光子晶体集成光电子器件(3)

线波导在原有光子晶体的带隙中开辟了一定频率范围的导带区域,点缺陷的形态决定了缺陷模的数量以及位置.当把这两点结合起来时,更为精密和复杂的集成光学器件便应运而生:这便是各种类型的波分复用器件.首先介绍滤波器.滤波器部分是波分复用器的主体,也是目前二维平板光子晶体应用的重点研究方向.在滤波器的制作中起决定性作用的是微腔,微腔形成的点缺陷模限定了滤波器的工作范围.通常滤波器由若干个微腔组成,微腔本身兼具耦合与选频的双重作用.滤波的方法包括直接耦合滤波与间接耦合滤波.直接耦合滤波器是将微腔与波导作用在一起,具体又可以大致分为嵌入式(见图7(a)和图7(b))与连接式(见图7(c))两种,其中图7(a),7(b)中的两类转弯分支波导已经做了优化设计^[11,12].嵌入式滤波器将微腔直接放在线波导内,控制微腔的数量和位置选择不同的光信号通过.连接式滤波器则把线波导断开,通过微腔共振连接线波导两端^[13].无论是哪种形式的直接耦合滤波器,都可将光信号直接作用于微腔,只有与腔缺陷模相匹配的光子能继续传播,其余光子则不能通过波导.这种滤波器的优点在于腔与波导的耦合效率高,避免了共振耦合时距离等因素对耦合效率的影响.
　　间接耦合滤波器把微腔与波导分离开,波导与微腔在光子晶体平面内存在一段距离,二者通过平面内的倏逝波耦合实现光信号传送.距离的存在为调整输出信号的品质因子提供了有效手段,本小组的一项工作就是利用调节波导与微腔以及微腔边缘原子位置而得到的高精度间接耦合的双通道滤波器.在这种滤波器中,微腔边缘的原子向外侧分别移动了10和20nm,最后得到了波长间隔仅为1.5nm的两路共振输出光信号,实测共振峰值曲线由图8给出^[14].以这种滤波器为基础继续开发了间接耦合的四通道滤波器(见图9),同样得到了较为理想的结果.在长期的试验过程中,本组还发现了光子晶体中原子形态对于晶体和缺陷的模式调制作用,并首次利用这种新型的调制手段制作了间接耦合四通道滤波器.由图10可以看到,经过对原子形态的合理设计,可以使各个通道的输出信号精确到几个纳米^[15].其原理是采用椭圆形的空气孔,调节椭圆的长短轴比例和长轴的指向,可以精密地调控微腔的共振频率.无论是哪种形式的耦合滤波器,其基本工作原理都在于:线缺陷组成了滤波器中的输入主通道和各个输出分支通道,由主通道输入的光信号包含不同波长的光子,只有与微腔缺陷模相匹配的光子才能通过微腔与输入波导之间的共振耦合转移到相对应的微腔中,随后再通过微腔与输出波导之间的共振耦合沿各个输出波导输出.如此主通道中的信号被分别“过滤”到相对应的输出波导中,实现了信道下载功能.不难想象,如果将整个过程逆转过来:控制光信号从各分支端输入,再由微腔通过共振耦合使光子重新回到主通道中就形成了信号的上传功能.信道上传､下载两部分分别作用再集合为一体,这就实现了波分复用器的基本功能,对实现光子晶体集成光学器件有着重大的意义 （科教论文网 lw.nseaC.Com编辑发布）
光子晶体集成光学器件的另一典型应用是在二维平板光子晶体中实现Mach-Zender光学干涉仪的功能.与传统光学干涉仪相似,作用于二维平板光子晶体的Mach-Zender干涉仪同样由两条光路组成.由线缺陷构成的主通道经过分支波导后分为相位相同的两路光信号.这两路光信号在继续传播的过程中受到不同的相位和振幅调制,产生调制机制的正是光子晶体本身.光子经过晶体的过程中,由于受到周期性折射率分布的调制,会使相位和群速度受到影响,出现相位滞后或群速度变慢等效应.当两个支路的光子晶体结构有差异,比如说折射率反差不同时,两路光信号传播会受到不同程度的调制,当通过两路分支波导后再汇聚时,由于相位的差异将在输出端产生干涉,或相加性干涉,或相消性干涉,依赖于输入光信号的频率.
　　
　　高品质因子(Q 值)光子晶体微腔对光子晶体的应用具有举足轻重的作用.一个光学性能优异的微腔不仅为光耦合传输提供了保证,而且其本身作为光学共振腔的存储和发射光子的作用更为重要.如何提高光子晶体微腔的品质因子这一问题已研究多年,虽然方法层出不穷,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存储的稳定性,减少向周围环境的辐射.Painter 小组从傅里叶频谱与光子动量的转换关系出发,制作了Q值达到13000的微腔^[19,20],但研究的进展还远不止于此,随后Q值的增长呈现出以若干个数量级为单位的趋势.由于微腔由点缺陷构成,缺陷与周围晶体在电场分布上会出现相当“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解决这一问题就需要将腔内电场分布改善为理想高斯型分布,由中心向腔两端对称平缓递减.这样的模式分布使得腔内电场的低空间频率的分量(泄露模式)大幅度减少,从而使腔内光场能量向周围空气背景辐射的几率大大降低了,Q值显著提高.本着这一原则,Noda 等人首次尝试通过精细地改变微腔边缘对称空气孔(一对或更多对)的位置(图11(a))得到了Q=100,000的微腔^[21],并从实验上证实这种微腔的共振峰半高全宽仅为0.022nm.另一种调Q机制是利用光子晶体的带隙效应.Noda小组提出,当微腔和两侧区域由不同晶格常数的光子晶体拼接而成时,如果可以将微腔的共振频率设计在两侧光子晶体的带隙中时,理论发现,这种所谓的“异质结结构”的光子微腔,其电场分布十分接近于理想的高斯型分布.该微腔结构如图11(b)所示.他们设计和制作的微腔达到了600,000的高品质因子输出,预计通过优化有望达到20,000,000的惊人结果^[22].

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