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激光与光电子学进展
50
,
030008
(
2013
)
犔犪狊犲狉牔犗
狆
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○
C
2013
《中国激光》杂志社
二维光子晶体波导研究进展
章
亮
张
巍
聂秋华
戴世勋
陈
昱
(宁波大学信息科学与工程学院 红外材料与器件实验室,浙江 宁波
315211
)
摘要
二维光子晶体波导具有特殊的光子能带结构、可控色散、极小的几何尺寸和极 强 的非线 性 特性,近 年 来在非
线性光学、光学逻辑门、全光缓存、光功率分束器、光子晶体激光器以及高灵敏度 传 感器等 领 域引起 了 广泛的 关 注。
介绍了二维光子晶体波导的制备方法,总结了其传输损耗、多模耦合的自成像效应和 慢 光效应 等 方面的 研 究进展,
并特别提到基于硫系玻璃这一特殊基质的二维光子晶体波导,最后展望了二维光子晶体波导的发展前景。
关键词
集成光学;光子晶体波导;光子带隙;刻蚀;硫系玻璃
中图分类号
O734
;
TN252
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犔犗犘50.030008
犚犲狊犲犪狉犮犺犘狉狅
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犾犪狊狊
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
130.5296
;
160.5293
;
160.2750
;
190.4400
;
220.4241
收稿日期:
20121126
;收到修改稿日期:
20121231
;网络出版日期:
20130205
基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 (
60978058
,
61008041
,
61107047
)、宁 波 市 新 型 光 电 功 能 材 料 及 器 件 创 新 团 队 项 目
(
200921007
)、中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术 国家重 点 实验室 开 放基金(
SKLST201010
)和 宁 波大
学王宽诚幸福基金资助课题。
作者简介:章
亮(
1988
—),男,硕士研究生,主要从事硫系光子晶体波导的制备和特性等方面的研究。
Email
:
zhan
g
lian
g
nbu
@
163.com
导师简介:聂秋华(
1954
—),男,教授,博士生导师,主要从事红外玻璃材料和光纤等方面的研究。
Email
:
nie
q
iuhua
@
nbu.edu.cn
(通信联系人)
1
引
言
光子晶体(
PC
)的概念是
1987
年由
Yablonovich
和
John
分别提出的
[
1
,
2
]
,它是一种介电常数在空间呈周
期性排布的新型微结构材料。光子晶体由于具有光子带隙结构而被人称为光半导 体,可 用于 制作 光子 晶体
微波天线(
PCMA
)、光子晶体光 纤(
PCF
)、光 子晶 体微 谐振 腔(
PCMR
)和 光子 晶体 波导(
PCW
)等
[
3
~
5
]
,在 全
光信息处理方面具有广阔的应用前景。二 维光 子晶 体波 导(
2DPCW
,一般为三角晶格圆形空气孔型)是光
子晶体在实际应用中的一个重要 方向。
2DPCW
具有较 小 的弯曲 损 耗和较 高 的非线 性 等特性,在滤 波、传
感、光存储、全光逻辑门和激光器等方面有着广泛的应用前景
[
6
~
15
]
,可以满足全光信号处理系统日益朝着器
件高度集成化、尺寸小型化等方向发 展的 要求。本 文对
2DPCW
的制 备方 法及 其传 输损 耗、多 模耦 合 的自
0300081
50
,
030008
激光与光电子学进展
www.o
p
tics
j
ournal.net
成像效应、慢光效应等研究进展进行总结,并介绍基于硫系玻璃这一特殊基质的
2DPCW
,最后 对
2DPCW
的研究前景进行展望。
2
二维光子晶体波导
在二维光子晶体中引入线缺陷即可得到
2DPCW
。选择禁带波长为工作波长,这样 光波 将不 能进 入到
周围的光子晶体空间中,而只能沿着缺陷传播,起到导波的效果。不同于平面介质波导利用的全反射原理,
2DPCW
利用了不同方向的缺陷模共振 匹配 原理,因而
2DPCW
不受 转角 限制,有着极小的 弯 曲损耗 而 有
利于大规模光电集成
[
16
]
。
2DPCW
具有较小 的模 场横 截面 积和 慢光 效应,能够增强其非线性特 性,研究者
们已经观测到了基于
Si
和
GaAs
等材料的
PCW
中的自 相位 调制、双光子吸收和四波混频等因慢光效应而
加强的非线性效应
[
13
~
15
]
。
理论上
2DPCW
要求空气孔或介质柱的长度远大于光子晶体晶格常数,但实际中由于工艺的限制很难
做到。目前研究最多的是二者尺寸相当,一般都为几百纳米的平板
2DPCW
(下文中的
2DPCW
,如无 特殊
说明
,皆指平板型)。
2DPCW
的结构一般可分为
3
层,上 层是 包层,中 间是导 波 层,下层是 衬 底。
2DPCW
按照各层结构的不同可大致分为悬浮薄膜型(
SM
,也叫空气桥型)、氧化物衬底型(
OLC
)和深刻蚀型(
DE
)波
导[图
1
(
a
)
~
(
c
)]
[
17
]
,按 照 二 维 光 子 晶 体 中 引 入 线 缺 陷 条 数 的 多 少 称 为
W
犖
(
犖
为 线 缺 陷 条 数)型 波 导
[图
1
(
d
)]
[
18
]
。另外还有在空气孔型光子晶体线缺陷中刻蚀一条空气槽得到的开槽型波导[图
1
(
e
)]
[
19
]
以及
将空气孔沿着波导方向平移若干距离而形成的晶格平移型波导(
LSPCW
)[图
1
(
f
)]
[
20
]
等。光波在平板
2D
PCW
中传播时,在垂直于波导的方向上满足全反射原理,在波导平面内 垂直 于线 缺陷 方向 上满 足光 子禁 带
效应,后者正是平板
2DPCW
在弯曲损耗和非线性等方面优于传统平面介质波导的主要原因。
图
1
二维光子晶体波导结构。(
a
)悬浮薄膜型;(
b
)氧化物衬底型;(
c
)深刻蚀型;(
d
)
W3
型;(
e
)开槽型和(
f
)晶格平移型
Fi
g
.1 Structureof2DPCW
(
a
)
Sus
p
endmembrane
;(
b
)
oxidizedlowercladdin
g
;(
c
)
dee
p
l
y
etched
;
(
d
)
threelinedefects
;(
e
)
slottedand
(
f
)
latticeshiftedstructures
3
二维光子晶体制备方法
1996
年,
Krauss
等
[
21
]
利用电子束曝光和反应离子束干刻法首次制备出具有光子带隙结 构的平 板 二维
光子晶体,此后与
2DPCW
相关的实验研究逐渐开展起来。制备
2DPCW
的材料主要是绝缘体上硅(
SOI
)
等
Si
基 半 导 体 和
GaAs
等
Ⅲ
Ⅴ
主 族 化 合 物
[
22
~
25
]
,此 外 利 用 有 机 材 料 和 硫 系 材 料 也 可 以 制 备
2DPCW
[
26
,
27
]
。目前,制备
2DPCW
的主要方法有两种,
1
)传统的光刻或电子束曝光与干刻 法 的结合,其 中 需要用
到掩模版、光刻胶等物品
[
22
,
23
,
25
,
28
]
;
2
)可在基底上直接刻蚀出所需图案的聚焦离子束(
FIB
)刻蚀法
[
29
,
30
]
。
第一种方法又可分为深紫外(
DUV
)曝光结合干刻法和电子束曝光(
EBL
)结合干刻法
[
23
,
28
]
。
DUV
结合
干刻法制备
2DPCW
分为三个步骤:
1
)制备所需图案的掩模版;
2
)透过掩模版对涂在基底上的光刻胶进行
深紫外曝光并进行显影 处 理,在 光 刻 胶 上 得 到 掩 模 图 形;
3
)利 用 反 应 离 子 束 刻 蚀 (
RIE
)或 电 子 回 旋 共 振
0300082
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