光子晶体光波导的发展与应用

光子晶体光波导的发展与应用：

随着光通信、光计算、光信息处理的发展，全光型信息处理器件，如光控开关、光学双稳态器件、光逻辑门、光放大器、光耦合器、光前激光器等应用越来越广泛。光波导作为微光学线路中的基本连接器件，在光纤通信、集成光学、变折射率光学和光前传感器领域中具有重要的应用价值。如在光电子集成电路中，高速率和大容量密集比分复用网络系统，需要重点解决高速传输、复用和接复用、光分叉、光交叉互连、光波导开关以及高速光调制等，这些器件都离不开高性能和高可靠性的各类光波导结构与器件。随着通信和信息处理系统中传输容量的迅速增加，光信号并行化处理程度的不断扩大，数据传输速率达到Tbit/s。传统光波导光顺号较大，传输稳定性也不是很理想，进一步减小损耗、提高稳定性也受到诸多的限制。光子晶体光波导具有传输速率快、损耗率低、稳定性好等特点，可以满足日益增长的信息传输要求。另外，光子晶体的主要特点是设计灵活，通过改变其结构和参数，可以方便的制备各种类型的光波导及各类新型的光学器件，这些器件将成为下一代电子信息产业和光集成电路的主要器件并发挥着重要作用。

一般来说，用于传输电磁波的光波导主要有两种，一种是金属性的电磁波导，主要传到微波电磁波；另一种是大量光信号快速传输的载体，已成为改变折射率光学的生长点，也是许多器件非线性光波导的构筑基础。传统介质光波导的导光机制是应用光的全反射原理，对光的束缚能力很微弱，即使在仅有5°的弯曲的情况下一般光场就有超过50%的辐射损耗，因此，对传统来说弯曲损耗是一个相当严重的问题，已成为集成电路的发展瓶颈。为了降低损耗，需增加弯曲处的曲率半径，这不仅增加了波导的体积，也增加了成本。光子晶体对光的传播具有较强、灵活的控制能力，不仅对直线式传导，而且对锐利的直角，其传导的效率也很高。如果在PC结构中引入一个线缺陷，创建一个导光的通道，称为光子晶体光波导（PCW）。这种波导即使在90°的转角处也只有很小的损失。与基本的全内反射的传统光波导完全不同，它主要利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在PBG中形成新的光子态，而在缺陷态周围的光子态密度为零。因此，光子晶体光波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄露。

目前，光子晶体光波导器件已被广泛应用：

（一）二维直角光子晶体光波导

介质波导在曲率较大处具有较大的辐射损失，当光通过直角波导是，即使对介电常数差较大的波导，其曲率半径也超过了光波波长，在转角处存在较大的损失。而二维直角光子晶体光波导便可以很好解决此问题，如果模式频率刚好位于光子晶体的带隙内，光子晶体的线缺陷可以讲模式线性的局域在带隙内实现几乎无损失的传输。

（二）光子晶体光分叉波导

光分叉是将一束光波分成两路、甚至多路传播，从而控制光传播的方向。传统的光分离器受角度的限制（2°左右）种类很少，对于光子晶体而言，如果在二维点阵结构中引入两个及两个以上的线缺陷，就可以将入射光导入不同的线缺陷光路中，且不受分离角度限制，易实现60°、90°等转角的器件。

（三）其它光子晶体光波导

其它光子晶体光波导，列如，光子晶体光耦合波导、发射方向可可控性光子晶体光波导、光子晶体光交叉与光互连波导、光子晶体波分复用与解复用波导SOI光子晶体光波导等，目前都已被广泛的应用，有着传统光波导难以比拟的作用。