光子晶体

应用: 大模场面积－高功率激光/放大器 小模场面积－非线性光学器件
PCF 特性
3. 灵活的色散特性
λ d 2n D c dλ 2
大的正色散 = 1.4 m = 0.66 D = 250 ps/nm km
平坦的零色散 = 2.9 m = 0.52 D = 0 ps/nm km
control =1551nm, prob =1530-1580nm
PCF 应用研究进展
电调 PCF 衰减器
LPG:
PCF 应用研究进展
电调 PCF 衰减器
PCF 应用研究进展
电调PCF衰减器
Dynamic range: 30dB, Insertion loss:<0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec
玻璃毛细管聚束熔垃法
20 mm 20 mm 1 mm
30 mm
16 mm
0.8 mm
Solid rod
Hollow tube
1 mm
1 mm
0.03 mm
PCF 制备工艺
玻璃毛细管聚束熔垃法
PCF 制备工艺
玻片－芯组装模压法
=2n2/(Aeff)：n2 , Aeff SF57 Schott glass:
光子晶体
概念－光子能带 光子晶体特性
光子晶体（PC）
光子能带
结构参量: 孔径 －d 周期 － 芯径 －
Diamond
一维
二维

三维
d

Defect state
介电常数周期分布的介质形成光子能带，禁止 带隙 (PBG) 频率的光传播 缺陷能级在包层带隙中，缺陷态的光受带隙限制
光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯)的二维光子晶体
应用：多信道光传输 /光纤传感, 光控光耦合器件
PCF 特性
6. 空气芯光纤
无损耗 ! 无材料色散 !！ 无光学非线性 !！！
应用：通信/传感
PCF 应用研究进展
PCF 拉曼放大器
LHF = 75m rcore = 1.6 m Aeff =2. 85m
LB =0.4mm pump =1536nm signal =1650nm0
(e)
b
y z
a
Si / SiO2 = 1.5 m gap= 14 % 0,center
制备工艺
溶胶－凝胶（Sol-gel)法 － SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备
h
65oC
Si
Substrate
Substrate
微球尺度 855nm1.3％
80oC
T
制备工艺
溶胶－凝胶（Sol-gel)法
－ 带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应）
应用：－ 实现接近零阈值的激光辐射 － 实现对量子态（量子比特）的操作
Electron quantum boxes
Optical microcavities
光子晶体特性
3.PBG限制“微腔”间的耦合作用
－ “微腔”间通过消逝场直接耦合或跳跃式耦合－微腔波导 应用：－ 高速度、高选择性、高集成度的动态调控（如滤波 衰减、开关、分插/复用等） － 微腔波导激光器
光子晶体特性
4.线缺陷的PBG限制导波作用
－ 无全内反射机制(无辐射模)，可折弯成90o而无光损耗
应用：－ 解除了传统光集成回路尺度过大（毫米级）的理论 限制，实现大规模微米级光集成回路的梦想。 － 单模波导芯径可粗可细，光学非线性可弱可强
应用：－ 实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件 （四波混频、波长变换、受激拉曼散射、高速光开关）
光子晶体特性
1.光子带隙( PBG )限制作用
－ 禁止频率落在带隙内的光传播－带阻滤波器
－ 抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射
应用：－ 高效率无发光二极管、太阳能电池 － 高效率无背瓣微波天线
P ( mW )
I th
光子晶体特性
2. PBG 限制的“微腔”作用
－ 带隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location )
PCF 类型
折射率导引光纤
（TIR-PCF〕
光子带隙导引光纤
（ PBG-PCF〕
晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯 原理：低等效包层折射率－全内反射 特性：次高阶模截止带宽内单模传输
晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯 原理：光子带隙限制局域单模传输 特性：带隙窗口(数m)内单模传输
PCF 制备工艺
PCS 应用研究进展
光子晶体微腔激光器
PCS 应用研究进展
光子晶体微腔激光器
光子晶体
（三维）
制备工艺
半导体光刻工艺
Model
(a)
Fabrication
Si
W d
Example
(b)
d
(c)
d d
d
(d)
Waves of certain can not enter into or propagate through the materials.
高光学非线性PCF
Single mode transmission at 633nm and 1550nm = 550W－1km－1（1550nm）( 比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）
PCF 制备工艺
溶胶－凝胶（Sol-gel〕法
Hole diameter: 2.3m
Hole spacing: 4.3m
光子晶体－交叉学科发展的产物
物理
凝 聚 态 物 理
纳 光 子 学 近 场 光 学
材料
生 液 有 石 金 半 物 晶 机 英 属 导 蛋 聚 体 白 合 物
信息
量 子 信 息 光 通 信 网 络 微 波 无 线
生物
二维光子晶体
(光子晶体光纤－PCF )
百花争艳 PCF
掺 Yb
GLS glass
Polymer
－Si - inverted opals 制备
LPCVD
550oC
Substrate
Substrate
Substrate
制备工艺
2层
4层
16层
空气球大小： (a, b): 1mm, (c, e): 670nm a. 透射谱：— 理论 — 实验
(111) surface
b. 理论计算的光子能带
制备工艺
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
应用研究
量子信息处理
光电子学的未来
谢
谢
PCF 特性
2. 可变的光学非线性
传导模数与 /0无关，只决定于. d/
10m
Aeff : 1 1000m2 by changing
近场光斑 h= 0.0065
=180m 2 =22.5 m d = 1.2 m = 9.7 m d/=0.12 0 >458 nm
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
hole sizes：160－ 300nm.
PCS 特性
PBG限制波导
PCS 特性
PBG限制波导－微腔耦合
PCS 应用研究进展
PC微腔复用/解复用器
PCS 应用研究进展
PC滤波器
PCS 应用研究进展
共面PC谐振腔
1563 nm
1609 nm
Lcavity=6m, Q=400
PCS 应用研究进展
空气球大小： (d, f) : 855mm
(100) surface
c. 理论计算的光子能带
b. 反射谱：— 841nm, — 1070nm
制备工艺
Doping and patterning Si photonic crystals
(a) 在 Si 光子晶体中引入填隙缺陷
(b) 在大面晶体中刻进100-m 光子晶体环
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Fig. 2: Photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs.
SOI photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400－500nm
微腔耦合波导激光器
( CALTECH )
( MIT )
PCS 应用研究进展
光子晶体微腔激光器
PMMA—Electron-beam lithography Cr-Cu layer—Ar+ ion beam etch SiN2 layer—CF4 reactive ion etch InGaAsP QWs region—ECR etch InP Substrate --HCL:H2O=4:1 wet chemical etch
大的平坦负色散 = 3.2 m = 047 D = -100 ps/nm/km
应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等
PCF 特性
4.场致折变
实例：可调光纤光栅（热光效应〕
电光效应 ？ 声光效应 ？ 磁光效应 ？ 光折变效应 ？ 应用：动态光控制器件
PCF 特性
5. 单纤多芯传输 / 耦合
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
1998－2000年光子晶体光纤研究热 2000年第一家光子晶体光纤公司成立 2001.10. Photonics Nanostructure Materials and Devices 国际会议在 San Diego召开 OFC 情况
论文： 2001 ：6 ， 2002：15
国家： 2001 ：4 ， 2002： 8
PCF 应用研究进展
电调 PCF 滤波器
PCF 应用研究进展
PCF 耦合器
PCF 应用研究进展
PCF 宽带波长/模选择耦合器
SMF
HOF
二维光子晶体
(光子晶体平板－PCF )
PCS 制备工艺
微电子工艺
PCS 制备工艺
248nm DUV lithography on SOI
Fig. 1: Photonic crystal waveguide in SOI. Pitch is 460nm, hole-size is 290nm.
－ 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性〕 应用：－ 实现超高速、超长距离光通信
光子晶体的发展进程
1987年提出光子带隙(PBG)概念 1990年PBG计算机论证
1991年微波PBG实验论证
1993年制造出第一块半导体三维光子晶体 1996年第一根TIR光子晶体光纤
1997年第一根PBG光子晶体光纤
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
G=42.8dB NF<6dB
PCF 应用研究进展
PCF波长转换
XPM+narrowband filtering (data rate of 10 Gbit/s) LHF = 5.8m, rcore = 2.0 m, Aeff =2.93(+/-0.3)μm2
＝50dB/km, D=+100 ps/nm-km (1550), =31W-1· km-1
n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53m)， = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.110－19m2/W (比纯SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature)
=1.6 mm
=125 m
PCF 制备工艺