光子晶体微腔的相关研究和应用

1、光子晶体微腔的相关研究和应用摘要：光子晶体是指具有光子带隙的特性的人造周期性电解质结构，因在光传输、囚禁、存储等方面的巨大应用潜力，一直以来备受研究者们的关注，光子晶体微腔就是其中的一种。光子晶体微腔能够很好地将光场束缚在光子晶体缺陷中，并且由于其具有较高的品质因子和较小的模式体积，在光子芯片集成、局域场增强、光子晶体激光器，以及研究光与其他物质相互作用方面具有非常广泛的应用。本文将简单介绍一下光子晶体微腔的相关的研究以及它的一些应用。关键词：光子晶体微腔 基础研究 应用 一、 简介 光子晶体自1987年由Yabonovich 和John提出以来1-2, 因其奇特的操纵光的能力而被广泛应用在物

2、理学和通讯工程中的很多领域，如光子芯片、高品质光学谐振腔、低阈值小型化激光器、超小型滤波器等。其中，基于光子晶体微腔的研究更是引起了人们广泛的关注3-6. 与传统的光学谐振腔相比，光子晶体微腔具有更高的品质因子（）和模式体积（）。这对于应用到高密度的光学集成以及超高精度的光学信息测量等领域具有显著的优势。 我们都知道，对于一个光学谐振腔而言，腔内的光子密度取决于谐振腔的品质因子和模式体积的比值，即。基于光子晶体微腔的高Q值以及微小的模式体积，局域在光子晶体中的光场可以得到极大地增强，此时对于研究光与其他物质的相互作用以及利用光学微腔进行精密测量来说起到了非常重要的作用。 光子晶体微腔和光子晶体

3、一样，是由周期性的结构的介电材料构造而成，通过人工构造不同的周期结构，可以有效的调控光子晶体的色散关系到调控光在光子晶体微腔中的传播。除了增强局域场之外，还可以通过利用光子晶体的慢光效应来增加光与物质的作用时间，从而同样可以增强光与物质的相互作用。 此外，利用光子晶体谐振腔的反馈特性以及局域场非线性的增强，可以用来研究光学双稳态7、随机共振8、量子存储9等非线性光学效应。 基于光子晶体微腔的巨大应用前景，很多的研究者都投身于光子晶体方向的研究。然而，光子晶体的加工一直成为制约这一领域的发展。为了解决这个难题，研究者一方面不断提高实验操作技能，使微加工的技术不断熟练，另一方面不断尝试着新的微加工

4、方法以及优化加工的工艺，不断总结发展出如层状堆垛法、胶体自组织法、全息光刻法等。随着微加工技术的不断发展，光子晶体以及光子晶体微腔的应用将进一步得到推广。 本文将主要介绍光子晶体微腔的相关研究以及潜在的应用。二、光子晶体微腔的相关研究 光子晶体微腔具有较高的品质因子和较小的模式体积，能极大地增强局域场的光子密度，使相关的非线性效应增强。也正是基于这些特性，使得光子晶体微腔在基础研究以及通信领域具有非常巨大的应用前景。1. 超快的光子晶体微腔激光器 对于一个辐射器而言，自发辐射并不是固定不变的，而是与其周围的电磁场环境有关。相比于自由空间，微腔中的自发辐射率可以得到极大地增强，这就是一般而言的“

5、Purcell效应”。“Purcell效应”可以明显的增加激光器的调制速度。Ref. 10 中提出用光子晶体微腔激光器可以将自发辐射率提高75倍并使得响应时间缩短到几个皮秒。这个超快，超高效率的小型化激光器在高速通信、信息处理以及芯片化的光学元件上有极大地应用前景。 注意到，Purcell因子为： . （1）可以看出，Purcell因子与 的比值成正比。而文章所用的光子晶体 值高达 ， 模式体积也非常小（可以从扫描电镜的结构图图1.a看出，缺陷大小为微米量级）。因此，可以明显的提高自发辐射率，使得激光的响应时间达到皮秒量级。此外，高品质因子的谐振腔损耗较小，得到的光谱线特别细锐（由图1.b 可

6、以看出），可以显著的提高光谱仪的分辨本领。图1. （a）样品结构的扫描电镜图；（b）单缺陷态光子晶体激光器光谱，插图为激光曲线 10。2. 光子晶体微腔中的光学双稳 光学双稳是在非线性反馈系统中非常普遍的一种物理现象11。在这个系统中，输入输出关系呈现出类磁滞回线的环型（如图2.a所示）， 因此即使系统材料是瞬时响应的，这个非线性系统对之前的状态有记忆功能。光学双稳已经广泛应用到光学逻辑门器件、存储器、放大器、噪音清除等。而正因为光学双稳如此广泛的用途，早在20世纪80年代就有很多这方面的研究。由于器件尺寸以及工作功率的限制，那时双稳的器件并没有在日常生活中应用地很广泛，研究工作也一度停滞不前

7、。图 2. （a）光学双稳曲线；（b）光子晶体微腔及场强分布模拟图12。 光子晶体微腔的出现为光学双稳的研究打开了一扇新的窗户。和普通的谐振腔一样，光学晶体谐振腔可以提供双稳必要的正反馈，另外光子晶体微腔有效地将光场局域在很小的模式体积内，极大地增加了系统的非线性。从图2.b可以看到，光场在缺陷态中得到了很到的增强，使腔中的非线性极大地增强了。此外，光子晶体微腔一般为二维的，尺寸很小，对于全光器件的集成化显得尤为重要。3. 光子晶体微腔中单量子点真空拉比劈裂 自从20世纪80年代第一次观察到多原子的真空拉比劈裂以来，对其的研究一直成为原子物理中非常有趣的一个领域。此后十年左右，逐渐的提高了谐振

8、腔的 值以及减小腔的体积，真空拉比劈裂已经可以在单个原子中观察到。这打开了原子腔量子电动力学这个领域，之后也有很多这方面的实验。在一个真实的量子系统中，当增加单个光子或单个原子后系统的光学性质得到了很大的改变，因此可以用来研究量子和经典的界限。但因为原子可以移动甚至会逃逸出去，它们之间的耦合与时间有关，很多实验都致力于将原子囚禁在谐振腔中。 光子晶体微腔正好对应着某一个光子禁带，如果将原子或量子点放置在缺陷中，可以有效的将原子或量子点囚禁在里面，增强其量子效应。Yoshie在Ref.13中利用光子晶体微腔研究了腔中单量子点的真空拉比劈裂效应（如图3）。这也正是由于光子晶体高的品质因子以及微小的

9、模式体积特性。图3. （a）光子晶体微腔电子扫描图像；（b）量子点-微腔真空拉比劈裂13。4. 光子晶体微腔在传感器上的应用 除在基础研究上的应用外，高品质因子、小模体积的光子晶体微腔用于生物、化学传感器也是十分有应用前景的。随着光子晶体微腔的发展，越来越多的研究将关注点放在小型波分复用（WD）器件作为系统部件在生物传感器件上的应用。这种被称为“芯片上实验室”的系统可以分析光谱并进行光学信息处理。这些基于光子晶体微腔的小型波长解复用器件之所以能够用于生物传感器，主要是因为它可分离不同波长的光学信道，具有高分辨率的低串扰特性。基于光子晶体微腔的波长解复用有着优越的性能，在传感器制作方面有着很好的

10、前景。 除了基于波长解复用器件的光子晶体传感器，直接基于光子晶体微腔制作的传感器也是可行的，光子晶体微腔的谐振波长会随着材料折射率的变化而改变，只要能将待测样品与材料折射率的改变联系在一起，基于光子晶体微腔的生物、化学传感器将是一种性的可能。Snjezana Tomljenovic-Hanivc等在2009年研究了点缺陷微腔和双异质结构微腔中空气孔半径对基于两者制成的传感器的灵敏度影响，为基于微腔的传感器的研究提供了指导14。5. 光子晶体微腔的慢光效应 前面提到了要增强光与物质的相互作用，除了提高局域场之外，还可以利用慢光效应。通过增加光在腔内出传播的时间，即增加光与物质相互作用的时间，同样

11、可以增强光与物质的相互作用。Ref.15中指出，在如图.4所示的光子晶体微腔中，有： ， （2）其中 为微腔的反射系数， 为出射光的相位延迟。从式（2）中可以看到，通过增加系统的群速度，即使系统产生慢光效应同样可以增加微腔的品质因子。从而达到光与物质相互作用增强的效果。图 4. （左边）光子晶体微腔示意图；（右边）a.群速度随空穴距离的变化，b.出射光相移随空穴距离的变化15。三、总结 本文在第一部分简单综述了光子晶体微腔的一些特性并在第二部分就光子晶体微腔的这些特性简单列举了几个光子晶体微腔在基础科学研究中的应用。总的来说，光子晶体微腔主要的优势在于其较高的品质因子以及微小的模式体积。这就使

12、得缺陷谐振腔中可以极大地增强局域场的强度，大大增强光与物质间的相互作用。随着科学研究的进一步深入以及微纳加工技术的持续发展，光子晶体微腔以及光子晶体的优势必将进一步的凸现出来，未来光子晶体微腔的应用也将更加普遍的出现在我们的生活中。参考文献（Reference）1 Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronicsJ. Physical review letters, 1987, 58(20): 2059.2 John S. Strong localization of ph

13、otons in certain disordered dielectric superlatticesJ. Physical review letters, 1987, 58(23): 2486.3 Gayral B, Gerard J M, Lematre A, et al. High-Q wet-etched GaAs microdisks containing InAs quantum boxesJ. Applied physics letters, 1999, 75(13): 1908-1910.4 Yoshie T, Vukovi J, Scherer A, et al. High

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15、6 Armani D K, Kippenberg T J, Spillane S M, et al. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chipJ. Nature, 2003, 421(6926): 925-928.7 Haret L D, Tanabe T, Kuramochi E, et al. Extremely low power optical bistability in silicon demonstrated using 1D photonic crystal nanocavityJ. Optics express, 2009, 17(2

16、3): 21108-21117.8 Amann A, Khunsin W, Kocher G, et al. Stochastic resonance in photonic crystal growthC/SPIE Fourth International Symposium on Fluctuations and Noise. International Society for Optics and Photonics, 2007: 660321-660321-8.9 Lvovsky A I, Sanders B C, Tittel W. Optical quantum memoryJ.

17、Nature photonics, 2009, 3(12): 706-714.10 Altug H, Englund D, Vukovi J. Ultrafast photonic crystal nanocavity laserJ. Nature Physics, 2006, 2(7): 484-488.11 Saleh B E A, Teich M C, Saleh B E. Fundamentals of photonicsM. New York: Wiley, 1991.12 Soljai M, Joannopoulos J D. Enhancement of nonlinear effects using photonic crystalsJ. Nature materials, 2004, 3(4): 211-219.13 Yoshie T, Scherer A, Hendrickson J, et al. Vacuum Rabi splitting with a single quantum dot in a photonic crystal nanocavityJ. Nature, 2004, 432(7014): 200-203.14 Wu Y D, Shih T T, Lee J J. High-quality-factor filter based o