光子晶體及其在全光集成中的應用

摘 要：光子晶體是一種近年被人們廣泛研究的新型結構材料，其對光波的有效調控特性使得全光信息系統的實現成為了可能，廣闊的應用前景使光子晶體成為國際學術界的一個研究熱點。本文簡要介紹了光子晶體的概念以及基于光子晶體的器件在全光集成系統中應用。

關鍵詞：光子晶體；光子帶隙；全光集成

在過去的半個世紀中，半導體技術在人們的日常生活中已經扮演重要的角色。但是現代高科技的飛速發展要求集成電路微型以及高速化，以電子作為信息載體的局限性不斷的被暴露出來。與電子相比，光子具有更多的信息容量、更高的效率、更快的響應速度、更強的互連能力和并行能力、更大的存儲量、更低的能量損耗。所以，在半導體器件的進一步小型化和在減小能耗下提高運行速度成為難題后，人們提出了用光子作為信息載體替代電子的設想。這就必須找到一種能夠像半導體束縛電子一樣束縛光子的材料，而光子晶體就是這種新材料。

光子晶體就是由2種或2種以上的具有不同介電函數的材料在空間周期性排列而形成的一種人工設計的新材料，又稱為光子帶隙材料。我們知道在固體材料中，由于原子核的周期性勢場的作用，電子會形成能帶的結構，帶與帶之間（如價帶與導帶之間）有可能會有能隙，稱之為禁帶。與此相似，當電磁波在介電函數周期性變化的材料中傳播時，由于空間周期性分布的介電函數對電磁波的調制作用，同樣會產生帶隙，又稱為光子帶隙（photonic bandgap，PBG）。半導體材料的缺陷和摻雜特性會影響其能帶結構。向高純度的半導體晶體中摻人少量雜質，禁帶中會出現相應的缺陷能級和雜質能級。類似地，可以在光子晶體中引入缺陷，缺陷的引入同樣會在光子帶隙中產生相應的缺陷態，使光子晶體的能帶結構受到影響，從而產生缺陷態和缺陷能級。迄今為止，光子晶體在理論、實驗和應用研究方面已經取得了很大的進展，已有多種基于光子晶體的全新光子學器件被相繼提出并被廣泛研究。

1 光子晶體激光器

傳統的激光器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品質因子（高Q）諧振腔可以降低激光器激射的閾值功率，這意味著以更小的泵浦能量輸入就可以產生與較大泵浦輸入相同的效果[1]。

目前最為前沿的光子晶體有源器件，是單量子點光子晶體激光器。它是指將量子點準確無誤的放置在缺陷微腔的位置，通過對缺陷態的控制，使得模式局域在里面，再通過量子點輻射，實現激光輻射。它對于量子信息學和量子調控都有重要的意義。光子晶體通過光子與量子體系的相互作用為量子調控提供了一個平臺，使我們有希望向實現有效的量子調控邁進一步。

2 光子晶體光波導

光子晶體光波導與傳統波導相比更有優越性。它不是依賴于全反射而是依靠帶隙作用將電磁波局域在光波導中。因此，光子晶體光波導可以實現高頻電磁波在尖銳拐彎處的低損耗傳輸[2]。當在光子晶體中引入一個線缺陷時，頻率落在缺陷態中的光波導呈現很強的局域性，因而只能在缺陷處傳播。

傳統的光纖波導中，當波導發生彎曲的時候，全反射條件不再有效，會漏掉部分能量，尤其是轉彎角在90度的時候更加明顯，光波損耗非常大。光子晶體波導相對于傳統介質光波導的一個很大的優勢在于：光子晶體光波導可以實現大角度無損耗傳輸。理論和實驗結果已經證明，在二維正方晶格光子晶體轉彎波導中可以實現幾乎100%的透過率。

3 光子晶體共振濾波器

光子晶體共振濾波器是光子晶體集成回路中的核心器件之一。濾波器的主要功能是選擇出固定的頻率來進行信息的傳遞和信號的處理。1998年Shanhui Fan等人最早提出，在正方晶格二維光子晶體介電柱形成的兩個波導中引入相應的微腔結構能夠實現高效濾波[3]。現在國際上最著名的是日本京都大學的Noda小組和NTT的Notomi小組，他們引領了二維平板光子晶體相關濾波器件的發展潮流。光子晶體濾波器有兩部分組成：光子晶體波導和光子晶體微腔。高Q微腔作為選頻核心器件，能保證選頻的準確性；同時波導和微腔之間要有高的耦合效率，才能使濾波器具有高的透過率。圍繞這兩個問題，科學家們展開了一系列的研究。目前，科學家們利用異質結界面作為反饋方式已經實現了超短間距高密度多通道的光子晶體濾波器。各輸出通道波長間隔小于5nm，品質因子幾乎相同，輸出效率幾乎達到100%。

4 光子晶體負折射偏振分束器

最近幾年，以負折射為代表的光特殊傳播現象引起了人們的巨大興趣。負折射率材料，是指有效磁導率和電導率都為負數的人工材料。光子晶體是實現負折射的一種可行的方法。負折射在光子晶體中的發生是基于等頻面的各向異性產生的。現在人們正對光子晶體中的負折射現象進行著廣泛的研究，其中既包括大量的理論工作，也有許多實驗方面的研究。近紅外波長的負折射已經在 GaAs光子晶體和 Si基光子晶體中得到了實驗證明。目前為止，大多數研究致力于在二維周期多種晶格結構和不同偏振情況下實現負折射。我們利用負折射光子晶體結構的偏振依賴性可以在集成光路中實現偏振分束。

5 光子晶體光開關

光子晶體光開關以光子晶體的光學非線性效應為基礎，實現對光子傳輸“開”與“關”狀態的控制，是光計算機的核心部件之一，是實現光存貯、光調制等光學信息處理功能的重要器件，可以廣泛應用于光通信、光計算、光傳感和光學精密計量技術等領域，從而將對光子技術的發展具有深遠的影響。研究最多的用來實現光子晶體光開關的原理主要有兩種：利用光子帶隙的移動和利用缺陷態的移動來實現光子晶體光開關，其基本物理思想就是，制備光子晶體結構的kerr非線性材料在外加泵浦光的作用下折射率發生改變，從而引起光子晶體的能帶和缺陷態的位置發生移動，使得預先設置落在帶邊或缺陷態處的探測光的透過率發生明顯的變化，從而實現對信號光的“開”或“關”控制。通過改變晶格常數、正常孔半徑、缺陷孔半徑等結構參數，可以在可見光到紅外波段大范圍內實現光子晶體光開關。

6 結束語

正如傳統半導體技術的發展最終走向集成化一樣，把這些光子元件集成起來形成光子集成回路成為光子晶體研究領域的一大夢想。總之，光子晶體概念的出現使信息處理技術的“全光子化”和光子技術的微型化與集成化成為可能，它可能在未來給人類帶來一場新的技術革命。