，并在孑L径周围的金属薄膜上制作出一系列的以孔径为中心的同心圆环状(孔)或平行皱褶状(径)的沟槽。这样的结构可使光籍由表面等离子体波(surfaceplasmon)耦合进和耦合出孔径。入射光通过表面等离子体波耦

7、合进孔径而提高耦合效率(透射率)。通过表面等离子波耦合出孔径的那些光波产生一系列的惠更斯子波(Huygensemitter)。在一定的条件下，这些子波相互干涉，只剩下从正自仃方(或某个方向)散射H{去的光，从而形成一道很窄的光束从孑L径射出，即定向发射(directionalemission)，如图1．2所示。第一章引言图1—2(a)孑L的聚焦离子束图。(b)在样品a的上方拍摄的光学图像。(c)结构与光路示意图。(d)狭缝的聚焦离子束图。(e)在样品d上方拍摄的光学图像。H．J．Lezec等人的研究成果

8、具有很大的潜在应用价值。它可用于光通信器件与光纤之间的耦合，也可用于优化提高显微或数据存储等近场工作器件的性能，还可用于减少发光器件(如发光二极管，半导体激光器等)出射光的发散角。总而言之，这种结构使得光的传播特性突破了亚波氏的条件限制，使得光子集成，需；矮麦擎噱薤一繁荔缀添攀笺霪瀚缀纛．鬣溺鍪㈣中山大学硕十学位论文基丁二维光子晶体白准直效应的定向发射和全光逻辑器件光通讯器件的微型化更容易实现。(c)图1—3不同光子品体波导端面激发的出射场