光子晶体技术_一_光子晶体光纤

前沿技术

光子晶体技术———(一)光子晶体光纤

廖先炳

(重庆光电技术研究所,重庆400060)

摘　要:　简介光子晶体的概念和光子晶体光纤的导光原理。讨论了光子晶体光纤的奇异特

性并介绍它的制作方法。

关键词:　电子禁带晶体;光子禁带晶体;光子晶体光纤中图分类号:TN252　文献标识码:A　文章编号:1001-5868(2003)02-0135-041　引言

大家熟知的微电子学及其应用,是建立在对电流精确控制的基础上,而这种控制是依赖于半导体材料(例如硅和Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体)的电子禁带现象。电子禁带是一个能量带,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到电子禁带之上,这些电子便可在广阔的能量空间遨游。同样地,电子的缺失可以在禁带以下形成带正电的“空穴”。电子和空穴的运动都可即刻形成电流。我们把具有这样现象的半导体材料称之为电子禁带晶体。半导体的开关和逻辑功能就是来源于电子禁带以上的电子和禁带以下的电子和空穴增益性的控制。电子禁带晶体的周期性结构的尺度为电子的德布罗意波长的量级(约1～50nm)。而电子禁带的存在和性质主要取决于禁带晶体的原子类型和晶体结构,即晶格的间距和形状。

人们经过数十年的研究和探索,终于在1987年提出了光子禁带(或称光子带隙)的概念[1]。光子禁带是直接类比于电子禁带的结果,它是指通过人工设计并制作出类比于电子禁带结构的材料来阻止光子的传播,即是说,这种类比于电子禁带结构的人工合成材料在某一能量范围内的光子不能通过光子禁带晶体(简称光子晶体)或者在光子晶体内部产生的光不能传播。具体地说,光子晶体就是通过人工制造方法,使其制作的晶体材料具有类似于半导体

收稿日期:2003-02-02.　　　　　

硅和其它半导体中相邻原子所具备的周期性结构,只不过光子晶体的周期性结构的尺度远比电子禁带晶体的大,其大小为波长的量级。例如,在硅和其它半导体中,相邻原子的间距约为0.25nm,而光子晶体的周期结构的间距远大于0.25nm,约几百纳米,具体值决定于光的波长。一种典型的光子晶体,其结构是一块钻有许多柱形孔的特殊玻璃。圆柱形空气孔紧密排列,孔距为数百纳米,这些圆柱形空气孔类似于半导体的原子。图1示出一块钻有许多空气孔的玻璃的截面图,如果这块玻璃中的空气孔间距等于或接近于受控光或电磁波的波长,那么,这块玻璃便具有光子晶体的功能,即光子不能在晶体内传播,这就是光子晶体的阻光性。

图1　钻有许多圆柱形空气孔玻璃的截面图

如果破坏光子晶体的周期性结构,便使光子晶体成为不完全的光子禁带晶体,这种不完全的光子晶体是非常有用的。光子晶体光纤是不完全光子晶体最重要应用之一,光子晶体光纤就是应用这种不完全二维光子晶体延展为不完全三维光子晶体而成的[2]。不完全光子晶体的第二个重要应用是制作二维薄膜的光子晶体。这项技术由麻省理工学院于1997年率先研制出来,他们利用制作集成电路的标

准方法很容易成型薄膜光子晶体。在薄膜晶体中打

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孔是制作激光器的关键要素。这样的“空洞”可以使一小段光的驻波被困在两面镜子之间。最近,加州理工学院AxelSchever实验室利用这种最小的光学空洞,制作了体积仅为0.03立方微米的目前最小激光器[3]。利用光子晶体薄膜还可制作光学电路,这意味着光电子学中小型化的极限。许多研究者相信,集传统电子学和光子学于一体的集成电路,将把集成电路拓展到高带宽光学信号的领域。利用光子晶体薄膜波导制作光开关、光调制器、波分复用/解复用器的研究已进入实验阶段。除此之外,光子

子局域在高折射率纤芯中(如SiO2)而不依赖光子

禁带效应,我们把这类导光机制的光子晶体光纤称之为全内反射光子晶体光纤。比较两种光子晶体光纤,全内反射光子晶体光纤无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在实际应用中,大都是全内反射光子晶体光纤。图3示出一种全内反射光子晶体光纤的示意图。如图所示,中心缺陷区是导光区,周围是二维光子晶体结构,其作用类似于普通光纤的包层。中心区可以通过打孔形成缺陷区,缺陷区内可以是空气,也可以填充同类材料。全内反射光子晶体光纤就是在缺陷区内填充同类材料的光子晶体光纤。如果在光子晶体中引入多个缺陷区,便可制作出多芯的光子晶体光纤。晶体还有许多应用,例如,利用类似于光子晶体结构的阵列LC电路控制原本比阵列电路大很多的电磁波,这种LC阵列的可能应用包括通过抑制地面反射信号使GPS天线更精确以及提高移动电话的效用。

在上述诸多的潜在应用中,研究得最多,且最有成效的是光子晶体光纤,本文将介绍光子晶体光纤的导光原理、奇特的光学特性和它的制作技术。

2　光子晶体光纤的导光原理光子晶体的局域光性,自然使人们联想到光波导或光纤。常规的导光光波导或光纤是利用波导芯或纤芯和包层之间的折射率差,将光在高折射率的光波导芯或光纤中而传播的。而光子晶体光纤靠什么机构来导光呢?它不可能依赖芯层和包层间的折射率差来导光,这是因为光子晶体光纤是用同一材料制作的。唯一的方法是在光子晶体中引入不完全禁带机制。最简单的办法是在光子晶体的中心引入缺陷,如在光子晶体的中心钻一个直径为10～15μm的孔。这样,光子晶体中心处的一些空气孔消失或遭到破坏,致使光子晶体的周期性结构遭致破坏,即在光子晶体中心处的光子晶体呈现出不完全的光子禁带结构。这样的不完全光子禁带结构便是传光的通道。图2示出在光子晶体中心钻有直径为10～15μm孔的截面图。这样的传光机制除要求有较大的空气孔外,还要求空气孔有精确的排列。我们把这种导光机制的光子晶体光纤称之为光子禁带光子晶体光纤,它的导光依赖于包层结构表现出的光子禁带效应和中心再现出的不完全光子禁带效应。如果空气孔的直径较小,且空气孔排列也不怎么精确,便提出第二种导光机制的光纤,其导光方式类似于传统光纤的全反射原理,它利用中心缺陷区和缺陷区外周期性结构区之间的有效折射率差将光

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图3　光子晶体光纤的结构示意图

图2　在光子晶体中心处钻有直径为10～15μm孔的截面图

3　光子晶体光纤的特性

光子晶体光纤具有许多不同于传统光纤的奇异

特性,概括起来,这些特性包括以下几个方面。3.1　永无休止的单模传输特性

这是光子晶体光纤最引人注目的一个特性。众所周知,普通光纤存在着截止波长,只有当传输光的波长大于截止波长时,才有可能实现单模传输。然而,对光子晶体光纤来说,只要满足空气孔直径足够小,且空气孔径与孔间距之比(简称孔比率)小于0.2,便具备永无休止的单模传输特性[4]。换句话说,光子晶体光纤不存在截止波长。更为奇特的是,这种永无休止的单模传输特性还与光纤的绝对尺寸无关,无论光纤尺寸的放大或缩小,仍可保持单模传

《半导体光电》2003年第24卷第2期廖先炳:　光子晶体技术———(一)光子晶体光纤

输特性。这样的单模传输特性使光子晶体光纤非常有用。当用于传输高光功率时无须担心出现非线性效应,这对利用光子晶体光纤制作光放大器和激光器是非常有吸引力的。反之,当需要强的非线性效应时,通过改变光子晶体光纤的空气孔间距便可调节有效模场面积,在1.5μm波长处,可调的模场面积可达1～800μm2。如果在空气孔中填充合适的非线性材料(例如在空气孔中装载气体或低折射率液体),光子晶体光纤会出现较强的非线性性质,这对诸如Raman器件以及改善全光开关和四波混频的阈值是很有用的。3.2　奇异的色散特性

这是光子晶体光纤又一重要特性。由于光子晶体光纤可以由同一种材料(如SiO2)制成,因此纤芯和包层可以做到完全的力学和热学匹配,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,从而可以在非常宽的波长范围内获得较大的色散。例如,光子晶体光纤在波长低于1.0μm时,可获得反常色散,同时保持单模传输特性。这是传统阶跃光纤不可能实现的。在永无休止的单模传输的光子晶体光纤中,由于高阶模不可能产生,所以可以通过反常色散避免正常材料色散。光子晶体光纤的反常色散特性也为短波长光孤子的传输提供可能性,同时也为制作可见光波段的光孤子光纤激光器提供机遇,目前在光子晶体光纤中已成功产生了850nm光孤子。计算表明,光子晶体光纤可以获得

率的无孔纤芯,包层周围是周期性多孔结构,为了引入双折射,缩小了中心附近的2个孔的孔径,并同时增大这2个孔间的距离,如图4所示。

图4　具有双折射的光子晶体光纤截面示意图

4　光子晶体光纤的设计和制作光子晶体光纤的设计自由度很大,例如,空气孔的孔径、形状和孔间距;缺陷区的形状和大小;缺陷区的填充材料选择;包层区材料选择等等。有了这些自由度,可以根据不同应用设计出具有不同模式特性、不同非线性、不同带隙、不同色散和不同双折射特性的光子晶体光纤。例如,保持包层结构,仅改变中心区缺陷的尺寸,便可精密调节中心缺陷处的模式频率;又如,仅仅改变空气孔的孔径与孔距的比率,使得孔的比率小于0.2,便能使光子晶体光纤具有永无休止的单模传输特性;再者,通过加大芯区直径,便可在保持单模传输的同时,提高传输能量。此外,通过在空气孔中填充气体或低折射率液体,便可得到可控的非线性效应。

光子晶体光纤的制作方法和普通光纤的一样,也是用肉眼可见的预制玻璃棒拉制的。主要差别在于预制玻璃棒的横截面结构。拉制普通光纤的预玻璃棒横截面结构与细丝光纤相同而拉制光子晶体光纤的预玻棒是一束紧密排列的石英毛细管。这种有小气孔的二维“晶体”在纤维中从头至尾延伸,多次复制这种石英毛细管的排列,便可拉制出符合要求的孔距的光子晶体光纤。图5示出利用堆积石英毛细管方法拉制光子晶体光纤的示意图。堆积方式可以采用三角形,也可以是蜂窝形。光子晶体光纤的纤芯是通过先打孔再填充同种材料而形成。

高达2000ps/nm・km-1的色散值,这样大的色散值可以补偿是其自身长度35～100倍的标准光纤的色散,这远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力,这个性能将会在超宽带波分复用的平坦补偿中扮演重要角色[5]。此外,光子晶体光纤还有一个重要的色散特性,那就是它的零色散点可调,只要改变光子晶体光纤的空气孔几何尺寸,便可在几百纳米带宽范围内得到零色散光纤[6]。3.3　高的双折射特性与普通保偏光纤相似,通过改变光子晶体光纤的包层结构参数可以制作出具有高双折射效应的光子晶体光纤,这是传统保偏光纤所不及的。只要破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其成为二维结构即可,例如,通过减少一些空气孔或者改变一些空气孔的尺寸都可获得高的双折射特性。理论分析表明,可以设计出双折射度达1×10-3的光子晶体光纤[7]。这样的高双折射光子晶体光纤,采用高折射

图5　采用堆积石英毛细管方法拉制光子晶体光纤示意图

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下面以英国Bath大学研制的全内反射光子晶体光纤为例[8],说明其制作过程。整个制作过程分为三步。第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构:首先选用直径为30mm的石英棒为原材料,然后沿石英棒轴线方向钻一个直径为16mm的孔。接着将石英棒磨成一个正六棱柱,然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制成直径为0.8mm的六角形细棒,拉丝温度在2000℃左右。第二步是形成光子晶体结构:将六角形细棒按三角形或蜂窝形堆积起来形成所要求的晶体结构,然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气孔孔距为50μm的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构,其中心用一根直径完全相同的实芯细丝替代,这样在光纤中心引入缺陷。第三步是复制堆积拉丝过程,最终拉制成2μm空气孔孔距的光纤。在上面的三次拉丝过程中细棒堆熔合在一起,同时棒间距不断缩减,缩减因子超过104。

现双向10Gb/s的单模传输,每公里的模式干扰低于-22dB[11]。

总之,光子晶体和光子晶体光纤的出现,使光电子技术进入一个新的发展阶段。由于光子晶体和光子晶体光纤的诱人特性,使之在超微光子集成电路和超大容量光导纤维以及光孤子产生和传输等方面有着巨大的潜在市场。可以预言,光子晶体和光子晶体光纤有可能发展成为一个巨大的产业。参考文献:

[1]　KraussTF.Photoniccrystalintheopticalregime———

past,presentandfuture[J].ProgressinQuantumElectronics,1999,23:5196.

[2]　RussellPStJ.Recentprogressinphotoniccrystal

fiber[A].Proc.OFCπ2000[C],3:98-100.

[3]　EliYablonovitch.光子晶体:光半导体[J].光通信研

究,2002,(3):1.[4]　RankaJK.Opticalpropertiesofhigh2deltaair2sillic

microstructureopticalfibers[J].Opt.Lett.,2000,25:796.

[5]　BirksTA.

Dispersioncompersationusingsingle

materialfibers[J].IEEEPhotonicsTechnol.Lett.,1999,11:674.

[6]　BirksTA.Endlesslysingle2modephotoniccrystal

fibers[J].Opt.Lett.,1997,22:961.[7]　OrtigosaBA.

Highlybirefringentphotoniccrystal

fibers[J].Photon.Technol.Lett.,2000,25:1325.[8]　KnightJC.All2silicasingle2modeopticalfiberwith

photoniccrystalcladding[J].Opt.Lett.,1996,21:1547.

[9]　HewakDW.Thefabricationandmodelingofnon2

silica

microstructured

optical

fibers[J].

Proc.

OFCπ2001,2001,2:TuC4:1-3.

[10]　LiuX.Solitonselffrequencyshiftinashorttaperedair2

silicamicrostructurefiber[J].Opt.Lett.,2001,26:358-360.

[11]　SuzukiK.ElectronicsLetters,2001,37(23):1399-1401.

5　光子晶体光纤的研究进展自从1996年制作出第一根光子晶体光纤以来,其奇特的特性引起人们极大关注,纷纷投入力量对其制作方法和特性以及可能的应用进行深入研究。目前人们的研究方向主要集中在光子晶体光纤的数值处理方法及其建模;高双折射现象及偏振的研究;超短脉冲及孤立子研究;光子晶体光纤的掺杂;色散补偿研究;多芯光子晶体光纤的研究等方面。有关光子晶体光纤的制作方面,采用数百根细玻璃纤维堆积在一根较粗玻璃棒周围从而形成光子晶体光纤,并设计制作出具有特殊用途的非线性、色散和偏振等特性的光子晶体光纤。例如,英国南安普敦大学的研究人员制作了非纯石英的镓镧硫化物玻璃光

子晶体光纤,使其在1.55μm波长处的非线性达到传统阶跃光纤的104倍[9]。为解决光子晶体光纤与普通光纤的连接问题,Bell实验室的研究人员已制作出了只有极低损耗的锥形光子晶体光纤。在光子晶体光纤应用方面也取得较满意的结果,例如,利用光子晶体光纤的微小的模式面积和继而增强的非线性,已成功地在1.3～1.65μm窗口产生自频率迁移Raman孤立子

。此外,在单模传输方面,利用

1.5km的保偏光子晶体光纤在1.55μm波长处实

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作者简介:

廖先炳(1940-),男,高级工程师。19年毕业于现电子科技大学,获工学学士学位。长期从事光电子器件的研发和情报工作。主持的光发射器件、光接收器件研制项目曾获国家科技进步二等奖。