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1、“Photonics Nanostructures”,清华大学 信息工程学院 彭 江 得,光子晶体进展,(Photonic Crystals),面向新世纪信息科学与技术的新挑战,介观光学物理的新突破,光学系统分区,(系统线度 a,特征波长 1 m：判据 X a/),线度 光波长,量子电动力学,DWDM 传输：损耗 色散/斜率(偏振模色散)光学非线性 DWDM 控制：复用/解复用(MUX/DMUX)分插/复接(Add/Drop)交叉互联(OXC)光子学集成(VLSI)：波导弯曲损耗,光通信网络光子学集成,信息光电子技术的新突破,期待新一代光电功能材料的突破!！!,光通信发展历史的见证,光子晶体,
2、概念光子能带 光子晶体特性,光子晶体的发展进程,光子晶体,光子能带,光子晶体光纤是带缺陷(纤芯)的二维光子晶体,光子晶体特性,抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射,1.光子带隙(PBG)限制作用,禁止频率落在带隙内的光传播带阻滤波器,光子晶体特性,2.PBG 限制的“微腔”作用,应用：实现接近零阈值的激光辐射 实现对量子态（量子比特）的操作,带隙限制微腔的光子局域(Photonic location),光子晶体特性,应用：高速度、高选择性、高集成度的动态调控（如滤波 衰减、开关、分插/复用等）微腔波导激光器,3.PBG限制“微腔”间的耦合作用,“微腔”间通过消逝场直接耦合或跳跃式耦合微腔波
3、导,光子晶体特性,空心波导(无介质损耗、无材料色散、无光学非线性应用：实现超高速、超长距离光通信,4.线缺陷的PBG限制导波作用,无全内反射机制(无辐射模)，可折弯成90o而无光损耗应用：解除了传统光集成回路尺度过大（毫米级）的理论 限制，实现大规模微米级光集成回路的梦想。,单模波导芯径可粗可细，光学非线性可弱可强应用：实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件（四波混频、波长变换、受激拉曼散射、高速光开关）,5.负折射(superprism),(a)Schematic of the structure(b)without the PC(c)with the PC,EFS at the no
4、rmalized V=0.325 for:the background material(big circle)the photonic crystal(small circles)Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.,光子晶体特性,二维光子晶体(光纤),PCF 类型,PCF 制备工艺,20 mm,0.03 mm,20 mm,1 mm,1 mm,1 mm,玻璃毛细管聚束熔垃法,=2n2/(Aeff)：,n2,Aeff,=1.6 mm,SF57 Schott glass:n=1.83(633nm),1.
5、80(1.53m)，=0.7dB/m(633nm),0.3dB/m(1.53m)n2=4.11019m2/W(比纯SiO2大20倍)，Ts=519oC(softening temprature),=125 m,PCF 制备工艺,玻片芯组装模压法,单模有机聚合物光子晶体光纤,PCF 制备工艺,Near-field pattern,1.宽带低损单模传输,Interstitial holes,The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.,PCF 特性,应用:大模场面积高功率激光/放大器 小模场面积非线性光
6、学器件,2.可变的光学非线性,传导模数与/0无关，只决定于.d/Aeff:1 1000m2 by changing,PCF 特性,3.灵活的色散特性,应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等,PCF 特性,4.单纤多芯传输/耦合,应用：多信道光传输/光纤传感,光控光耦合器件,PCF 特性,5.空气芯光纤带隙可调,无损耗!无材料色散!！无光学非线性!！,应用：通信/传感,PCF 特性,PCF 应用研究进展,PCF 拉曼放大器,PCF波长转换,PCF 应用研究进展,LPG:,电调 PCF 衰减器,PCF 应用研究进展,电调 PCF 衰减器,PCF 应用研究进展,Dynamic range:30dB,
7、Insertion loss:0.8dB,PDL:0.5dB,:1sec,电调PCF衰减器,PCF 应用研究进展,电调 PCF 滤波器,PCF 应用研究进展,PCF 应用研究进展,PCF 耦合器,PCF 宽带波长/模选择耦合器,PCF 应用研究进展,二维光子晶体(平板),微电子工艺,制备工艺,Fig.1:Photonic crystal waveguide in SOI.Pitch is 460nm,hole-size is 290nm.,Fig.2:Photonic crystal hole size after lithography and etch for different tria
8、ngular lattice designs.,248nm DUV lithography on SOI,SOI photonic crystals for 1550nm：periods：400500nm hole sizes：160 300nm.,制备工艺,PBG限制波导,平板 PC 特性,PC微腔复用/解复用器,PCF 应用研究进展,PC滤波器,PCF 应用研究进展,共面PC谐振腔,PCF 应用研究进展,1563 nm,1609 nm,Lcavity=6m,Q=400,微腔耦合波导激光器,(CALTECH),(MIT),PCF 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,-HCL:H2O=4:1 w
9、et chemical etch,PCF 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,PCF 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,PCF 应用研究进展,光子晶体,（三维）,制备工艺,半导体光刻工艺,制备工艺,溶胶凝胶（Sol-gel)法,微球尺度 855nm1.3,SiO2-Opals(模板)制备,制备工艺,溶胶凝胶（Sol-gel)法,Si-inverted opals 制备,制备工艺,(111)surface,2层,4层,16层,a.透射谱：理论 实验b.理论计算的光子能带,空气球大小：(a,b):1mm,(c,e):670nm,制备工艺,(100)surface,c.理论计算的光子能带 b.反射谱：841nm,1070nm,空气球大小：(d,f):855mm,(c)(d)Patterned photonic crystals with high aspect ratios,Doping and patterning Si photonic crystals,(b)在大面晶体中刻进100-m 光子晶体环,(a)在 Si 光子晶体中引入填隙缺陷,制备工艺,应用研究,量子信息处理,谢谢,
