光子晶體概念－光子能帶光子晶體特性三維一維二維d

光子晶體（PC）介電常數(shù)周期分布的介質(zhì)形成光子能帶，禁止帶隙(PBG)頻率的光傳播Diamond光子能帶Defectstate

缺陷能級(jí)在包層帶隙中，缺陷態(tài)的光受帶隙限制d

二維結(jié)構(gòu)參量:孔徑－d周期－

芯徑－

光子晶體光纖是帶缺陷(纖芯)的二維光子晶體光子晶體特性－抑制頻率落在帶隙內(nèi)的原子和分子的自發(fā)輻射1.光子帶隙(PBG)限制作用IthP(mW)應(yīng)用：－高效率無(wú)發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池－高效率無(wú)背瓣微波天線(xiàn)－禁止頻率落在帶隙內(nèi)的光傳播－帶阻濾波器光子晶體特性2.PBG限制的“微腔”作用－帶隙限制微腔自發(fā)輻射態(tài)密度增強(qiáng)（Purcell效應(yīng)）OpticalmicrocavitiesElectronquantumboxes應(yīng)用：－實(shí)現(xiàn)接近零閾值的激光輻射－實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)（量子比特）的操作－帶隙限制微腔的光子局域(Photoniclocation)光子晶體特性應(yīng)用：－高速度、高選擇性、高集成度的動(dòng)態(tài)調(diào)控（如濾波衰減、開(kāi)關(guān)、分插/復(fù)用等）－微腔波導(dǎo)激光器3.PBG限制“微腔”間的耦合作用－“微腔”間通過(guò)消逝場(chǎng)直接耦合或跳躍式耦合－微腔波導(dǎo)光子晶體特性－空心波導(dǎo)(無(wú)介質(zhì)損耗、無(wú)色散、無(wú)光學(xué)非線(xiàn)性〕應(yīng)用：－實(shí)現(xiàn)超高速、超長(zhǎng)距離光通信4.線(xiàn)缺陷的PBG限制導(dǎo)波作用－無(wú)全內(nèi)反射機(jī)制(無(wú)輻射模)，可折彎成90o而無(wú)光損耗應(yīng)用：－解除了傳統(tǒng)光集成回路尺度過(guò)大（毫米級(jí)）的理論限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微米級(jí)光集成回路的夢(mèng)想。－單模波導(dǎo)芯徑可粗可細(xì)，光學(xué)非線(xiàn)性可弱可強(qiáng)應(yīng)用：－實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗的全光型光學(xué)非線(xiàn)性功能器件（四波混頻、波長(zhǎng)變換、受激拉曼散射、高速光開(kāi)關(guān)）光子晶體的發(fā)展進(jìn)程

1987年提出光子帶隙(PBG)概念

1990年P(guān)BG計(jì)算機(jī)論證

1991年微波PBG實(shí)驗(yàn)論證

1996年第一根TIR光子晶體光纖

1997年第一根PBG光子晶體光纖OFC情況論文：

2001：6，2002：15國(guó)家：

2001：4，2002：8

1993年制造出第一塊半導(dǎo)體三維光子晶體

1998－2000年光子晶體光纖研究熱

2000年第一家光子晶體光纖公司成立

2001.10.PhotonicsNanostructureMaterialsandDevices國(guó)際會(huì)議在SanDiego召開(kāi)光子晶體－交叉學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物半導(dǎo)體金屬石英有機(jī)聚合物液晶生物蛋白材料微波無(wú)線(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)量子信息信息生物物理近場(chǎng)光學(xué)納光子學(xué)凝聚態(tài)物理二維光子晶體(光子晶體光纖－PCF)百花爭(zhēng)艷PCFPolymerGLSglass摻Y(jié)bPCF類(lèi)型晶格：三角空氣柱包層＋Silica柱芯原理：低等效包層折射率－全內(nèi)反射特性：次高階模截止帶寬內(nèi)單模傳輸折射率導(dǎo)引光纖（TIR-PCF〕光子帶隙導(dǎo)引光纖（

PBG-PCF〕晶格：六角空氣柱包層＋空氣柱芯原理：光子帶隙限制局域單模傳輸特性：帶隙窗口(數(shù)

m)內(nèi)單模傳輸0.8mmSolidrodHollowtube

PCF制備工藝

30mm

16mm20mm0.03mm20mm1mm1mm1mm玻璃毛細(xì)管聚束熔垃法

PCF制備工藝玻璃毛細(xì)管聚束熔垃法

=2n2/(Aeff)：n2,Aeff

=1.6mmSF57Schottglass:n=1.83(633nm),1.80(1.53m)，

=0.7dB/m(633nm),0.3dB/m(1.53m)n2=4.110－19m2/W(比純SiO2大20倍)，Ts=519oC(softeningtemprature)

=125

m

PCF制備工藝玻片－芯組裝模壓法

=550W－1km－1（1550nm）(比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）Singlemodetransmissionat633nmand1550nm

PCF制備工藝高光學(xué)非線(xiàn)性PCFHolediameter:2.3mHolespacing:4.3mCorediameter:10.5m

PCF制備工藝溶膠－凝膠（Sol-gel〕法

PCF制備工藝帶隙寬度可調(diào)PCFHolesfilledwithhighnliquid:PBGn589nm=1.802000-1bandgap3dBbandwidthforgaps=1400nmHolesfilledwithair:TIR單模有機(jī)聚合物光子晶體光纖

PCF制備工藝Near-fieldpattern1.

寬帶低損單模傳輸458nm458nmInterstitialholes

Therelativeintensitiesofthesixlobeswasvariedandnearlyequal.

Far-fieldpatternNear-fieldpattern528nm528nm

Noothermodefieldpatternsareobservedconfinedtodefectregion.633nm

Noconfinedmodecouldbeobservedat633nn.

PCF特性應(yīng)用:大模場(chǎng)面積－高功率激光/放大器小模場(chǎng)面積－非線(xiàn)性光學(xué)器件2.可變的光學(xué)非線(xiàn)性

傳導(dǎo)模數(shù)與

/0無(wú)關(guān)，只決定于.d/

Aeff

:11000m2bychanging

PCF特性

=180m2=22.5md=1.2m=9.7md/=0.120>458nm近場(chǎng)光斑

h=0.006510m

3.靈活的色散特性應(yīng)用：色散補(bǔ)償/色散管理/光孤子技術(shù)等

PCF特性

大的正色散

=1.4m=0.66D=250ps/nmkm平坦的零色散

=2.9m=0.52D=0ps/nmkm大的平坦負(fù)色散

=3.2m=047D=-100ps/nm/km4.場(chǎng)致折變實(shí)例：可調(diào)光纖光柵（熱光效應(yīng)〕電光效應(yīng)？聲光效應(yīng)？磁光效應(yīng)？光折變效應(yīng)？應(yīng)用：動(dòng)態(tài)光控制器件

PCF特性5.單纖多芯傳輸/耦合應(yīng)用：多信道光傳輸/光纖傳感,光控光耦合器件

PCF特性6.空氣芯光纖無(wú)損耗!無(wú)材料色散!！無(wú)光學(xué)非線(xiàn)性

!?。?yīng)用：通信/傳感

PCF特性

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展

pump=1536nm

signal=1650nm0rcore=1.6

mLHF=75mAeff

=2.85

mLB=0.4mmPCF拉曼放大器G=42.8dBNF<6dBXPM+narrowbandfiltering(datarateof10Gbit/s)LHF=5.8m,rcore=2.0

m,Aeff

=2.93(+/-0.3)μm2＝50dB/km,D=+100ps/nm-km(1550),

=31W-1·km-1

control=1551nm,

prob=1530-1580nmPCF波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展LPG:電調(diào)PCF衰減器

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展電調(diào)PCF衰減器

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展Dynamicrange:30dB,Insertionloss:<0.8dB,PDL:0.5dB,:1sec電調(diào)PCF衰減器

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展電調(diào)PCF濾波器

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展

PCF耦合器SMFHOFPCF寬帶波長(zhǎng)/模選擇耦合器

PCF應(yīng)用研究進(jìn)展二維光子晶體(光子晶體平板－PCF)微電子工藝

PCS制備工藝Fig.1:PhotoniccrystalwaveguideinSOI.Pitchis460nm,hole-sizeis290nm.Fig.2:Photoniccrystalholesizeafterlithographyandetchfordifferenttriangularlatticedesigns.248nmDUVlithographyonSOISOIphotoniccrystalsfor1550nm：periods：400－500nmholesizes：160－300nm.PCS制備工藝PBG限制波導(dǎo)

PCS特性PCS特性PBG限制波導(dǎo)－微腔耦合PC微腔復(fù)用/解復(fù)用器

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展PC濾波器

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展共面PC諧振腔

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展1563nm1609nmLcavity=6m,Q=400微腔耦合波導(dǎo)激光器(CALTECH

)(MIT)

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展光子晶體微腔激光器--HCL:H2O=4:1wetchemicaletch41.2%CompressivelyStrainedInGaAsP

QWsSlabthichness:10nmQWsseparatedby23nmbarriersLatticeconstant:=550nm,Radiusoftheholes:d=215nmCentraldefectcavity:19holesPMMA—Electron-beamlithographyCr-Culayer—Ar+ionbeametchSiN2layer—CF4reactiveionetchInPSubstrateInGaAsP

QWsregion—ECRetch

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展光子晶體微腔激光器

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展光子晶體微腔激光器

PCS應(yīng)用研究進(jìn)展光子晶體（三維）

制備工藝

半導(dǎo)體光刻工藝

Wavesofcertain

cannotenterintoorpropagatethroughthematerials.ModeldWSiddddayz(a)(b)(c)(d)(e)bFabricationExampleSi/SiO2

gap=14%0,center=1.5m

制備工藝

溶膠－凝膠（Sol-gel)法

SiSubstrateSubstrate微球尺度855nm

1.3％－SiO2-Opals(模板)制備Th80oC65oC

制備工藝

溶膠－凝膠（Sol-gel)法

－Si-invertedopals制備550oCSubstrateSubstrateSubstrateLPCVD

制備工藝

(111)surface2層4層16層a.透射譜：—理論

—實(shí)驗(yàn)b.理論計(jì)算的光子能帶空氣球大?。?a,b):1mm,(c,e):670nm

制備工藝