1、光纤通信用光子晶体器件的进展解析*:光纤通信用光子晶体器件的进展光纤通信用光子晶体器件的进展*(*,重庆400065摘要:光纤通信已经成为当今信息社会不可或缺的神经系统。光纤通信系统的核心元器件光电子晶体器件,是近年来迅速发展起来的一类微纳米器件,可以操控光子的运动行为,并具有损耗极低、体积小、易集成的优点。本文介绍了光子晶体及其特征,概述了光子晶体器件的基本工作原理、器件结构以及各种光子器件的现状和发展趋势。关键词:光纤通信;光子晶体器件;发展趋势Development of photonic crystal devices used in optical fibercommunicatio
2、n*(*,Chongqing 400065, P. R. ChinaAbstract:Optical fiber communication has become the nervous system in the modern information society. The core component of the optical fiber communication system is the photonic crystal device, developed rapidly in recent years as a class of micro-nano devices, whi
3、ch can control the behavior of the photon, and the device has the advantages that it has low loss, small size and it is easy to be integrated. Photonic crystal and its characteristics were introduced in this paper; summarizing the basic principle of work, the structure of device and the present situ
4、ation and development of the various photonic devices.Key words:Optical fiber communication;Photonic crystal devices;Development trend0 前言光纤通信主要是指利用激光作为信息的载波信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统。现代微电子技术从20世纪中期诞生以来,以每18个月单芯片数据密度增加一倍的摩尔定律高速发展,极大地推动了现代科学技术的进步和社会经济的飞速发展。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时,通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制;而线宽减小
5、到深纳米尺度时,相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术,并尝试用光器件来替代部分传统电子器件,以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级,并能与微电子电路集成在同一芯片上。目前比较有效的方法有三种:纳米线波导,表面等离子体和光子晶体1。其中,光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点,被认为是最有前途的光子集成材料,称为光子半导体2。它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动3,4。由于其独特的特性,光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件,在
6、光通讯上也有重要的用途,如用光子晶体器件来替代传统的电子器件,信息通讯的速度快得无法想象。用光子晶体做成的光子集成芯片,可以像集成电路对电子的控制一样对光子进行控制,从而实现全光信息处理,在全光通有着诱人的应用前景。工作于可见光波段的光子晶体器件典型尺寸通常为微米、亚微米量级,却可实现导光、分光、滤光以及波分复用等很多功能,非常有利于光路集成。目前,电路芯片集成度已经逐渐受到“电子瓶颈”效应的限制,这是因为电子带电荷,相互之间存在库仑作用,互相干扰,产生热效应,因此集成度过高时将严重影响传输速度,而光子呈电中性,并具有高于电子好几个数量级的传播速度,不仅可以大幅提高集成度,还可以大幅提高信息传
7、递速率。光子晶体器件还有一个突出优点:损耗极低基本可以实现无损传输,这对于光通信产业来说是梦寐以求的事,它意味着可以节约大量的光中继放大设备,极大的降低建设成本,同时很多相应的通信技术难题如:光放大后的信号畸变问题、光传输中的电子瓶颈问题等也迎刃而解。光子晶体器件的研究已经引起国内外众多知名科研机构和公司的广泛重视,形成了包括材料学、物理学、化学、微细加工、电子工程、微电子等多学科交叉的研究热点5。1 光子晶体及其特性近年来,光子晶体及其器件引起州门的普遍关注,并成为当前光电子技术研发的一大热点。光子晶体是指具有光子带隙结构的一种人工材料,它是直接类比电子禁带材料的结果。众所周知,电子禁带是一
8、种能带结构,它能有效地阻止电子通过半导体,凡是处于电子禁带以下的电子都不能游动,因而不能形成电流。然而,一旦少量的多余电子获得足够的能量而跃迁到导带上,这些电子便可在广阔的能量空间遨游。同样地,电子的缺失也可在禁带以下形成带正电荷的“空穴”,空穴的定向运动也即刻形成电流。微电子及其应用就是建立在对这些电流精确控制的基础上,例如半导体的开关和逻辑功能就是来源于对禁带以上电子和禁带以下空穴增益性的控制。我们把具有这类现象的材料称之为电子禁带晶体,大家熟知的半导体Si和IIIV族化合物就是这类电子禁带晶体,而电子禁带的存在和性质主要取决于材料的原子类型及其周期性的晶格结构,即晶格的形状和间距。周期性
9、晶格结构的尺度为电子德布罗意波长的量级(约150m。人们经过多年的研究,于1987年提出光子禁带(或称光子带隙的概念6。光子禁带材料,亦称光子晶体,它是指在某一能量范围的光子不能通过具有光子带隙的材料或者在这样光子带隙材料中产生的光子不能传播。光子带隙用下式表示:(=2PBGaa c=光子带隙(1 式中,是光波角频率,c是真空中光速,a是晶格间隔(晶体常数,是光波波长。光子晶体对光子具有阻光性或局域光性,这种阻光性是由于光子晶体具有周期性的折射率变化的结构所致。那么,我们自然想到的光波导。利用光子晶体阻光或局域光的特性制作的光波导称之为光子晶体光波导。光子晶体光波导又如何导光呢?这是我们关心的
10、问题之一。研究表明,只要破坏光子晶体的晶格结构,便可破坏它的阴光性或局域光性。最简单的办法是在光子晶体中引入缺陷,使之形成缺陷态,那么,光子便可在缺陷中传播。例如,在光子晶体中引入一个线缺陷,便可形成一个二维(D2的光子晶体光波导,利用2D光波导在传播方向的延伸便可构成三维(3D光子晶体光波导,这就是光子晶体光纤;在光子晶体中引入一个点缺陷或一个环形缺陷,便可构成一个纳米尺寸的微谐振腔(称之为纳米谐振腔或环形微谐振腔(称之为环形谐振腔,利用这些谐振腔便可制作出光子晶体激光器;在光子晶体光波导附近引入一个点缺陷,通过改变点缺陷的尺寸,便可制作出光子晶体滤波器;通过两条靠得很近的光子晶体光波导之间
11、的消失场耦合,便可构成一个光子晶体丰禺合器。利用这种耦合器和弯曲光波导的组合,便可制作出光子晶体波长复用/解复用器;利用上述光子晶体器件便可在单片的光子晶体平板上制作出光子晶体集成光路。在光纤通信系统中,光子晶体有.两个最具吸引力的应用:一个是光子晶体光纤;另一个是2D 光子晶体器件。光子晶体光纤具有不同于常规光纤的特性,利用它的神奇特性可以制作出高性能的光子晶体光纤及其器件(如光纤放大器和光子晶体光纤激光器。2D光子晶体器件最具吸引力的是它的尺寸进入纳米或微米量级,为超微型化器件提供可能性。以低阈值和无阈值为特色的光子晶体激光器是2D光子晶体器件最具亮点的光电子器件。2 现阶段发展的几类光纤
12、通信用光子晶体器件2.1 光子晶体光纤2.1.1 光子晶体光纤的结构光子晶体是一种人工制造的具有周期晶格结构的材料。最简单的光子晶体就是一块玻璃上钻有许多规则排列的空气孔阵,如果在这样的玻璃块的中心再钻一个较大孔径的孔,便构成最简单的光子晶体光纤,空气孔就是它的晶格,空气子间中心距离就是它的晶格常数。中心孔就是光纤的导光区,周围的空气孔阵就是它的包层。这样的光纤的导光依赖于包层表现出的光子禁带效应以及中心处的不完全禁带效应,把这样结构的光纤称之为光子禁带效应光子晶体光纤。然而,这种光子晶体光纤只能用作演示使用。因为它要求空气孔阵的排列十分地精确,且要求空气孔的直径较大。真正具有实用性的光子晶体
13、光纤是全内反射型光子晶体光纤,它的导光方式类似于传统光纤的全内反射原理,即利用中心缺陷区和缺陷区外周期结构之间的有效折射率差,而不是依赖于光子禁带效应,把光子局域在高折射率的纤芯中(缺陷区中。这种光纤和光子禁带效应光纤相比,无论在理解上和制作上都更为简单,因为它沿用经典的全内反射来解释导光机制,同时在制作上空气孔不需要十分精确地排列,更适合于制作。因此,具有实用价值的光子晶体光纤大多是全内反射型光子晶体光纤,图1示出了其结构示意图。空气孔阵列中心缺陷区图1 全内反射型光子晶体光纤2.1.2 光子晶体光纤的特性光子晶体具有许多不同于传统光纤的特性,概括起来有三个重要特性:(1 单模传输特性任何普
14、通光纤都有其截止波长,只有当传输光波的波长大于截止波长时,才能实现单模传输。然而,对于光子晶体光纤来说,只要满足空气孔足够地小,且空气孔径与空气孔间的中心间距之比(简称孔比率满足一定要求(如孔比率0.2,便具有水无休止的单模传输特性7。(2 色散特性由于光厂晶体光纤可以使用同一种材料制成,例如它的中心缺陷孔填充2SiO,这样的光子品体光纤的纤芯和包层可以做到完全的力学和热学的匹配,也就是说,纤芯和包层间的折射率差不会因为材料的不相容而受到限制。从而可以在非常宽的波长范围内得到较大的色散。(3 双折射特性光子晶体光纤具有比普通光纤还高的双折射度,只要破坏光子品体光纤的截面的圆对称性便可得到高的双
15、折射度。例如,通过减少一些空气孔或改变一些空气孔的半径都可得到高的双折射度(3110-8。图2示出通过缩小一些空气孔的半径而获得高双折射度的光子晶体光纤的截面示意图。 缩小的气孔周期性多孔结构图2 光子晶体光纤的截面示意图2.1.3 光子晶体光纤的设计制作光子晶体光纤具有很大的设计自由度,例如可以选择空气孔子的半径尺寸、空气孔中的填充材料晶格常数、缺陷区的形状和尺寸、缺陷区的填充材料等等,设计出具有不同模式特性、不同非线性、不同带隙、不同色散以及不同双折射特性的光了品体光纤。光子晶体光纤制作方法也是通过预制玻璃棒拉丝而成的,但是它的预制玻璃棒的横截面具有特殊的结构。拉制普通光纤的预制玻璃棒的横
16、截面结构同于细丝光纤的横截面结构,而光子晶体光纤的预制棒是一束紧密堆积排列的石英毛细管。这种有小气孔的二维结构在光传输方向延伸并多次复制这种石英毛细管的堆积排列,便可拉制出符合设计的空气孔径和空气孔间距的光一子品体光纤。 2.2 光子晶体光波导2.2.1 光子晶体光波导的结构在2D 光子晶体中引入一个线缺陷,形成线缺陷态,光波便可以在线缺陷态中传播,这便是光子晶体光波导。如果在2D 光子晶体引入一个点缺陷或环形缺陷,便可构成点缺陷谐洞空或环形缺陷谐振腔,为光子晶体激光器的谐振激射提供可能性。引入缺陷的方法十分简单,丢失光子晶体中的一排或多排介质棒或空气孔便构成光子晶体波导,如图3所示。光光波导
17、2-D 光子晶体介质膜空气孔图3 2D 光子晶体光波导在实际应用中,光子晶体波导不可能总是直波导,弯曲波导占有重要的比例。弯曲波导的弯曲损耗是不可忽视的重要参数。为克服弯曲引起的损耗,通常可采用两种办法9:一个是放大弯曲段,使几何轴与光场重合;另一个办法是开腔弯曲,即在拐角处安放一个90弯曲的开腔,同时设计低Q 值的腔,以保证合理的传输带宽。图4示出改善光子晶体弯曲波导弯曲损耗的办法。开腔弯曲是最好办法,在制作时为使呈现图4所示构形,有的地方需要增加一些空气孔,而有的地方需要去掉一些空气孔。场轴几何轴图4 改善弯曲波导弯曲损耗办法2.2.2光子晶体波导与光纤的耦合在实际应用中,光子晶体波导和光
18、纤的耦合是必不可少的。为保证光子晶体波导和光纤之间的有效耦合,必须同时满足两者间有好的模场匹配和传播常数匹配。目前已提出两耦合方法:一种是消失场祸合,另一种是把光纤放在波导顶上,并与线缺陷平行。两种方法都采用锥形光纤。尽管两种方法有州以的结果,但从实用和安装考虑,消失场耦合方法更可取10。这种方法有两个好处:一是光纤模的尾可以延伸到波导中,从而改善波导和光纤的模式交迭;二是可消除直接对接丰禺合的背反射。利用这种方法己实现优于90%的传输效率和12mn 的带宽(FWHM。如果增加两者的场交迭,还可增加其带宽。2.3 光子晶体激光器光子晶体激光器是最具吸引力的2D 光子晶体有源器件,因为这种激光器
19、不仅具有微米甚至纳米量级的器件尺寸和极低阈值或无阈值的激光器11 12,而巨是制作光子晶体集成光路的重要有源器件。2.3.1 光子晶体激光器的结构光子晶体激光器是一种基于2D 光子晶体平板的微谐振腔结构的光发射器件。最具实用的光子晶体平板是具有2D 空气孔阵图案的光学介质平板,即在光学介质薄膜上排列着周期结构的空气孔阵。这样的结构具有光子带隙(PBG 的晶格结构,空气孔间的距离为a ,对1.55m 波长来说,a 约为500nm ,空气孔半径r 比a 小,约为150400nm 。晶格结构可以是矩形、三角形排列,也可以是蜂窝状或六角形排列。但实用中使用得最多的三角形或六角形排列的晶格结构。特别是三
20、角形排列的晶格结构,更有利于降低光子晶体弯曲波导的损耗和增宽TE 模偏振的带隙。在这样的2D 光子晶体平板中引入环形的线缺陷和中心点缺陷,分别可构成环形波导谐振腔和点缺陷的纳米腔。图5分别示出光子晶体激光器的结构。在纳米谐振腔的光子晶体激光器中,它的中心孔半径只有围绕它的空气孔半径的25%。在六角形波导环形谐振腔的光子晶体激光器中,它的谐振腔由六条直波导和六个120“角的弯波导构成。如果在2D 光子晶体平板内设置多个不同几何尺寸的微谐振腔,只要保证微谐振腔处的介质膜层是有源层,便可在同一平板内制作出相间距离小于5m ,并以不同波长工作的光子晶体激光器阵列。这样的器件可用作密集波分复用系统的紧凑
21、多波长光源。直光波导弯光波导六角形波导环形谐振腔图5 光子晶体激光器的结构2.3.2 光子晶体激光器的制作就目前而言,光子晶体激光器的应用主要征对1.55m 光纤通信,故光子晶体激光器的材料主要是/GaInAsP InP 材料系统,其制作方法可归纳为外延生长、制作光子晶体的晶格结构和微腔调结构、形成悬浮的光子晶体平板。 (1 外延生长自先在InP 衬底上用MOCVD 方法生长50nm 厚的GaIhAsP 下包层,然后在平板中心生长隐埋应变补偿的GaIhAsP 多量子阱有源区。阱层和势垒层均为GaIhAsP (势垒层的带隙为1.2m ,厚度分别为6nm 和10nm 。接着在有源层上再生长50nm
22、 厚的GaIhAsP 上包层。上、下包层的材料同于量子阱的势垒层材料。整个外延层厚度约为200nm ,这个厚度就是2D 光子晶体平板的厚度。(2 制作光子晶体的晶格结构和位相调结构采用电子束光刻和化学辅助离子束蚀刻技术,在外延生长的薄膜上制作出带有微腔的光子晶体平板。需要注意的是,离子束蚀刻必须穿过有源层并直至InP 衬底层。 (3 形成悬浮的光子晶体平板用(2:4:1HCl H O 溶液选择腐蚀InP 牺牲层,最后得到具有独立方式的光子晶体激光器平板,这样的平板只支撑TE 偏振的基模。经解理、切割得到如图5所示的光子晶体激光器。2.4 光子晶体滤波器2.4.1 光子晶体滤波器的结构利用光子晶
23、体波导和靠近波导的点缺陷可以制作出一个光子晶体滤波器,图6示出其结构示意图。如图所示,当光子晶体波导中传输的复用光信号的一个光波与缺陷光模具有相同频率时,通过波导和缺陷之间的消失场耦合,具有相同频率的光子便被缺陷俘获,被俘获的光子从缺陷区发射到自由空间中。图中,频率为f1的光子就是通过这个过程下载的。由于缺陷模的频率是由缺陷的几何尺寸(半径决定的,只要在靠近波导的光子晶体平板中设置多个不同几何尺寸的缺陷,就可行到不同的缺陷模频率。这样便可将不同频率的复用光信号从不同尺寸缺陷中下载出来。图6 光子晶体滤波器结构2.4.2 光子晶体滤波器的设计与制造在设计光子晶体滤波器时,最重要的工作有两个:一是
24、下载(或滤掉所需频率(或滤掉不需频率的光波;二是尽可能下载(或滤掉大的信号光功率。为此,必须调谐缺陷谐振频率和调节缺陷发射效率。缺陷模的谐振频率(或谐振波长是与缺陷尺寸直接相关的,图7示出其关系,图中实心圆表示实测结果,空心圆表示使用三维FDTD 。方法计算的理论结果,二者基本吻合13。从图中可知,缺陷模的谐振波长随缺陷半径增加而下降,这是因为当缺陷半径增加时,缺陷的有效折射率下降,导致谐振频率增加(或谐振波长下降。因此,通过调节缺陷的半径便可实现谐振频率(或谐振波长的调节。 *：光纤通信用光子晶体器件的进展 在 InP 衬底上用 MOCND 方法外延生长厚度 为 0.2m 的 GaIhAsP
25、（ lg = 1.1mm ）层，接着 用电子束光刻和离子束蚀刻技术刻蚀出预先设 计的光波导和缺陷的光子晶体平板，平板的晶格 结构是三角形排列的空气孔阵。 1600 0.265 谐振频率(c/a 谐振波长(nm 1550 0.270 0.275 1500 0.280 0.285 0.50 0.55 0.60 0.65 现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发 射器和高亮度的发光二极管。而当每个家庭都连 接到一个光纤网络的时候，与如今“视顶盒”类似 的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而 不是笨重的光纤和硅回路。在五年的范围内，我 们应该制造出第一个实用光子晶体 “ 二极管 ” 和 “晶体管”
26、；在五到十年里，我们能制造出第一个 光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下 来的二十年内，由光子晶体驱动的光子计算机应 该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚 至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并 且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。 基 于 介 质 材 料 ( 如 SiO2 或 半 导 体 材 料 (GaIhAsP/InP 上并以空气孔阵或介质棒矩阵为 晶格结构的光子晶体以其独特的阻光和导光特 性，在光纤通信中有着广泛的应用前景，光子晶 体光纤和 2D 光子晶体器件就是两个重要的应用 项目。 光子晶体光纤以其优于普通光纤的特性，在 光纤传输、色散补偿和光纤放大器及光纤激光
27、器 中独放光彩，新型的光子晶体光纤及其光纤器件 将更新一代光纤通信。2D 光子晶体器件是新一 代光电子器件，它以微小器件尺寸为特色。基于 点缺陷的纳米腔光子晶体激光器以其极低甚至 无闽值泵浦功率为特色；基于 2D 光子晶体光波 导和点缺陷的光子晶体滤波器以其独特的滤波 方式革新一代光滤波器；基于光子晶体波导耦合 器的光子晶体波长复用 /解复用器把器件尺寸从 毫米到厘米级降至几十微米到几百微米级。除上 述光子晶体器件外，还有很多的光子晶体器件正 在设计之中。这些器件的发展和应用，无疑对光 纤通信发展是一极大的推动力。尽管目前光子晶 体器还未进入工程应用，但已显现出巨大的吸引 力。可以相信，光子晶
28、体及其器件在光纤通信中 会得到应有的重视，并将会变为一个巨大的产业。 1450 图 7 缺陷横谐振频率与缺陷尺寸的比较关系 对 1.55m 传输波长来说，2D 光子晶体平板 的参数如下：a=0.45pm，空气孔半径 r=0.15m， 缺陷半径0.55a，缺陷到波导距离 d=（24）a。 然后用 HCl : H2O = 3:1 溶液选择腐蚀掉形成图 案的 GaIhAsP 层下面的 InP 衬底， 使之形成悬浮 的平板结构。最后解理 2D 光子晶体波导的一边 或两边，形成长度为 200m 的光子晶体滤波器。 通过在 2D 光子晶体平板上靠近波导的地方 设置多个不同半径缺陷，可使用上述方法制作出 W
29、DM 系统应用的波长解复用器。由于这种滤波 器的微型化特点，在 DWDM 系统中有很大的潜 在应用市场。 3 光子晶体器件的发展趋势 作为光半导体，光子晶体对光的完美控制能 力引起了研究者越来越广泛的注意。人们在应用 光子晶体的过程中，进一步扩展和丰富了光子晶 体器件的种类和功能14。 本文简要叙述了光子晶 体的重要物理特性和光子晶体器件的最新进展。 本文通过查阅文献认为今后光子晶体器件的发 展趋势将会呈现如下的特点：基于光子带隙的光 子晶体器件功能会更复杂，特别是各种动态可调 器件将不断涌现；慢光器件的色散、损耗以及带 宽性能将不断提升；更多的功能结构和自准直效 应集成，器件性能得到不断改善
30、；光子晶体负折 射器件将会进一步向低损耗，可见光频段，全方 向负折射的方向发展。 许多光子晶体的基本应用已经在市场上出 6 4 结 论 本文论述了光子晶体及它的特征，介绍了光 子晶体器件的设计方法和加工制作。接着介绍了 现阶段发展的一些光子晶体器件，并且对光子晶 体器件未来的发展方向作了展望。 随着对光子晶体的各种物理现象的深入了 解和微纳制作技术的进步，光子晶体器件的功能 将更加丰富，将会有更多的光子晶体器件进入实 *：光纤通信用光子晶体器件的进展 用阶段。光子晶体正在引发新世纪的光子技术革 命。目前国内光子晶体的研究呈现出欣欣向荣的 局面15，但离国际水平尚有一定差距，特别是在 光子晶体的
31、制作技术和器件应用方面。进一步加 强光子晶体的实验研究，努力促进针对实际应用 需求的光子晶体器件的开发，对于我国赶超国际 先进水平，增强在计算机、光通信以及纳米光学 领域的竞争力具有十分重大的意义。 参考文献： 1 周治平，郜定山，王毅等.硅基集成光电子器件 的最新进展 J. 激光与光电子学进展， 2007 ， 44(2:31-38 2 Soljacic M, Joannopoulos JD. Enhancement of nonlinear effects using photonic crystals J.Nature Materials, 2004, 3(4:211-219. 3 E.
32、Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987. 4 S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987. 5 王毅峰.光子晶体光滤波器的研究D.北京:北京 邮电大学，2006. 6 Skorobogatiy M. Transitioning from micro to nano-photonics with Photonic Crystal FibersJ. Applied Optics, 2009, 11: 085102. 7 Gao J, Zhang X, Zhou H L, et al. Dispersion and nonlinear property in dispersion flattened photonic crys
