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光子晶体集成光电子器件(4)

2013-09-16 01:13

　　

4 光子晶体有源集成光学器件
　　
　　光子晶体的应用不仅体现在上述的无源集成器件中,更将其优势突显于各种有源发光器件中.一般光源的发光机制都是由高能态向低能态跃迁时将能量以电磁波的形式向外界辐射,不同的能级间的能量差决定了所辐射光子的频率.而人工制作的光子晶体可以人为地控制光子能带以及带隙的位置和宽度.当把发光材料与光子晶体结合起来时,就会出现各种新颖的现象.
　　激光器的应用已经深入到国防､与民生的方方面面,无论是生产还是科研领域都对激光的应用提出了更高的要求.激光器的线宽是衡量激光品质的重要因素,以往由于原子的自发辐射和热增宽等现象的存在,使激光输出线宽的压窄受到限制.光子晶体的应用恰为这一问题提供了解决的方案.通过合理的设计使由于自发辐射和热增宽等产生的光子正好落入光子晶体完全带隙内,受到带隙屏蔽的光子无法向外辐射,激光的输出线宽将被进一步压窄.同时点缺陷所形成的高Q谐振腔可以降低激光器激射的阈值功率,这意味着以更小的抽运能量输入就可以产生与较大抽运输入相同的效果.
　　光子晶体还可以提高发光二极管的发光效率.传统发光二极管发出的光中,有很大比例的能量转化为平面内传播的波导模式,只能从发光二极管的侧面辐射出去,由于侧面的面积远小于上表面的面积,发光效率受到了极大的限制.一个有效的解决方案是在发光二极管的表面制作上一层二维光子晶体,由于平面内光子带隙的存在,使得平面内传播的波导模式受到很大的抑制,从而大大提高光沿发光二极管垂直方向的辐射效率.
　　光子晶体的出现更为许多发光材料的开发拓展了思路,以往被认为由于荧光的难以控制而无法用作可靠光源的材料,比如氧化锌材料,都在光子晶体的带动下加入到有源器件的行列中,成为了新一代光源的研究方向. （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.Com编辑整理）
　　集成化的光学器件不仅包括光信号的产生,还需要在传送的过程中进行适当的调制.光开关是对光信号调制的一个重要方面.本研究组在这方面也开展了大量的工作:主要是利用光作用在非线性材料上,当入射光强与介质中原子内场强度相当时,将激发介质的高阶极化,改变了材料的折射率,实现开关效应.利用光子晶体作为光开关时,介质折射率的周期性分布使光子晶体本身产生带隙,落入带隙中的光信号无法通过晶体,此时光开关处于“关闭”的状态,当有强抽运光入射到晶体上,由于晶体材质本身折射率在非线性作用下发生变化,破坏了初始的能带分布.在合理地选择晶体材质与抽运光的情况下,原先带隙的位置及大小受到调制,使原本落在带隙中的光子进入导带,光信号通过晶体继续传播,实现了光开关的“开启”功能^[16].通过对光子晶体更为复杂的设计,还有望实现具有逻辑功能的光学开光,如双稳态光开关,通过多束光的共同作用,使信号输出满足各种需求^[17,18].
　　
　　5 光子晶体集成光学回路
　　
　　信息处理“全光子化”的概念包涵了光信号的产生､调制､接收､处理､返回等全部过程.光子晶体器件的出现更使这种“全光子化”与微型器件的高度集成化合而为一.各类基于光子晶体的有源发光器件提供了光信号的来源,光子晶体光开光又使输入光信号受到调制.调制后的信号通过光子晶体波导元件实现高效低损耗的传输与分流,经波分复用器件下载到每个分路中.分路中的光信号各自受到新的调制后,重新汇聚到主干通道中,返回接收装置.由于每一部分的器件在所用材质与尺度大小上十分相近,由光子晶体所构成的微型器件光学回路避免了与传统光学器件之间耦合时由于模式失配而引起的大幅度损耗,同时制作集成光学回路的每种光子晶体器件所用材质相同或相近,这就为实现光路一体化提供了有利条件,配合日益成熟的加工制作工艺,为利用光子晶体器件实现全光网路的集成化展开了蓝图. （科教论文网 lw.nseaC.Com编辑发布）
　　
　　6 结束语
　　
　　任何一种新的技术手段的出现都是在人们生产与生活的需求推动下应运而生的.任何一种新技术的成长也是要经历漫长的探索和不懈的尝试才最终得以完善.光子晶体自提出至今已有20年的时间,对它的研究遍及世界范围,从最初概念性的尝试到如今成品化器件的出现,可以看到光子晶体的应用已逐步向实用化迈进.对光子晶体器件设计构思的不断改进,以获得更高效､更稳定､更精密的器件性能为目标,同时继续向更深更广的层面上探索尚未发现的新功能.而实用方面,降低制作难度,减少成本投入,增强稳固性,这也是光子晶体器件用于光学集成所必须实现的目标.虽然仍有许多困难需要克服,但光子晶体无论用于有源还是无源光电子器件的优势已经突显出来,实现了前所未见的功能和效应.相信随着对这一领域研究的深入发展,将进一步推动光子晶体器件的全光集成化,为光电子通信领域带来全新的景象.

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