光子晶體集成光電子器件

光子晶體集成光電子器件

　　摘 要: 文章簡要介紹了利用光子晶體實現微納尺度上光調控的物理原理和工作機制,重點討論了如何利用光子晶體的缺陷態實現微納尺度的各種集成光器件,并結合文章作者所在研究組的研究工作經驗,簡單回顧了各種類型的集成光電子器件的工作原理物理實現和光學特性.

　　關鍵詞:光子晶體,光電子器件,耦合器,光學共振腔,波導

　　Photonic crystal integrated optical devices

　　LIU Ya-Zhao LI Zhi-Yuan

　　(Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

　　Abstract We discuss how photonic crystals control light properties such as the generation, propagation, modulation and conversion of light on the nanoscale. The underlying physical principles and mechanism will be addressed. Discussions will focus on the construction of various nanoscale integrated optical elements and devices. We employ several typical examples to briefly describe different aspects of these devices: how they work, how to fabricate them, and how to characterize their optical properties.

　　Keywords photonic crystals, optical devices, coupler, resonator, waveguide

　　1 引言

　　自1987年Yablonovitch 和John分別獨立提出光子晶體的概念以來,光子晶體的理論和實驗研究以及相關應用得到了迅速的.迄今為止,已有多種基于光子晶體的全新光子學器件被相繼提出,并且隨著半導體微加工技術的進步和發展,人們對這些器件開展了深入系統的實驗研究.這些光子晶體光學器件使信息處理技術的“全光子化”和光子技術的“微型化”與“集成化”成為可能.簡單地說,光子晶體是折射率或介電常數具有周期性調制分布的一種新型人工光學或電磁波材料,其周期為波長量級.雖然界也存在天然形成的光子晶體,比如石英材料的蛋白石光子晶體(opal),但是具有實際應用價值的光子晶體都來源于人工設計和制造,通常利用當今先進的半導體微加工技術,比如電子束刻蝕技術和聚焦離子束刻蝕技術, 其精度可優于5nm,基本能夠滿足光子晶體集成光學器件的精確制作和加工要求,使得這些器件的光學特性基本符合機設計的預期結果,從而實現理論和實驗的良好互動.

　　與傳統半導體類似,光在光子晶體中傳播時,受到周期點陣的布拉格散射而產生光子能帶和光子帶隙.利用光子帶隙的存在能夠實現對光傳播行為的強有力控制.這主要通過在光子晶體中引入各種缺陷而實現光子的局域化控制.缺陷有兩種基本形式:線缺陷和點缺陷.線缺陷形成波導,它可以引導光子沿某一路徑傳輸.由于光子帶隙的存在,光只能沿著光子晶體波導延伸方向傳播,而不能泄露到周圍的光子晶體材料里. 1996年,美國麻省理工學院的J.D.Joannopoulos小組在物權威雜志Physical Review Letters上發表了一篇理論研究工作[1],指出光通過90°的光子晶體波導轉彎角時,在某些頻率窗口能夠獲得接近100%的傳輸效率,理論計算的結果如圖1所示.隨后該小組與美國Sandia國家實驗室的Shawn-Yu Lin等合作,開展了微波波段的實驗研究工作,證實了理論預言的結果[2].該實驗結果如圖2所示.在這一點上, 光子晶體波導具有傳統介質波導(如光纖)無可比擬的優勢. 由于傳統介質波導通過光在芯層和包層之間的分界面處的全反射效應來實現傳輸,當光遇到大的轉彎角(比如大于30°)時,全反射條件不再滿足,相當比例的光能量將從轉彎角處泄露到周圍空間中去. 上述的研究工作表明,光子晶體波導能夠在微納尺度上實現對光的高效率偏轉.受到該研究成果的激勵,許許多多應用于不同光頻段,著眼于更低損耗更寬傳播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速變慢)的光子晶體直線波導得到了廣泛的研究.

　　光子晶體中的另一種缺陷形式——點缺陷通常用來構成光子晶體結構中的微腔,在微腔中只有頻率與之共振的光子才能存在,形成一個或多個共振模式,因此微腔具有共振選頻的作用.波導與微腔配合使用,構成了集成光學基本元件.1998年,美國麻省理工學院的S. Fan等借鑒模式耦合理論,提出了由光子晶體波導與微腔構成的通道上傳/下載濾波器(channel drop filters)的基本概念[3].該器件由兩條光子晶體單模波導和中間放置的兩個全同耦合微腔構成,通過合理地選擇微腔的幾何構形和物理參數,能夠控制波導模式與兩個耦合微腔的耦合方式,使得在直線波導主干通道上傳播的光信息通過共振隧穿機制而高效率(接近100%)地下載到旁支信息通道上.利用光子晶體波導和微腔的耦合作用,日本京都大學的S.Noda小組于2000年制作出了基于InGaAsP材料的應用于近紅外波段的面發射下轉換型濾波器[4].此后一系列的關于多通道共振濾波器工作便開展了起來,目標是構建基于光子晶體的密集波分復用器件,以實現微納尺度上的光信息傳輸和處理.

　　光子晶體中帶隙的調控作用還體現在對光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch就預見了光子晶體點缺陷形成激光器的可能[5].大體說來就是將光信號設計在導帶區域,使其能夠透過晶體繼續傳播,而噪聲落入帶隙區域被完全屏蔽,從而獲得超過傳統光源的高單色性激光輸出.12年后,美國加州理工學院的A.Scherer研究小組首次實現了室溫下抽運的光子晶體納米激光器[6],翻開了世界范圍光子晶體激光器研究工作實用化的新一頁.該小組在包含有多層量子阱結構的砷化鎵橋式薄膜上制作了光子晶體微腔, 利用局域缺陷模的高品質因子,為量子阱結構發光提供了反饋機制,從而實現了具有亞波長尺度的模式體積的納米激光器.近年來,各種基于光子晶體的有源與無源器件在微納米加工技術的支持下層出不窮,它們的出現提供了構成光子晶體集成光學回路的基本功能單元.

　　2 二維平板光子晶體

　　目前人工制作的光子晶體包括一維二維和三維晶體.一維光子晶體主要應用于薄膜光學和光柵光學領域中,但受維度所限,折射率調制作用一般比較小.三維光子晶體現有的應用是作為微波波段的天線,而由于加工和集成化的困難,鮮有應用于光頻段的實用三維光子晶體器件出現.對二維光子晶體而言,無論是在微波還是光頻波段,其加工技術已經十分成熟,尤其是隨著微納米加工技術的不斷,二維平板光子晶體器件性能更加可靠,此外由于其所利用的材質與已形成化生產的半導體光電材料一致,更為實現光電集成提供了可能.二維平板光子晶體的工作原理包括全反射效應與光子帶隙效應,具體地說,就是在二維光子晶體與外界介質的接觸面上,通過晶體材質與外界介質折射率差形成內全反射效應,將光子局域在晶體平板內部.在光子晶體平板面內,存在著二維光子帶隙和導帶的調控,因此,普通光子晶體通常的控制光子傳播行為的手段都可以應用在二維平板光子晶體上二維平板光子晶體通常在硅砷化鎵和其他的半導體材料的薄膜上(薄膜厚度大約是晶格常數的1/2),利用先進的半導體微納加工技術(如紫外曝光電子束曝光離子束刻蝕等)制作出周期排列的空氣孔.晶體通常為三角晶格結構,因為它有較寬的光子帶隙,而且經常做成懸掛在空氣中的對稱橋式構造,使得全反射效應最為明顯.當晶格尺寸為400—500nm時,光子帶隙的中心波長落于1550nm左右,該晶體能夠用來制備光通信波段的微納集成光電子器件.下面我們將比較具體地介紹二維平板光子晶體功能元件的工作原理.

　　對于完整的光子晶體而言,特定晶向上會出現導帶與帶隙.光子可以在導帶中傳播,在帶隙中則不能存在.圖3(a)給出了典型的二維平板光子晶體能帶結構,圖中灰色區域代表光錐以內的泄漏模式區域,處于泄漏模區域的光在長距離傳播的過程中會逐漸因為耗散而消逝.在白色區域中,由連續點組成的線代表傳播模,每一個頻率對應的模式可能有一個或者多個,我們稱其為單�；蚨嗄�傳播區域.但頻率為0.26—0.32(c/a)的區域不存在任何傳播模(a為晶格常數,c是真空中的光速),這一區域即為帶隙.如何使帶隙區域出現傳播模,這就需要缺陷的作用.缺陷又分為線缺陷與點缺陷.線缺陷的出現使原先帶隙區域出現部分通帶使光子能夠通過,從能帶分布上顯示為帶隙變窄.如圖3(b)中引入線缺陷后,兩條導模分布出現在頻率0.264—0.28及0.28—0.30(c/a)的區域,帶隙寬度減小為0.02(c/a)[7].因為具備了上述有利條件,線缺陷常被用作光子晶體中的光波導.制成的完整的二維平板光子晶體如圖4(a)所示,晶體材料的折射率呈現周期性的排布.該結構是我們小組利用院物理研究所的微加工儀器設備設計和制作的.當沿某一特定晶向破壞這種排布時就形成了線缺陷.圖4(b)給出了晶體中沿三角晶格Γ-X方向去除一排空氣孔后形成的W1波導傳播模式的能帶圖,可以看出,該波導支持單模傳播.圖4(c)給出了完整晶體與線缺陷晶體的透過譜理論模擬對比,可以看到線缺陷極大地壓窄了帶隙范圍,透過率大小卻基本保持不變.點缺陷是通過破壞一個或多個光子晶體“原子”形成的,它的作用通常是使原先帶隙的區域出現若干個缺陷態.光子可以在缺陷態中存在,因此點缺陷被當作是二維平板光子晶體中的光共振腔,提供光子傳播過程中的局域或耦合機制.

　　3 光子晶體無源集成光學器件

　　如前所述,不同類型的缺陷(線缺陷和點缺陷)功能各異,所以當它們集于一體時就形成了集成化的二維光子晶體器件.這種尺寸只有傳統光學器件幾千甚至幾萬分之一大小的光子晶體集成器件卻幾乎具備了傳統光學器件的全部功能,涵蓋了通信和激光源等領域所有的基本需求.

　　作為最基本的光傳導方式,光子晶體中的線缺陷形成了光子晶體中的波導.通過合理地設計線缺陷的寬度和周圍介質的占空比,可以制作出支持單模或多模式的光波導,并實現能量的平均分配.如圖5(a)中的寬線W3波導是本小組制作的在晶體中沿三角晶格Γ-X方向去除三排空氣孔后得到的結構.能帶結果表明,該波導支持多模運轉,在不同頻率窗口的光具有不同的模式數量,可以為單模,也可以為雙模甚至三個模式,它們沿波導軸線或為左右對稱(偶模),或為左右反對稱(奇模).當多個模式在波導中同時存在時,由于模式之間場的干涉效應將導致光場分布的圖案具有復雜多樣性,呈現出對稱或彎曲的分布形式(圖5(b))[8].信號在沿線波導傳輸的過程中,可以依據能量分配的需求,以制定的比例,分配到每個分支線波導中,圖6(a)給出了本小組制作的光子晶體樹型分支波導,它將能量均勻地分配到4個通道中.圖6(b)和6(c)分別是其中的一個分支單元以及在紅外顯示下能量均分的實測圖[9,10].樹型分支波導的接口處經過合理地優化后可以實現低損耗傳播,比如調制線波導周圍基元占空比就可以達到低損耗的目的[11,12].高效率的分支波導連接結構為光子晶體共振濾波器的制作奠定了基礎.

　　光子晶體中的點缺陷形成了光學微腔,微腔的性能參數通過控制微腔的形態和尺寸大小來確定.常見的微腔形成方法有3種:或增大某基元的占空比,或減小某基元的占空比,或使用其他介質替位.這些操作最終形成的微腔功能多種多樣,其中典型的兩類功能是用作高品質因子的光學共振腔和光傳播過程中的耦合器.作為第一種應用是利用微腔對光子局域作用,將波導中傳輸的光通過微腔與波導間的共振耦合轉移并存儲到微腔中,微腔的形態經過特定設計,確保光子經多次共振增強后直接向平板光子晶體表面輻射,形成高品質因子的激光輸出.這種垂直出射的光學共振腔類似于表面發射激光器,是將水平方向傳播的光轉換到垂直方向上的發射的一種有效方法.微腔的另一種作用是作為耦合器,將輸入波導中的光信號耦合到輸出波導中.在這種情況下,需要微腔的共振模與輸入輸出波導的傳播模式完全匹配.當滿足共振波長的光子進入輸入波導后,將通過波導與微腔之間的共振耦合效應局域在微腔中,進而再由微腔向輸出波導耦合.此時微腔起到了耦合器的作用,與傳統環形腔耦合器作用近似.

　　線波導在原有光子晶體的帶隙中開辟了一定頻率范圍的導帶區域,點缺陷的形態決定了缺陷模的數量以及位置.當把這兩點結合起來時,更為精密和復雜的集成光學器件便應運而生:這便是各種類型的波分復用器件.首先介紹濾波器.濾波器部分是波分復用器的主體,也是目前二維平板光子晶體應用的重點研究方向.在濾波器的制作中起決定性作用的是微腔,微腔形成的點缺陷模限定了濾波器的工作范圍.通常濾波器由若干個微腔組成,微腔本身兼具耦合與選頻的雙重作用.濾波的方法包括直接耦合濾波與間接耦合濾波.直接耦合濾波器是將微腔與波導作用在一起,具體又可以大致分為嵌入式(見圖7(a)和圖7(b))與連接式(見圖7(c))兩種,其中圖7(a),7(b)中的兩類轉彎分支波導已經做了優化設計[11,12].嵌入式濾波器將微腔直接放在線波導內,控制微腔的數量和位置選擇不同的光信號通過.連接式濾波器則把線波導斷開,通過微腔共振連接線波導兩端[13].無論是哪種形式的直接耦合濾波器,都可將光信號直接作用于微腔,只有與腔缺陷模相匹配的光子能繼續傳播,其余光子則不能通過波導.這種濾波器的優點在于腔與波導的耦合效率高,避免了共振耦合時距離等因素對耦合效率的影響.

　　間接耦合濾波器把微腔與波導分離開,波導與微腔在光子晶體平面內存在一段距離,二者通過平面內的倏逝波耦合實現光信號傳送.距離的存在為調整輸出信號的品質因子提供了有效手段,本小組的一項工作就是利用調節波導與微腔以及微腔邊緣原子位置而得到的高精度間接耦合的雙通道濾波器.在這種濾波器中,微腔邊緣的原子向外側分別移動了10和20nm,最后得到了波長間隔僅為1.5nm的兩路共振輸出光信號,實測共振峰值曲線由圖8給出[14].以這種濾波器為基礎繼續開發了間接耦合的四通道濾波器(見圖9),同樣得到了較為理想的結果.在長期的試驗過程中,本組還發現了光子晶體中原子形態對于晶體和缺陷的模式調制作用,并首次利用這種新型的調制手段制作了間接耦合四通道濾波器.由圖10可以看到,經過對原子形態的合理設計,可以使各個通道的輸出信號精確到幾個納米[15].其原理是采用橢圓形的空氣孔,調節橢圓的長短軸比例和長軸的指向,可以精密地調控微腔的共振頻率.無論是哪種形式的耦合濾波器,其基本工作原理都在于:線缺陷組成了濾波器中的輸入主通道和各個輸出分支通道,由主通道輸入的光信號包含不同波長的光子,只有與微腔缺陷模相匹配的光子才能通過微腔與輸入波導之間的共振耦合轉移到相對應的微腔中,隨后再通過微腔與輸出波導之間的共振耦合沿各個輸出波導輸出.如此主通道中的信號被分別“過濾”到相對應的輸出波導中,實現了信道下載功能.不難想象,如果將整個過程逆轉過來:控制光信號從各分支端輸入,再由微腔通過共振耦合使光子重新回到主通道中就形成了信號的上傳功能.信道上傳下載兩部分分別作用再集合為一體,這就實現了波分復用器的基本功能,對實現光子晶體集成光學器件有著重大的意義

　　光子晶體集成光學器件的另一典型應用是在二維平板光子晶體中實現Mach-Zender光學干涉儀的功能.與傳統光學干涉儀相似,作用于二維平板光子晶體的Mach-Zender干涉儀同樣由兩條光路組成.由線缺陷構成的主通道經過分支波導后分為相位相同的兩路光信號.這兩路光信號在繼續傳播的過程中受到不同的相位和振幅調制,產生調制機制的正是光子晶體本身.光子經過晶體的過程中,由于受到周期性折射率分布的調制,會使相位和群速度受到影響,出現相位滯后或群速度變慢等效應.當兩個支路的光子晶體結構有差異,比如說折射率反差不同時,兩路光信號傳播會受到不同程度的調制,當通過兩路分支波導后再匯聚時,由于相位的差異將在輸出端產生干涉,或相加性干涉,或相消性干涉,依賴于輸入光信號的頻率.

　　高品質因子(Q 值)光子晶體微腔對光子晶體的應用具有舉足輕重的作用.一個光學性能優異的微腔不僅為光耦合傳輸提供了保證,而且其本身作為光學共振腔的存儲和發射光子的作用更為重要.如何提高光子晶體微腔的品質因子這一問題已研究多年,雖然方法層出不窮,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存儲的穩定性,減少向周圍環境的輻射.Painter 小組從傅里葉頻譜與光子動量的轉換關系出發,制作了Q值達到13000的微腔[19,20],但研究的進展還遠不止于此,隨后Q值的增長呈現出以若干個數量級為單位的趨勢.由于微腔由點缺陷構成,缺陷與周圍晶體在電場分布上會出現相當“突�！钡姆纸�,引起能量向腔外耗散,解決這一問題就需要將腔內電場分布改善為理想高斯型分布,由中心向腔兩端對稱平緩遞減.這樣的模式分布使得腔內電場的低空間頻率的分量(泄露模式)大幅度減少,從而使腔內光場能量向周圍空氣背景輻射的幾率大大降低了,Q值顯著提高.本著這一原則,Noda 等人首次嘗試通過精細地改變微腔邊緣對稱空氣孔(一對或更多對)的位置(圖11(a))得到了Q=100,000的微腔[21],并從實驗上證實這種微腔的共振峰半高全寬僅為0.022nm.另一種調Q機制是利用光子晶體的帶隙效應.Noda小組提出,當微腔和兩側區域由不同晶格常數的光子晶體拼接而成時,如果可以將微腔的共振頻率設計在兩側光子晶體的帶隙中時,理論發現,這種所謂的“異質結結構”的光子微腔,其電場分布十分接近于理想的高斯型分布.該微腔結構如圖11(b)所示.他們設計和制作的微腔達到了600,000的高品質因子輸出,預計通過優化有望達到20,000,000的驚人結果[22].

　　4 光子晶體有源集成光學器件

　　光子晶體的應用不僅體現在上述的無源集成器件中,更將其優勢突顯于各種有源發光器件中.一般光源的發光機制都是由高能態向低能態躍遷時將能量以電磁波的形式向外界輻射,不同的能級間的能量差決定了所輻射光子的頻率.而人工制作的光子晶體可以人為地控制光子能帶以及帶隙的位置和寬度.當把發光材料與光子晶體結合起來時,就會出現各種新穎的現象.

　　激光器的應用已經深入到國防與民生的方方面面,無論是生產還是科研領域都對激光的應用提出了更高的要求.激光器的線寬是衡量激光品質的重要因素,以往由于原子的自發輻射和熱增寬等現象的存在,使激光輸出線寬的壓窄受到限制.光子晶體的應用恰為這一問題提供了解決的方案.通過合理的設計使由于自發輻射和熱增寬等產生的光子正好落入光子晶體完全帶隙內,受到帶隙屏蔽的光子無法向外輻射,激光的輸出線寬將被進一步壓窄.同時點缺陷所形成的高Q諧振腔可以降低激光器激射的閾值功率,這意味著以更小的抽運能量輸入就可以產生與較大抽運輸入相同的效果.

　　光子晶體還可以提高發光二極管的發光效率.傳統發光二極管發出的光中,有很大比例的能量轉化為平面內傳播的波導模式,只能從發光二極管的側面輻射出去,由于側面的面積遠小于上表面的面積,發光效率受到了極大的限制.一個有效的解決方案是在發光二極管的表面制作上一層二維光子晶體,由于平面內光子帶隙的存在,使得平面內傳播的波導模式受到很大的抑制,從而大大提高光沿發光二極管垂直方向的輻射效率.

　　光子晶體的出現更為許多發光材料的開發拓展了思路,以往被認為由于熒光的難以控制而無法用作可靠光源的材料,比如氧化鋅材料,都在光子晶體的帶動下加入到有源器件的行列中,成為了新一代光源的研究方向.

　　集成化的光學器件不僅包括光信號的產生,還需要在傳送的過程中進行適當的調制.光開關是對光信號調制的一個重要方面.本研究組在這方面也開展了大量的工作:主要是利用光作用在非線性材料上,當入射光強與介質中原子內場強度相當時,將激發介質的高階極化,改變了材料的折射率,實現開關效應.利用光子晶體作為光開關時,介質折射率的周期性分布使光子晶體本身產生帶隙,落入帶隙中的光信號無法通過晶體,此時光開關處于“關閉”的狀態,當有強抽運光入射到晶體上,由于晶體材質本身折射率在非線性作用下發生變化,破壞了初始的能帶分布.在合理地選擇晶體材質與抽運光的情況下,原先帶隙的位置及大小受到調制,使原本落在帶隙中的光子進入導帶,光信號通過晶體繼續傳播,實現了光開關的“開啟”功能[16].通過對光子晶體更為復雜的設計,還有望實現具有邏輯功能的光學開光,如雙穩態光開關,通過多束光的共同作用,使信號輸出滿足各種需求[17,18].

　　5 光子晶體集成光學回路

　　信息處理“全光子化”的概念包涵了光信號的產生調制接收處理返回等全部過程.光子晶體器件的出現更使這種“全光子化”與微型器件的高度集成化合而為一.各類基于光子晶體的有源發光器件提供了光信號的來源,光子晶體光開光又使輸入光信號受到調制.調制后的信號通過光子晶體波導元件實現高效低損耗的傳輸與分流,經波分復用器件下載到每個分路中.分路中的光信號各自受到新的調制后,重新匯聚到主干通道中,返回接收裝置.由于每一部分的器件在所用材質與尺度大小上十分相近,由光子晶體所構成的微型器件光學回路避免了與傳統光學器件之間耦合時由于模式失配而引起的大幅度損耗,同時制作集成光學回路的每種光子晶體器件所用材質相同或相近,這就為實現光路一體化提供了有利條件,配合日益成熟的加工制作工藝,為利用光子晶體器件實現全光網路的集成化展開了藍圖.

　　6 結束語

　　任何一種新的技術手段的出現都是在人們生產與生活的需求推動下應運而生的.任何一種新技術的成長也是要經歷漫長的探索和不懈的嘗試才最終得以完善.光子晶體自提出至今已有20年的時間,對它的研究遍及世界范圍,從最初概念性的嘗試到如今成品化器件的出現,可以看到光子晶體的應用已逐步向實用化邁進.對光子晶體器件設計構思的不斷改進,以獲得更高效更穩定更精密的器件性能為目標,同時繼續向更深更廣的層面上探索尚未發現的新功能.而實用方面,降低制作難度,減少成本投入,增強穩固性,這也是光子晶體器件用于光學集成所必須實現的目標.雖然仍有許多困難需要克服,但光子晶體無論用于有源還是無源光電子器件的優勢已經突顯出來,實現了前所未見的功能和效應.相信隨著對這一領域研究的深入發展,將進一步推動光子晶體器件的全光集成化,為光電子通信領域帶來全新的景象.

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