光子晶体进展清华

1、 清华大学清华大学 信息工程学院信息工程学院 彭彭 江江 得得( photonic crystals)光学系统分区光学系统分区( 系统线度系统线度 a, 特征波长特征波长 1 m ：判据：判据 x a / ) 介观系统介观系统 ( a 1- -100 m, x 1)线度不够大：光子线度不够大：光子 “点点”线度不够小：系统线度不够小：系统 “点点” maxwell电磁场理论电磁场理论 线度足够大：光子线度足够大：光子 “点点”宏观系统宏观系统 ( a 1cm, x 1)几何光学几何光学 线度足够小：原子或分子线度足够小：原子或分子 “点点” 微观系统微观系统 ( a 1nm, x 1)eins

2、tein量子力学量子力学( (a 0.1-100nm0.1-100nm, x 1) )纳光子学纳光子学光子晶体光子晶体( (a 0.1-10.1-1 m, x 1) )线度线度 光波长光波长量子电动力学量子电动力学 dwdm 传输：损耗传输：损耗 色散色散/斜率斜率( 偏振模色散偏振模色散) 光学非线性光学非线性 dwdm 控制：复用控制：复用/解复用解复用(mux/dmux) 分插分插/复接复接(add/drop) 交叉互联交叉互联 (oxc) 光子学集成光子学集成(vlsi)(vlsi)：波导弯曲损耗波导弯曲损耗 光通信网络光子学集成光通信网络光子学集成1970s： 异质结半导体材料（异质

3、结半导体材料（ld 室温工作）室温工作） 石英光导纤维（损耗石英光导纤维（损耗 458 nm近场光斑近场光斑 h= 0.006510m 3. 灵活的色散特性灵活的色散特性应用：色散补偿应用：色散补偿/色散管理色散管理/光孤子技术等光孤子技术等22dcndd 大的正色散大的正色散 = 1.4 m = 0.66 d = 250 ps/nm km 平坦的零色散平坦的零色散 = 2.9 m = 0.52 d = 0 ps/nm km 大的平坦负色散大的平坦负色散 = 3.2 m = 047 d = -100 ps/nm/km4. 单纤多芯传输单纤多芯传输 / 耦合耦合应用：多信道光传输应用：多信道光传

4、输 /光纤传感光纤传感, 光控光耦合器件光控光耦合器件5. 空气芯光纤带隙可调空气芯光纤带隙可调 无损耗无损耗 ! 无材料色散无材料色散 !！ 无光学非线性无光学非线性 !！应用：通信应用：通信/传感传感 pump =1536nm signal =1650nm0rcore = 1.6 mlhf = 75maeff =2. 85 mlb =0.4mmpcf 拉曼放大器拉曼放大器g=42.8db nf6dbxpm+narrowband filtering (data rate of 10 gbit/s) lhf = 5.8m, rcore = 2.0 m, aeff =2.93(+/-0.3)m2

5、 50db/km, d=+100 ps/nm-km (1550), =31w-1km-1 control =1551nm, prob =1530-1580nmpcf波长转换波长转换lpg:电调电调 pcf 衰减器衰减器电调电调 pcf 衰减器衰减器dynamic range: 30db, insertion loss:0.8db, pdl:0.5db, :1sec电调电调pcf衰减器衰减器电调电调 pcf 滤波器滤波器 pcf 耦合器耦合器smfhofpcf 宽带波长宽带波长/模选择耦合器模选择耦合器微电子工艺微电子工艺制备工艺制备工艺fig. 1: photonic crystal wave

6、guide in soi. pitch is 460nm, hole-size is 290nm.fig. 2: photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs.248nm duv lithography on soi soi photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400500nm hole sizes：160 300nm.制备工艺制备工艺pbg限制波导限制波导pc微腔复用微腔复用/解复用器解复用器pc滤波器滤波

7、器 共面共面pc谐振腔谐振腔1563 nm1609 nmlcavity=6 m, q=400微腔耦合波导激光器微腔耦合波导激光器( caltech )( mit )光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器-hcl:h2o=4:1 wet chemical etch4 1.2% compressively strained ingaasp qwsslab thichness: 10nm qws separated by 23nm barrierslattice constant: = 550nm, radius of the holes: d=215nmcentral defect cavity:

8、19 holespmmaelectron-beam lithographycr-cu layerar+ ion beam etchsin2 layercf4 reactive ion etchinp substrateingaasp qws regionecr etch 光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器（三维三维）半导体光刻工艺半导体光刻工艺 waves of certain can not enter intoor propagate through the materials.modeldwsiddddayz(a)(b)(c)(d)(e)bfabri

9、cationexamplesi / sio2 gap= 14 % 0,center = 1.5 m溶胶凝胶（溶胶凝胶（sol-gel)sol-gel)法法 sisubstratesubstrate微球尺度 855nm1.3 sio2 - opals ( 模板模板 ) 制备制备th80oc65oc溶胶凝胶（溶胶凝胶（sol-gel)sol-gel)法法 si - inverted opals 制备制备550ocsubstratesubstratesubstratelpcvd (111) surface2层层4层层16层层a. 透射谱：透射谱： 理论理论 实验实验b. 理论计算的光子能带理论计算的光子能带空气球大小：空气球大小： (a, b): 1mm, (c, e): 670nm (100) surfacec. 理论计算的光子能带理论计算的光子能带 b. 反射谱：反射谱： 841nm, 1070nm空气球大小：空气球大小： (d, f) : 855mm(c )(d) patterned photonic crysta