光子晶体

光子晶体技术的发展与趋势
中国科学院上海光学精密机械研究所李海燕2010-01 -27
关键字：光子晶体, 光纤, 振荡器/共振器浏览量：132
产生类似于电子能隙的光子能隙是现代半导体电子学的基础，光子晶体创造了从纳米激光器到微结构光栅等一系列新型光学设备，预计未来将会出现更多的光子晶体产品。

光子晶体的出现已经有一段历史了，1987年Eli Y ablonovitch在Physical Review Letters上面首次提出“光子晶体”概念的文章被引用了5000余次，介绍光子晶体的第一本教材也已经再版发行。

2008年在美国圣何塞召开的CLEO/QELS-2008会议上，关于这一技术的报道有63篇文章和5篇会议标题，另外还有九篇文章介绍“光子能隙光纤”。

值得注意的是，会议上大多数文章不是关于光子晶体概念的，而是关于光束整形、遥控新型技术、氮化镓激光器等技术的研究探讨。

图1空穴大小决定光子晶体的共振波长，空穴的尺寸反映了不同波长光子晶体的关键技术是光约束，但是这一概念又不仅局限于多层电解质过滤器的一维光子晶体，光子晶体也是将有效地拓展到二维、三维元件（光纤、二极管激光器、LEDs、传感器、光学缓冲器、光学腔和交换机）。

天然和人工合成的光子晶体开辟了广阔的市场应用前景，如高亮度颜料和高效LED照明光源等。

光子晶体概念
现就职于美国加州大学伯克利分校的Y ablonovitch解释光子晶体这一概念，这是源于一对密集空间电解质镜控制自发辐射过程。

他提出边缘介质限制，概念阻止光束从镜面侧面泄露，形成1-、2-、3-维的光约束的概念。

图2所示的是包括不同折射率的两种电介质材料薄层交替构成的结构，每一层像一块干涉滤波片，都能反射一个共振带透射的其他波长。

在光子晶体的另外一篇早期报道中，麻省理工学院的John Joannopolis将共振发射波长称为类似于固体电子带隙的“光子带隙”。

光子带隙的能量由薄层的厚度和反射系数决定。

像电子一样，如果光子能量在能带传输过程中下降了，它就不能再在固体中传输了。

在大多数应用中，光子晶体将缺乏同能级光子能隙的光限制在材料中，因此光能在其中传输。

图2不同折射率两种材料的交替层。

光子晶体光纤
光子晶体的首次成功应用是“多孔”光纤或微结构光纤。

实心光子晶体光纤类似于传统光纤，其中的孔减少了构成光子晶体的各薄层折射率。

由于光子晶体效应捕获了低折射率区域光子带隙的波长，对其他折射率区域没有响应，空心光纤与传统光纤有实质性的不同。

对于这两种光纤结构曾经对其分别命名，空心光纤称为“光子带隙光纤”，实心光纤称为“光子晶体光纤”，但是今天已经不对其进行区分了。

实心和空心光纤具有普通光纤不具有的特性，实心光纤能够在很宽的频率范围内支持单模形式导光，缩小芯径可以增加光纤非线性特性而应用于超连续谱，扩大单一模式填充可以
降低非线性特性，应用于光纤激光器；空心光纤填充氢元素可以应用于拉曼光谱。

在某些波长上，空心光纤的光学衰减比实心光纤低。

光子晶体光纤领域持续创新，如将光子晶体光纤中的小孔尺寸进行分级。

标准尺寸的孔在某一波长处产生强烈共振，在临近频段产生大的光散射。

为了限制这一散射，俄罗斯萨拉托夫大学的Julia Skibina和她的同事制造了增加外层尺寸的光子晶体覆层，使得各层在不同波长处谐振，以扩大透射带，降低散射。

光子晶体激光器/共振腔
光子晶体共振腔的极高Q-因数，使得其在构造激光器方面广受关注（/articles/308745）。

有机激光介质只占激光材料的一小部分，就像光子晶体光纤的实心部分只是大块光子晶体内部“缺陷”一样。

光子晶体的控制有源层自发辐射能力，使光子晶体激光器具有较低阈值和快速直接调制的特点。

早期的激光器是光泵浦的，发射的激光主要在近红外区。

随着人们不断探索研究，激光技术也迅速发展。

一年以前，日本京都大学的Susumu Nodo工作小组实现了406nm电泵浦光子晶体面发射激光器（PCSEL），他们在AlGaN覆层和InGaN量子阱之间生成了GaN光子晶体（图3）。

图3日本京都大学的Susumu Nodo工作小组制作的406nm电泵浦光子晶体面发射激光器
（PCSEL）
去年，日本京都大学的Kanna Aoki报道了另外一个重要研究成果，在3-D光子晶体共振腔内嵌入一个量子点，完全限制电子和光子。

将量子点和1.5mm发射极耦合嵌入到共振腔17层光子晶体层。

制造3-D结构是很困难的，但是与2-D结构相比，3-D结构光子晶体可以完全控制发射光。

光子晶体还可以提高LED的发光效率。

几年前，美国麻省理工学院的研究人员，通过在量子阱LED的上覆层生成二维光子晶体，将垂直方向上的发光效率提高6倍。

美国Luminus Devices公司的技术总监Alexei Erchak利用光子晶体结构开发了用于照明的GaN- LEDs。

台湾大学在去年的CLEO上报道其简易的光子晶体设计，在InGaN/GaN量子阱LEDs表面刻蚀简易的周期光栅，将发光效率提高至90%以上。

3-D制造
把玻璃管堆在一起，然后拉成光纤是制造光子晶体光纤的直接方法；而制造三维光子晶体的方法就很复杂，且传统的堆砌方式仅适用于实验室简单制作，不适于商业生产。

另外一种制造3-D光子晶体成本较低的的方法是英国牛津大学Andrew Turberfield开发的采用全息写入方式。

多束激光照射在光刻胶聚合物，未受到照射部分的材料就成为三维格子，然后用二氧化钛填充空格。

展望
光子晶体的发展潜力是巨大的，浏览CLEO/QELS的会议文章题目可以看出其广泛的应用范围。

美国斯坦福大学的Jelana V ukovic研究小组将胶质量子点薄膜耦合进硅光子晶体腔中，正在研究激光器的应用。

还有的文章报道了光子晶体开关、传感器和其他设备的研究进展；日本NTT基础研究实验室描述了超高Q-光子晶体腔的亚60ps脉冲的Q-开关，他们称这些发展会生成一个复杂的光子记忆或以单光子运行的波长转换器。

光子晶体的发展前景广阔，但也存在着艰巨的挑战。

例如制造复杂光子晶体的设备仍然是一个难题，使光子晶体输出光也是一项技术挑战。

但是，随着人们的深入研究，相信光子晶体会构造出更大的应用空间。