几种典型光子晶体波导器件及应用

第2期 2017年4月

微处理机

MICROPROCESSORS

No.2

Apr. ,2017

•大规模集成电路设计、制造与应用•

几种典型光子晶体波导器件及应用*

金伟华\吕金光2,王维彪2,梁中翥2,秦余欣2,梁静秋2

(1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083;

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033)

摘要:光子晶体是一种周期性的人工微结构，由不同介电常数的材料在空间周期性排列构成。

光子晶体具有光子禁带和光子局域特性，依据光子晶体结构设计和制作的二维光子晶体器件具有微 型化、高集成度和性能优良的优点，在大规模集成光路和全光网络中具有十分重要的应用前景。重点 介绍了几种典型的二维光子晶体器件的结构特点和应用，分析了设计与制作二维光子晶体器件过程 中存在的一些关键问题与难点，并总结了该领域的研究进展和发展趋势。

关键词：光子晶体；二维光子晶体;波导；光子晶体器件;集成光学；光通信;全光网络

DOI： 10.3969/j.issn.1002 - 2279.2017.02.001

中图分类号:TN256;O431.1 文献标识码:B文章编号：1002-2279-(2017 )02-0001-07

Development of Two Dimensional Photonic Crystals and Devices Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Wang Weibiao2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Liang Jingqiu2

(l.Optoelectronics Technology Invention Examination, Department, PECC, SIPO, Beijing 100083, China;

2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,

Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

Abstract：Photonic crystal is a kind of artificial microstructure in which the materials with different dielectric constant arrange periodically in space.The two dimensional photonic crystals devices,designed and fabricated based on the photonic band gap and the photon localization,show the advantages of compact structure,high integration level and the excellent optical functionalities,and will play an important role in the future integrated photonic/optical circuit and all-optical networks.An overview of the development of two dimensional photonic crystals devices is presented.The key problems in designing and fabricating two-dimensional photonic crystals devices are discussed,and the progresses in this field are also presented.

Key words：Photonic crystals;Two dimensional photonic crystals；Waveguide；Photonic crystals devices；Integrated optics；Optical communication；All-optical networks

i引言

自从 1987 年 E.Yablonovich 和 S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体就得到了国内外学者的 广泛关注和深入研究。光子晶体是一种周期性的人 工微结构，由具有不同介电常数的材料在空间按照 一定的方式周期性排列构成。光子晶体对电磁波的 调制作用和半导体晶体中周期势场对电子的调制作 用类似，当电磁波通过光子晶体时，光子晶体中有序 排列的介电结构将会使电磁波发生布拉格散射，从而使光子晶体产生能带分裂，进而出现光子带隙。当电磁波的频率正好位于光子晶体带隙区域时，电磁 波将会被晶体反射而不进入晶体。因此，光子能带之 间的光子带隙能够使人们控制光子在光子晶体中的 传输。光子带隙的产生及带隙宽度、带隙位置等性质 与光子晶体的结构、介电常数差、填充比及介质的连 通性等特征有关，产生条件较为苛刻。除了光子带隙 外，光子局域是光子晶体的另一个重要特征。如果在 光子晶体中产生介电缺陷或发生介电无序，光子晶 体中的光子就会出现光子局域。当能带区域的一个

*基金项目：国家自然科学基金(60877031)

作者简介:金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。收稿日期：2016-11-23

.2 .微处理机2017年

光子经发射产生在晶体内，其将被定域化而无法逸 出晶体。光子带隙中的缺陷态使得只有特定频率的 电磁波可以在这个缺陷能级中传播。光子局域是光 子晶体应用的重要特征。通过在光子晶体中引入缺 陷和制造缺陷态的方式，可以制作各种类型的光子 晶体功能器件。

光子晶体的特殊性质为人为控制电磁波的传播 提供了可能，而随着对光子晶体特性研究的深入，人 们发现在光子晶体内还存在着反常色散特性。近几 年来，基于光子晶体负折射特性的研究，如超分辨聚 焦、超分辨成像等功能应用也成为光子晶体的研究 热点[1-2]。光子晶体还可以用于制作许多光学器件，例如波导器件[3-"]、耦合器件、超棱镜〜、光子晶体 光纤[9]等，在光集成、光通信、全光网络等领域具有 十分广阔的应用前景。

2二维光子晶体及器件

根据不同介电常数的材料在空间排列方式的不 同，光子晶体可以分为一维光子晶体、二维光子晶体 和三维光子晶体。一维光子晶体是指在一维方向上 不同介电常数的材料呈现有序排列的介电结构;二 维光子晶体是指在二维空间上不同介电常数的材料 呈现有序排列的介电结构;三维光子晶体是指不同 介电常数的材料在三维空间上呈周期性介电结构。

2.1二维光子晶体

由于三维光子晶体结构复杂，其制作难度较大，而二维光子晶体相比于一维光子晶体和三维光子晶 体，其制作比较简单，且应用价值更高。在制作技术 方面，Darren Freeman等人米用聚焦离子束技术(FIB)制作了晶格周期为500nm、空气孔直径为300nm的二维三角晶格空气孔结构光子晶体[10]，如图1所示。

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图1二维三角晶格空气孔结构光子晶体

光子晶体除光子带隙与光子局域特性以外，电磁波在光子晶体帯隙外也具有一些新奇的传播特 性。电磁波在光子晶体帯隙外的传播主要取决于光 子晶体的反常色散特性。光子晶体的反常色散特性主要包括负折射效应、超棱镜效应等。光子晶体超棱 镜具有极高的波长分辨率，可以达到普通棱镜的一 百倍以上[11]。利用光子晶体的反常色散特性，可以制 成波分复用器件，如图2所示。该二维光子晶体器件 由两部分组成，左边为二维光子晶体超棱镜，主要用 于电磁波的波长分解，右边为二维光子晶体波导，可 以实现电磁波不同波长的频率输出，当电磁波通过 光子晶体时会产生负折射效应。图3为Lu。等人研 究的二维正方晶格光子晶体对电磁波的负折射效 应，可以看出点光源经二维光子晶体的负折射后在 其近场得到相应的点像[12]。

图2二维光子晶体波分复用器

图3二维光子晶体负折射成像

2.2二维光子晶体波导器件

二维光子晶体波导是最基本的光子晶体器件，因此二维光子晶体波导器件的研究是目前国内外研 究的热点。目前位于红外波段的二维光子晶体的制 备与可见光波段相比相对比较容易，并且位于红外 波段的二维光子晶体器件处于通信波段，因此二维

光子晶体器件在红外通信波段的研究是目前光子晶