（原子与分子物理专业论文）光子晶体中光与物质相互作用的非线性效应.pdf

硕士学位论文 中文摘要 光子晶体中光与物质相互作用的非线性效应 中文摘要 光予晶体是近十几年来发展起来的一个新兴的研究领域，在以集成光子器件为基 础的光通讯和光信息处理领域具有广阔的应用前景。国际上对光子晶体的研究已经从 初期的注重理论研究逐步转移到光子晶体应用和相应的光电子器件的设计和制备的研 究上来。本文主要研究可见光和光通信波段的光子晶体及器件的研制和特性测试，这 方面研究将会推动光子晶体在全光集成和光通信方面的应用。基于非线性光子晶体的 光子器件逐渐成为目前研究的重点。我们对光子晶体的制备和三阶非线性光子晶体进 行了较为系统的研究。 我4 j n 用多重散射方法研究了各种光子晶体、微腔结构的带隙特性，优化设计程序， 结合微加工的电子束、离子束刻蚀的精度要求和测试设备的条件设计出可见光和光通信 波段的光子晶体和器件，得出了适合做光予晶体光开关的光子晶体的结构参数，为实验 提供理论依据。 我们对二维光子晶体的制各进行了研究。通过扫描电镜，我们看到制作的聚苯乙烯 光予晶体的质量比较好。我们利用二维光子晶体波导能量耦合的消逝波耦合系统，测量 了光子带隙在可见光波段的二维聚苯乙烯光子晶体的光子带隙。经与理论计算对比，发 现实验结果和理论模拟比较吻合。 我们对三维光子晶体的制备进行了研究。首先，利用改进的气压法自组织生长方法 制备出胶体聚苯乙烯光子晶体，并对其带隙特性进行了测量。其次，利用改进的垂直沉 积技术制备出高品质的可见光波段聚苯乙烯光子晶体0 p a l ，厚度为2 3 1 1m ，光子带隙 中心的透过率约为5 ，导带透过率大于6 5 ，光子晶体带隙边缘的斜率非常陡峭，大 于5 2 n m 的光子晶体，优于国外报道的数值。 利用三维聚苯乙烯光子晶体实现了p s 量级快速时间响应的、光予带隙连续可调的 可调谐光子晶体，光子带隙移动了1 3 r i m 。这一结果对光通讯和光计算等领域有重要意 义。 整篇论文分为五章。第一章为序论，简单介绍了光子晶体的概念和它的研究现状。 第二章光子晶体光开关，从理论方面计算了光子晶体的带隙和具有缺陷态的光子晶体， 并且计算了带隙和缺陷态随泵浦光强度的变化，为实验上实现光开关提供理论依据。第 硕士学位论文中文摘要 三章为二：维光子晶体的制备及光开关实验研究。第四章为三维光子晶体的制各及光开关 实验研究，并把已有的理论计算结果和实验测量结果进行了比较。第五章给出了本文的 主要研究结论。 关键词：光子晶体，聚苯乙烯o p a l ，三阶非线性效应，光开关 分类号：0 4 3 7 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fn o n li n e a r i t y o fp h o t o n i oc r y s t a ( a b s t r a c t ) p h o t o n i cc r y s t a l sh a v ea t t r a c t e dal o to f i n t e r e s t i n gi nr e c e n ty e a r sd u et oi t si m p o r t a n t a p p l i c a t i o n si nt h er e g i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dl i g h ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t h e i n v e s t i g a t i o na b o u tp h o t o n i cc r y s t a l sh a sb e e nc o n v e r t i n gf r o mt h e o r yt oa p p l i c a t i o n ，d e s i g n a n df a b r i c a t i o no f p h o t o n i cc r y s t a ld e v i c e s ，i nt h i sp a p e r , w em a i n l yi n v e s t i g a t et h ed e s i g n ， f a b r i c a t i o na n dm e a s u r e m e n to ft h et w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l sa n di t s d e v i c e si n v i s i b l ea n dn e a r - i n f r a r e dr e g i o n ，w h i c hs h o u l dp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f p h o t o n i cc r y s t a li n o p t i c a li n t e g r a t i o na n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h ei n t e g r a t e dp h o t o n l cd e v i c e sb a s e do n n o n l i n e a rp h o t o n l cc r y s t a lb e c o m et h er e s e a r c hf o c u sg r a d u a l l y w er e p o r ts o m er e s u l t so f f a b r i c a t i o no f p o l y s t y r e n e p h o t o n l cc r y s t a l a c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n ta n dt h ed e m a n do fm e 龇e m e n to ft h e p h o t o n i cc r y s t a l ，w es t u d yc h a r a c t e ro f d i f f e r e n tp h o t o n l cc r y s t a l sa n dd e f e c tc a v i t yb y u s i n g t h em u l t i p l e s c a t t e r i n gm e t h o d b a s e do nt h e f a b r i c a t i n gt e c h n o l o g y , w ed e s i g nd i f f e r e n t p h o t o n i cc r y s t a l i nv i s i b l ea n dn e a r - i n f r a r e dr e g i o n w ea t t a i ns l u c t u r ep a r a m e t e ra b o u t p h o t o n i cc r y s t a ls u i t a b l ef o ro p t i c a ls w i t c h i n g t h e r e s u l t so f f e re v i d e n c ef o rt h e e x p e r i m e n t w e s t u a yt h ef a b r i c a t i n gt e c h n o l o g yo ft w o d i m e n s i o n a lp o l y s t y r e n ep h o t o n i cc r y s t a l w e g a i nt h eg o o dr e s u l t s t h ep r o p e r t i e so f t w o d i m e n s i o n a lp o l y s t y r e n ep h o t o n i cc r y s t a li s m e a s u r e d t h ew o r k so nt h r e e o r d e rn o n l i n e a rp h o t o n i cc h s t a la r ea sf o l l o w s ：w ei m p r o v et h e f a b r i c a t i n gt e c h n o l o g yo f t h r e e d i m e n s i o n a lp o l y s t y r e n ep h o t o n i cc r y s t a l w ea t t a i n e dv e r y g o o dt h r e e d i m e n s i o n a lp o l y s t y r e n ep h o t o n i cc r y s t a l t h et h i c k n e s so fp o l y s t y r e n ep h o t o n l c c r y s t a li sa b o u t2 31 l r n i t st r a n s m i s s i o ni nb a n dg a pi sa b o u t5 a n d i t st r a n s m i s s i o ni n p a s sb a n d i sa b o u t6 5 t h i sr e s u l ti sp r i o rt ot h ep r e v i o u s r e p o r t s t u n a b l et h r e e - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l 、瓶t l lp st i m er e s p o n s ei sr e a l i z e db a s e do n c o l l o i d a l p o l y s t y r e n ec r y s t a l ，t h ep h o t o n l cb a n d g a p s h i f t s13 r i m t h i sh a s i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a n d l i g h ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s t h ef i r s tc h a p t e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no f c o n c e p t i o no f p h o t o n i cc r y s t a la n d t h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no f t h en o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e s 1 堕壁坠 竺里塑 i nt h es e c o n dc h a p t e r t h eo p t i c a ls w i t c h i n g p r o p e r t i e sa r ed e s c r i b e d w ea t t a i nt h es h i f to f p h o t o n i cc r y s t a lb a n d g a pa n dd e f e c tp a t t e m t h i so f f e r se v i d e n c ef o rt h ee x p e r i m e n tr e s u l t t w o d i m e n s i o n a lp o l y s t y r e n ep h o t o n i cc r y s t a li s s t u d yi nt h et h r e ec h a p t e r i nt h ef o u r t h c h a p t e r , t h r e e + d i m e n s i o n a lp o l y s t y r e n ep h o t o n i c c r y s t a l s a r e s t u d y i nd e t a i l t h em a i n c o n c l u s i o n sa r e g i v e n i nt h el a s tc h a p t e r k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l ，p o l y s t y r e n eo p a l ，t h r e e o r d e r n o n l i n e a r i t y , o p t i c a l s w i t c h i n g c l a s s i f i c a f i o i l 0 4 3 7 独创声明 y 。5 9 8 8 1 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：复i 枇 导师签字： 签字日期：2 0 0 4 年缸月 鹊。己 签字日期：2 0 0 4 牟- 月2 9 日 束鬟俗扦、孥蚌阍嚣 糍垒文公鼯 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光子晶体概念的提出及其研究意义 纵观人类科技发展的历史，对材料性能的每个新发现，必将引起技术上的许多突 破，进雨改变了社会的运作模式和人们的生活方式。上一世纪，人类对材料电性能的认 识，促使人们去研究各种各样材料中电子的运动的情况，从而诱发了电子革命。半导体 中奇特的导电性能的发现，将人们带入了计算机和信息社会。科技的进步是飞速的，让 人们曾经欢欣鼓舞的半导体器件已经不能满足社会发展的需要，人们必须寻找更高速 度、更高效率的新材料。 1 9 8 7 年，y a b l o n o v i t c h 提出建立周期性三维介电结构的设想。经过研究，从理 论和实验上都肯定了这种材料的存在。同年，j j o h n 提出，经过仔细制备的三维介质 超晶格，使其具有适当的无序度，可用于研究光子在材料中的强局域现象”1 ，他们两人 分别提出了光子晶体概念。所谓光子晶体就是两种或者两种以上介质的周期性排列组成 的一种入造晶体。由于其独特的特性，近十几年来成为光子材料科学的一个研究热点， 得到迅速的发展和广泛的应用。由于介电参量的周期性调制，电磁波在其中的传播可以 用类似于描述电子在半导体中传播的能带结构来描述。具体表现为：一定频率的光波， 在光子晶体的特定方向上被散射，不能透过，形成光予能隙。如果这些能隙在所有方向 上的带宽都大到可以相互重叠，则这种光子晶体就是一种具有完全能隙的光予晶体：若 不能相互交叠，则为具有不完全能隙的光子晶体。 光子晶体是两种或两种以上介质的周期性排列组成的一种人造晶体，根据排列方式 的不同可以形成不同结构的光子晶体，如一维、二维和三维光子晶体。3 ，如图1 一l 。 图1 1一维、二维和三维的光子晶体 由于介电参量的周期性调制，电磁波在其中的传播，可以用类似于描述电子在半导 ! 塾兰鱼堡茎 塑堡 体中传播的能带结构来描述“1 。光子晶体有几个主要的特征：首先是具有光子带隙甚至 于完全带鲥5 。9 】，落在带隙中的光是禁止传播的。在禁带中，光模、自发辐射都受到抑 制。一般来说，两种介质的介电常数比越大，对入射光散射的越强烈，越有可能形成光 子禁带，形成的光子禁带越宽。其次是光子局域。如果在光子晶体周期结构中引入某种 缺陷，如半导体的缺陷一样，会出现缺陷态，这种缺陷态具有很强的局域特性，如点缺 陷，线缺陷、面缺陷等，和缺陷频率相吻合的光子有可能被局域在缺陷的位置，一旦偏 离缺陷位置，光将迅速衰减。 研究光子晶体的构成及其与光子的相互作用在基本物理和材料科学方面有重要意 义。通过研究光子晶体的形成条件，光波在光子晶体中的传播行为，不仅能对光波与物 质的相互作用的基本知识有所了解，而且能够探索性地去寻找一类新型材料。这类材料 将成为一种新型器件光子器件的物理基础。 1 2 光子能带理论 1 2 1 电子能带与光子能带 电磁波在具有周期性的复合介质中传输的情况可以和实际晶体中电子的传输相比 较，也就是介电周期结构中的麦克斯韦方程与晶体中薛定谔方程的类比，并由此而引入 了光子能带的概念。在晶体中，当把电子的运动近似看作在一个等效势场中运动时，其 波函数满足薛定谔方程，即： 卜生二v z + y ( 芦) 】y ：e y 。2 m 、7 。 ( 1 1 a ) 矿( ，) ：矿( 尹+ j i 。) ( 1 - 1 b ) 矿( f ) 表示位能，具有周期性，其周期为晶格常数j i 。 光子在光子晶体中的传播行为，可以通过m a x e l l 电磁场理论揭示出来。电磁波在 光子晶体中的传播满足g a x e l l 方程“： v 雪= 0( 卜2 a ) v - 西= 4 加( 卜2 b ) v 重：lo b( 1 2 c ) 硕士学位论文 绪诒 v 霄：! 挈+ 丝t 7 ( 1 - 2 d ) 其中雷和曰分别是电场强度和磁场强度，西和雪分别是电位移矢量和磁感应强度，p 是 自由电荷密度，7 是电流密度。我们考虑无源场，则p = 1 7 ：0 。考虑电磁场与材料的 线性相互作用，并且忽略电磁场的损耗，则西( 尹) = 占( f ) 豆( f ) 。电场强度置( f ，) ：霹( ，) 8 一， 磁场强度疗( f ，) = f i i ( r ) e “，由m a x e l l 方程可以得到光子在光子晶体中传播时所满足 的波动方程： v 岛v 锄， = ( 乎( 1 - 3 a ) s ( f ) ；s ( ，+ 五。) ( 1 3 b ) 其中，曩为任意晶格矢量。 该方程与电子在理想晶体中传播时所满足的波动方程类似。 我们把电子和光子所满足的波动方程进行对比，通过比较表卜1 中电子和光子的方 程，不难看出它们的形式十分相似，可建立以下类比关系： 李占( f ) 呻矿( ，) 1 嘞 口2 一 ( 1 4 b ) 岛7 _ 五 即介电系数的周期性变化相当于势能的变化，相应地， 口：相当于能量本征值。 9 0 r c 电子光子 波函数 y ( f ，f ) = ( 产) e 疗( ，f ) = 疗( 尹) p 。“ 本征方程h 妒= e v 豆= ( 罟) 2 疗 哈密引ih = 一旦2 m 甲2 + 矿伊， = 甲( 之苦rv ) 周期性势场矿扩) = 旷妒+ 五。)介电周期性s 扩) = e ( r + 晨。) 表1 - 1 电子和光予的方程 硕士学位论文 从光子与电子运动方程的比较，我们可以看到：在一个折射率周期变化的结构中， 光子的运动将类似于在周期性势场中电子的运动。因此，折射率周期性变化的介质结构 应具有光子能带结构，在一定条件下也具有光子能隙。 1 2 2 光子能隙与介质空间结构的关系 由于介电参量的周期性调制作用，光子在光子晶体中的传播可以用类似于描述电子 在半导体材料中传播的能带结构来描述。考虑一维情况下，在半导体晶体中，电子受原 子周期性排列所构成的周期势场的调制作用，具有抛物线型能谱。由于原子的布拉格衍 射，在布里渊区边界上能量变得不连续，电子被全反射而出现带隙，如图1 - - 2 ( a ) 所 示。在光子晶体中，也存在类似的周期性势场，它由介电函数在空间的周期性变化所提 供，光子具有直线型能谱。当介电函数的变化幅度足够大且变化周期与光波长相当时， 介质的布拉格衍射作用也会使定频率范围的光子不能通过光子晶体，而是被反射回 去，从而产生带隙。如图l 一2 ( b ) 所示。 el p h o t o n i cb a n d 00 r a 、f b 、 图l 一2一维情况下电子与光子的能带结构 严格的光子晶体带隙结构，可在矢量波理论的框架下，从m a x e l l 方程出发，通过 理论模拟获得。光子带隙与电子带隙的区别在于，光子带隙不仅与光子的能量有关，还 与光子的传播方向有关。如果光子晶体在空间的所有传播方向上都有带隙，并且每个方 向上的带隙都能相互重叠，则称这种光子晶体是完全带隙光子晶体。如果光子晶体在空 间不同方向上的带隙并不完全重叠，或者只在特定的方向上具有带隙，则称之为不完全 带隙光子晶体。 半导体材料的缺陷和掺杂特性会影响其能带结构，向半导体晶体中掺入缺陷和杂 质，禁带中会出现相应的缺陷能级和杂质能级。类似地，可以向光子晶体中引入缺陷， 同样会产生相应的缺陷能级，使光子晶体的能带结构受到影响“，如图1 3 所示。 硕士学位论文 绪论 图1 3 光子晶体中的缺陷能级 1 2 3 关于光子能带结构物理本质及特性的初步讨论 我们可以用描述电子能带结构的布里渊区来描述光子的能带结构。布里渊区是在波 矢空间中的一些特定区域，在每个布里渊区内部，频率随波矢的变化而连续变化，属于 一个布里渊区的能级构成一个能带。在布里渊区的边界上，频率作为波矢的函数发生了 变化，从而出现能隙。对于存在光子能隙的介质来说，不是所有的光都能在其中传播， 相应于光子能隙区域的那些频率的光将不能通过介质，而是被全部反射出去。 1 3 光子晶体能带的理论研究方法 最初对光子晶体能带计算的研究，采用的是标量波的方法，即认为两种偏振可以分 开处理。但是，理论和实验结果有较大差异，人们意识到这种差异来源于忽略了电磁波 是矢量波，因此在光子能带的计算中必须考虑光波的矢量性。人们提出了多种计算理论 来研究光子晶体。例如：有限时域差分、多重散射方法等等。 1 3 1 多重散射计算理论” 多重散射方法主要应用于有限大小的二维光子晶体，该理论认为有限大小的光子晶 体是一个开放环境下许多散射体的组合，这样边界条件是自动得到满足的。对于一般性 的传输系数，可以通过对远场的散射振幅进行积分获得。 1 3 2 平面波方法” 这种方法主要是将电磁场以平面波的方法展开。电磁波在倒格矢空间以平面波叠加 硕士学位论文 的形式展开，将麦克斯韦方程组化成一个本征矢方程，来解本征值得到传播的光子的本 征频率。但是这种方法有明显的缺点：计算量与平面波的波数有很大的关系，几乎正比 于所有波数的立方，因此会受到严格的约束。如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的问 题时，需要大量的平面波，可能因为计算能力的限制而难以计算。如果介电常数不是恒 值，而是随着频率变化，或介电常数含有虚部时，就没有一个确定的本征方程形式，而 且有可能在展开中出现发散，导致根本无法求解。 1 3 3 转移矩阵法”7 1 把磁场在实空间展开，将麦克斯韦方程组化成矩阵形式，变成本征值求解问题。转 移矩阵表示一层( 面) 格点的场强与紧邻的另层( 面) 格点的场强的关系，它假设在 构成的空间中，同一个格点层上有相同的态和相同的频率，利用麦克斯韦方程组将场从 一个位置外推到整个晶格空间。这种方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效。 由于转移矩阵小，矩阵元素少，计算量较平面波方法大大降低。只与实空间格点数的平 方成正比，精确度也非常好。而且还可以计算反射系数和透射系数。 1 3 4n 阶法”町 这是引自能带理论的紧束缚近似中的一种方法，基本思想是：从定义的初始时间的 组场强出发，根据布里渊区的边晁条件，利用麦克斯韦方程组可以求得场强随时间的 变化，从而最终解得系统的能带结构。 1 3 5 时域有限差分法”“2 0 ”1 这一方法的优点在于它能完全模拟波导中光场的特性，使波导中的光传输完全可视 化，模拟横向传输，提取光在波导中的传输模式，也可用于有源波导的计算，如光放大 器。时域有限差分法直接求解依赖于时间的麦克斯韦旋度方程，利用二阶精度的中心差 分近似，把旋度方程中的微分符直接转化为差分形式，每一步计算方法无需作矩阵求逆 运算，因此比其它数值方法更有效，精确度更高。 1 4光子晶体的制备 自然界有光子晶体的例子，如蛋白石和蝴蝶翅膀等。光子带隙的出现与光子晶体结 构、介质的连通性、介电常数反差和填充比有关，条件是比较苛刻的。一般说，介电常 数反差越大，得到光子带隙可能性越大。 制备光子晶体主要有以下几种方法： 6 硕士学位论文 绪论 1 4 1 用精密机械加工做成微波及可见光区域的光子晶体 在微波区域，有效的光子晶体的品格长度为毫米到厘米量级，所以可以用精密机械 加工的方法来实现。然后通过测量微波在这种物体中的透过即反射特性来确定光子晶体 能隙是否存在。 对于光子带隙在红外或可见光的光子晶体，从布拉格条件可知，光子带隙处的光波 波长与光子晶体的晶格常数相当，晶格常数应当在微米或亚微米。用微加工技术制作三 维的光子晶体是非常困难的。但制作二维光子晶体，目前的技术已经比较成熟了。 1 4 2 用多光束相干的方法产生周期为微米量级的结构 多光束相干光能在空间形成驻波图案。改变光束的数目及空间方位，相干图案也随 之改变。从相干光的原理可以知道，这种相干图案的光强极大值之间的间距和参与干涉 的激光波长同数量极。通过改变光束的几何配置，就能得到不同的空间周期结构。这里 主要是光与介电颗粒之间的作用，现在已经知道存在三种主要作用力：一是梯度力。“， 它的大小正比于光强的梯度，其作用方向是沿着光增强的方向。二是光压，它来源于 光子与颗粒的光强交换，使得颗粒沿着光的行进方向运动。三是光键力。“，它是由于在 光与多个粒子散射时，某一颗粒与入射光在其它颗粒上的散射光的作用而产生的，光键 力的方向是沿着颗粒的连线方向的，其结果是使得颗粒陷在间距为光波整数倍的地方。 在通常情况下，光梯度力起主要作用。实验上，已有多次报道，将聚苯乙烯颗粒、二氧 化钛颗粒在水中排列成二维不同形状的周期结构3 。 1 4 3 静电力自组织生长法 颗粒的大小一般为微米或亚微米，悬浮在液体中。由于胶体颗粒小球表面带有电荷， 而整个体系呈电中性，这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的v a nd e r i j 【 a a l s 吸引力。经过一段时间，悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的面心立方 结构而形成胶体晶体。这种方法非常简便，而且很经济，所制备的光子晶体尺寸较大。 一般采用的胶体颗粒是聚合物或氧化硅等，因为其它材料要得到大小均匀的颗粒很困 难。早期采用的是聚合物的胶体颗粒，折射率都比较小。自然的蛋白石或人工的蛋白石 是由氧化硅胶体颗粒组成的，颗粒的大小可以做得很均匀，大小般为几百纳米，氧化 硅颗粒的折射率也比较小，为1 4 5 。 1 4 4电流变液在高压下形成颗粒的有序排列 电流变液是指靠介电常数的小颗粒在低介电常数的溶液中形成悬浮液，在每毫米近 硕士学位论文 千伏的直流或交流电场的作用下，悬浮液中的颗粒能在两块电极板之间形成一系列直径 为亚毫米量级的圆柱状体。近年来，从理论得这种圆柱体内部是有结构的。实验也已经 证实了这一点。特别是最近的激光衍射实验表明，当小颗粒为直径2 0 微米的玻璃小球 时，能构成一种体心正方。正方体的边长分别是2 r ，6 j ir 和6 j 1 月，r 是玻璃小球的半 径嘲。 1 4 5 气压法 气压法是华盛顿大学的夏远楠研究小组首先使用的一种生长光子晶体的方法。他将 胶体小球的悬浊液注入到特制的样品生长池中。在外加气压和超声震荡的作用下，浊液 中的溶剂在外来气压的作用下通过样品生长池壁上的小通道流走，而胶体小颗粒被留在 样品池内，通过震动排列成有序的面心立方结构。通过调整样品池的厚度，可以制备不 同厚度的样品。这种制备方法速度快，制备的光子晶体质量高。但是，夏教授的制备样 品生长池的工艺比较复杂。 1 4 6 提拉法 提拉法是制备高性能光子晶体薄膜的一条有效途径。将基片垂直放入单分散的胶体 颗粒悬浊液中，然后匀速向上缓慢提拉基片，或者让悬浊液慢慢蒸发，利用基片上部溶 剂挥发所产生的压力差，将胶粒推向基片，并排列成有序的面心立方结构，形成光子晶 体薄膜，示意图如1 4 所示。 另外还其其它各种方法，如电泳法、激光干涉法、离心法等，由于这些方法制备的 晶体质量不高或者方法太复杂，所以不多用。 图l 一4 提拉法生长光子晶体 8 堕主堂竺丝塞 缝迨 1 5 光子晶体的应用 由于光子带隙结构中存在光子带隙的奇异特性，促使人们去研究光予晶体的各种可 能的效应。 光子晶体具有重要的应用前景，由于其特性，可以制作全新原理或以前所不能制作 的高性能器件，与传统的光器件相比，有非常大的优越性。y a b l o n o v i t c h 提出利用光 子晶体制造阈值接近于零的半导体激光器，以及如何利用光子晶体改善太阳能电池的光 电转换效率。“；利用光子晶体所特有的光子能隙可以抑制埋藏在光子晶体中的原子、分 子的自发辐射”；压缩激光脉冲。“；光子晶体材料做成的单模发光二极管具有非常好的 时间、空间相干性，相当于一种激光光源”；普通的平面天线由于衬底的透射等原因， 发射向空间的能量有很多损失；如果用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播， 能量几乎全部发射向空间；用光子晶体材料还可以做成光导纤维，它要比现在的光纤 传输效率高的多。利用光子晶体的非线性效应可以制造调q 开关。“：利用光子晶体做光 波导。由于传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量。理论计算 表明，光子晶体波导可以改变这种情况，这种光子晶体波导即使拐弯9 0 度也具有很高 的效率。“，图1 - 5 ；光子晶体微腔“1 ，在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现 缺陷态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统 微腔要优异的多。最近m i t 研究人员制成了位于红外波段的微腔，具有很高的品质因 子”。光子晶体超棱镜m 3 ”，常规的棱镜的对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶 体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强1 0 0 到1 0 0 0 倍，体积只有常规的百分之一大 小。如对波长为1 0 微米和0 9 微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采 用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到6 0 度阱1 。光子晶体偏振器。常规的偏振器只对 很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较大，不容易实现光学集成。最近， 人们发现可以用二维光予晶体来制作偏振器m 3 。这种光子晶体偏振器有传统的偏振器所 没有的优点：可以在很大的频率范围工作，体积很小，很容易在s i 片上集成或赢接在 s i 基上制成。利用光子晶体的大角度色散特性，可以制作性能优良的光栅、棱镜和波 分复用器件。利用光子晶体还可以做成光开关等器件，在微电子领域发挥作用。“。 总之，光子晶体应用前景广阔，研究其意义重大。 硕士学位论文 绪论 图l 一5 光子晶体光波 1 6 光子晶体光开关的研究进展 自从m s c a l o r a 在1 9 9 4 年提出光子晶体光开关的思想。，人们在理论上进行了 深入的研究，提出了各种实现光子晶体光开关的机理，并在实验上进行积极的探索。 理论研究方面： ( 1 ) 利用缺陷态来实现光开关。1 9 9 7 年，美国科学家p t r a n 在光子带隙迁移机 理的基础上提出利用缺陷态来实现光子晶体光开关的思想“，如图l 一6 所示。根据光 子晶体的光子局域理论，如果在光子晶体中引入缺陷，会在缺陷处引起光子局域而产生 缺陷模。该模式具有很高的透过率。探测光的波长位于缺陷模的中心，开始时能够通过 光子晶体。泵浦光位于光子晶体的导带，且远离光子带隙。由于三阶非线性光 学k e r r 效应，在泵浦光的作用下，光子带隙发生移动，从而使缺陷模式的中心波长相 透过率 波长 图l 一6 利用缺陷态实现光开关 堡圭兰垡兰苎鳌迨 应地发生改变，其结果是缺陷模式的位置发生移动，探测光远离缺陷模式的中心，使探 测光不能通过光子晶体。这样，利用泵浦光的激发作用，使缺陷模式发生迁移，从而实 现对探测光的开、关控制。 后来s l a n 又进一步指出，通过频率相同、场分布不同的两个缺陷模式的耦合， 可以二维光子晶体中实现高效的全光开关“。 ( 2 ) 利用混频机理实现光开关。p t r a n 提出，如果选择泵浦光和探测光均位于 光子带隙中，开始时，探测光不能通过光子晶体。但是，在泵浦光的激发作用下，其和 频( 或者差频光) 位于光子带隙的导带，能够通过光子晶体“。 ( 4 ) 利用光子态密度来实现光开关。p m ，j o h n s o n 提出，通过双光子激发自由 载流予，可以改变三维半导体光子晶体的光子态密度，并且，在一些特定的频率处，态 密度的数值会产生从零一最大值一零的f s 量级的变化“。 ( 3 ) 实现光子晶体光开关的其它方法。l x c h e n “。”和m s o l j a c i c “”讨论了 利用双稳态效应来实现光开关的机理。p t r a n 又提出利用非线性手征材料来实现光开 关的思想“。p r v i l l e n e u v e 等人详细讨论了利用光子晶体波导或者微腔来实现光 开关的方法“”。s p e r e i r a 提出，在一个二维光子晶体中，两个波导之间通过一个 微腔进行能量耦合的结构，可以利用光子带隙光孤子来实现光开关”3 。 实验研究方面， 快速的开关时间响应和高开关对比是光子晶体光开关的两个重要指标。经过不断的 探索，在这两方面都取得了较大的进展。a h a c h e 利用f s 激光脉冲泵浦由非晶硅和 s i o ：组成的一维光子晶体，实现了f s 量级的探测光透过率的变化，使探测光的透过率 改变了1 7 f i 4 om s h i m i z u 以半导体材料( c 6 h 。c 。h 4 n h 。) 。p b i 。作为非线性材料，以f s 激光泵浦光子晶体，实现了2 0 0 f s 的光开关时间响应，探测光的透过率改变了2 0 “。 d a m a z u r e n k o 利用f s 激光泵浦三维s i 基光子晶体，实现了3 0 f s 的超快速光开关 时间响应：通过测量光子晶体的反射谱，发现探测光的反射率改变了1 呻1 。a v s c h e r b a k o 在s i o ：光子晶体模板中填充v o 。，用脉冲宽度为l o n s 的y a g 激光泵浦光子 晶体，利用激光的热效应使v 0 。发生相位跃迁，使探测光的反射率改变了4 0 “。d a m a z u r e n k o 等人在s i 0 2 光子晶体模板中填充s i ，利用f s 激光脉冲泵浦，测量了光予 晶体反射谱的变化“。，发现探测光的反射率改变了4 6 ”3 。 虽然，关于光子晶体光开关的理论和实验研究都取得了比较大的进展，但是，利用 光子带隙偏移机理制造的光开关，由于带边的群速度色散很大，容易造成脉冲的变形。 硕士学位论文 绪论 并且，由于制作技术的原因，很难制造出带边很陡的光子晶体，因此，利用光子带隙偏 移机理制造的光开关的效率不高矗e 们实验室已经利用自组织生长的三维聚苯乙烯光子 晶体实现了带隙移动1 3 r i m 。另外，人们利用在光子带隙中引入缺陷态，利用缺陷态的 移动来实现光开关，理论上，缺陷态的品质因数( q ) 可以很大，可以达到几十万，因 此，利用缺陷态的移动来实现光开关可毗达到很高的效率。但由于制作技术的原因，制 作出的光子晶体微腔的q 值很难达到理论上的数值，这也限制了它的应用。光子晶体光 开关要实行产业化，还有很长的路要走。 本论文主要对光子晶体的制各及它的三阶非线性光学效应进行研究，探讨了它在光 开关方面的应用。对聚苯乙烯光子晶体的带隙及具有缺陷态的聚苯乙烯光子晶体进行理 论计算，通过改变光子晶体的晶格常数、孔的半径及其排列、微腔的大小形状等参数， 找出适合做光开关的光子晶体的结构。基于微加工技术制各出高质量的带有缺陷态的二 维非线性光子晶体，利用材料自身的三阶非线性光学k e r r 效应和快的响应时间来实现 对探测光传输过程的“开”与“关”的控制作用。从而可以在可见光和红外波段很大范 围内实现光子晶体光开关，因而在光计算和光信息处理领域有非常重要的应用。 1 2 硕士学位论文 第2 章光子晶体光开关 第二章光子晶体光开关 光子晶体光开关以光子晶体的光学非线性效应为基础，实现对光子传输“开”与 “关”状态的控制，是光计算机的楱心部件之一，是实现光存贮、光调制以及各种二 值逻辑等光学信息处理功能的重要器件，可以广泛应用于光通信、光计算、光传感和 光学精密计量技术等领域。光学开关的研究，将对光子技术的发展具有深远的影响。 2 1 材料的三阶非线性效应 二阶效应对应于二阶非线性极化，三阶非线性则对应于三阶非线性极化p ”，某一 种三阶效应的强弱直接依赖于它相应的p 。p 。的大小除了与入射光电场的强度有关， 还取决于介质的三阶非线性计极化率的大小。 非线性折射率的存在主要是以下一些物理机制的作用： ( 1 ) 介质内部电子云分布的畸变雨引起介质的极化：这静过程的时l 司响应极快， 一般在1 0 _ 1 4 s 1 0 1 5 s 。 ( 2 ) 分子取向引起的极化：在高强度光电场作用下液晶分子和一些极性液体分 子，重新取向引起介质的极化，这种过程的时间响应在1 旷“s 1 0 1 2 s 之间。 ( 3 ) 电致伸缩效应引起的极化：在强光作用下，介质内部带电质点发生位移，使 介质内部密度的起伏，从而引起介质的极化，其响应时间在1 0 1 s 1 0 “s 。 ( 4 ) 热效应：在强光作用下，介质的温度变化丽引起的极化，这种过程的时间响 应很长，通常在l o - 3 s 的量级。 当一束强激光入射到介质体系中时，介质体系将产生极化。它们在激光场的作用 下发生移动，从而在介质中产生感应的电极化强度p ( e ，) 。电极化强度与入射激光的 电场强度有关， 声( f ，r ) = z 1 置( f ，f ) + z 2 ：豆( 尹，f ) 豆( f ，r ) + 氏z ”；豆( 尹，r ) 豆( f ，f ) 置( f ，f ) + ( 2 1 ) 其中，晶是真空介电常数，z ( ”是介质的线性极化率，z ”、z 3 分别是介质的二阶 和三阶非线性极化率张量。非线性极化率张量z “是表征强光与物质相互作用的基本 参数。与z ( ”有关的效应是三阶非线性光学效应，对应于材料的三阶非线性极化， 硕士学位论文 第2 章光子晶体光开关 卢3 扩，t ) = s o z 3 i 豆妒，f ) 豆( f ，t ) e ( f ，f )( 2 - - 2 ) 在电偶极矩近似条件下，只有缺乏中心对称的介质才存在二阶非线性光学效应， 但是对于三阶非线性光学效应，不管介质具有什么样的对称性总存在一些非零的张量 元，因此，原则上所有的介质都具有三阶非线性光学效应。 三阶非线性光学k e r r 效应，这种效应起源于频率为珊的激光场 1 瓦= 去f - e x p - i ( 珊t k ，) + c c ( 2 - - 3 ) 二 作用于三阶非线性材料所引起的同频率的三阶非线性极化 声( 3 ( 国) z 3 ( 国) 1 占1 2 占e x p 一i ( c o t 一_ j f ) 】( 2 - - 4 ) 将该项与线性极化项合并， 声( 1 ( ) “z ( 1 ( ) 占e x p - i ( 彩t 一石f ) 】( 2 - 5 ) 可得到在激光场作用下介质的折射率 门= h o + a n = 订o + 甩2 j ( 2 6 ) 2 2 光学开关效应的光子带隙偏移机理 光子带隙偏移机理以k e r r 非线性四分之一波长反射器为基础。两束激光作用于光 子晶体，一束强泵浦光，另一束为弱探测光。在泵浦光作用下，激起材料的三阶非线 性光学效应，使探测光能够通过光子晶体或者被反射回来，从而实现开关功能。 2 2 1k e r r 四分之一波长反射器 k e r r 四分之一波长反射器是种维光子晶体，由折射率分别为i 3 1 和n 。的介质交 替排列组成，并且n 。大于r l ，。各介质层的宽度分别为： z ，五 ( 2 7 ) a = 一o = 一 4 玎l4 行2 式中月是激光在真空中的波长。由于布喇格衍射的作用，就形成了以 为中心的光子 带隙。光子带隙的宽度a 国正比于两种介质的折射率之差面， 珊翻：玎2 一_ ( 2 8 ) 2 2 2 激光的激发作用引起材料折射率的改变 对于k e r r 四分之一波长反射器，如果在每一个高折射率介质层都涂有三阶非线眭 硕士学位论文 第2 章光子晶体光开关 光学材料，就形成了一个k e r r 非线性四分之一波长反射器。在强激光脉冲的作用下， 非线性材料产生非线性折射率。，它满足关系式： n m 2 = z ( 3 ) ( 2 9 ) 式中z ( ，) 为所涂材料的非线性极化率，为激光强度。非线 生折射率”。的出现，使 介质的折射率n 2 随激光强度的变化而改变，折射率n 2 满足关系式： 力2 2 = 甄2 + ， ( 2 一l o ) 式中力，为介质的线性折射率，z ( ，是一个小量。折射率的改变将引起光子带隙的偏 移。当线性极化率z 3 ) 0 ，则光子带隙宽度随着光强，的增加而增加。将探测光 作用于光子带隙外，但是靠近光子带隙，此时探测光可以通过光子晶体。泵浦光远离 光子带隙。在泵浦光的作用下，国增加。使探测光落入光子带隙内而被反射，不能 通过光子晶体。从而实现了光学开关功能。 同样，如果非线性极化率z ( 3 ) n 2 码。 x 包层r 1 3 波膜n l 衬底n ： z 图3 - 1 三层平板介