利用光子晶體色散特性制作解復(fù)用器

1、利用光子晶體色散特性制作解復(fù)用器    作者：BabakMomeni和AliAdibi隨著光子晶體制作工藝的完善和對其光學(xué)特性的深入認(rèn)識，光子晶體作為性能可控的人造光學(xué)材料已取得了巨大的進(jìn)展。除了利用光子帶隙實(shí)現(xiàn)光限制的主要應(yīng)用方式外，光子晶體還具有獨(dú)特的色散特性。1,2,3人們特別感興趣的是光子晶體在非常小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)并行解復(fù)用的能力，使其能夠與芯片大小的集成光路兼容。rFiles/of0706.jpg"width=360>圖1.光子晶體（PC）三種色散特性的原理示意圖。超棱鏡效應(yīng)（左圖）作者：Babak Momeni和Ali Adib

2、i隨著光子晶體制作工藝的完善和對其光學(xué)特性的深入認(rèn)識，光子晶體作為性能可控的人造光學(xué)材料已取得了巨大的進(jìn)展。除了利用光子帶隙實(shí)現(xiàn)光限制的主要應(yīng)用方式外，光子晶體還具有獨(dú)特的色散特性。1,2,3人們特別感興趣的是光子晶體在非常小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)并行解復(fù)用的能力，使其能夠與芯片大小的集成光路兼容。 圖1. 光子晶體（PC）三種色散特性的原理示意圖。超棱鏡效應(yīng)（左圖）使不同波長的光在光子晶體中沿不同方向傳播。當(dāng)光束在光子晶體區(qū)域中傳播時，負(fù)衍射效應(yīng)（中圖）使正常的光束展寬得到補(bǔ)償，這種效應(yīng)可有效地窄化光束。而負(fù)折射效應(yīng)（右圖）引起目標(biāo)信號發(fā)生偏折因而遠(yuǎn)離入射信號的方向，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)信號與寄生信號

3、的完全分離。除光通信應(yīng)用以外，人們開始越來越多地關(guān)注將小型光波長解復(fù)用（WD）器件作為系統(tǒng)部件應(yīng)用于生物傳感器件“片上實(shí)驗(yàn)室”中的光譜分析和進(jìn)行光學(xué)信息處理的集成光路中。這些小型波長解復(fù)用器件可分離多個不同波長的光學(xué)信道，具有高光譜分辨率（相鄰信道間容許的波長差很小）和低串?dāng)_（干擾信道對目標(biāo)信道的影響微弱）特性。盡管存在這些應(yīng)用需求，但由于缺乏合適的具有高色散特性的光學(xué)材料以實(shí)現(xiàn)在芯片上制作小型器件結(jié)構(gòu)，所以還未出現(xiàn)可滿足實(shí)際應(yīng)用中性能要求的小型波長解復(fù)用器。設(shè)計高分辨率解復(fù)用器為了實(shí)現(xiàn)高效的光譜測量，除了利用小型波長解復(fù)用機(jī)制以達(dá)到不同波長信道的空間分離外，還需要使用特別的測量手段來高度隔離

4、會產(chǎn)生干擾影響的波長信道。 圖2. 喬治亞理工學(xué)院設(shè)計的光子晶體解復(fù)用器件的輸出示意圖，展示了超棱鏡效應(yīng)、負(fù)衍射效應(yīng)和負(fù)折射效應(yīng)（頂圖）。掃描電子顯微鏡（SEM）展示出在硅絕緣體襯底中制作的光子晶體圖像（中圖），另一張SEM照片為輸出波導(dǎo)陣列（底圖）。利用光子晶體的超棱鏡效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)基本的解復(fù)用功能（圖1）。4,5超棱鏡效應(yīng)用于波長解復(fù)用的原理是光子晶體和入射區(qū)域的色散特性不同，于是不同的波長信道在光子晶體區(qū)域內(nèi)沿不同的方向傳播（這由每個波長對應(yīng)的光子晶體模場的群速度方向決定）。盡管光在這一介質(zhì)內(nèi)傳播下去，最終會將不同的波長信道分離開，但可明顯看出每個波長信道上的光束衍射會導(dǎo)致光束展寬

5、，傳播長度必須相當(dāng)大以使空間分離的相鄰信道滿足對串?dāng)_大小的要求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的分辨率有限，這些解復(fù)用器不適用于高精度領(lǐng)域。6,7但是，喬治亞理工學(xué)院的研究人員通過將光子晶體的兩種色散特性即超棱鏡效應(yīng)和負(fù)衍射效應(yīng)相結(jié)合，提出了開發(fā)小型高分辨率解復(fù)用器的新途徑。8,9,10在這類結(jié)構(gòu)中，正常衍射效應(yīng)引起的光束展寬由于光束在具有負(fù)衍射效應(yīng)的光子晶體中傳播而得到補(bǔ)償。由于有這一衍射補(bǔ)償，這種結(jié)構(gòu)輸出端上的光束尺寸縮小到接近光束寬度的變換極限，從空間上分離相鄰波長信道所需傳播長度大大縮短。光子晶體的另一特性是介質(zhì)界面處的負(fù)折射。在這一效應(yīng)的作用下，目標(biāo)信號由于折射而偏離入射光的方向，使目標(biāo)信號與寄生信號

6、得以分離。通過將超棱鏡效應(yīng)、負(fù)衍射和負(fù)折射共同作用于目標(biāo)信號，將進(jìn)一步減小光子晶體解復(fù)用器中的串?dāng)_。在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)，通過優(yōu)化光子晶體的幾何結(jié)構(gòu)（孔的尺寸和周期），能夠?qū)⒐庾泳w的多個獨(dú)特色散性質(zhì)組合起來以滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域的要求。10光子晶體器件的色散特性經(jīng)過這樣的優(yōu)化后，當(dāng)光束穿過光子晶體時，可將分離開的信道光束同時聚焦成小尺寸光斑，使被分離的信道遠(yuǎn)離寄生信號和其它干擾信號。實(shí)現(xiàn)這些巨大的改進(jìn)并未增加制作工藝的復(fù)雜性，也不要求特殊的材料生長工藝。制作結(jié)果采用上述設(shè)計技術(shù)，我們利用新開發(fā)的高效折射技術(shù)制作了一個超棱鏡解復(fù)用光子晶體元件，它是一個具有二維平面周期的平板器件（圖2）。11入射到

7、光子晶體的光來自于無特殊結(jié)構(gòu)的硅，輸出光穿過一個5m寬的輸出波導(dǎo)陣列（相鄰波導(dǎo)間隔1m）。在器件的輸出端面，每個輸出波導(dǎo)楔形變窄為2m寬。通過波導(dǎo)陣列能以較高的空間分辨率觀察光子晶體的輸出。每個分離出的波長信道對應(yīng)于兩個輸出波導(dǎo)，從而可以更清楚地觀察相鄰信道間可能發(fā)生的串?dāng)_。在硅絕緣體（SOI）晶圓上制作光子晶體器件，在晶圓中3m厚的二氧化硅層處于厚的硅襯底和220nm厚的頂硅層之間，并在制作過程中以50nm厚二氧化硅覆蓋整個晶圓作為硬掩模。我們使用電子束刻蝕法和電感耦合等離子體（ICP）刻蝕法在薄硅層中形成二維周期圖案。在測量裝置中，可調(diào)諧激光器發(fā)出的光通過傳統(tǒng)的脊形介質(zhì)波導(dǎo)從端面耦合進(jìn)入硅

8、中。紅外相機(jī)拍攝器件輸出邊緣圖像以記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）。測量結(jié)果顯示波長信道在空間上完全分離，通過衍射補(bǔ)償獲得令人滿意的小尺寸光斑。利用負(fù)折射機(jī)制設(shè)計了用于傳輸準(zhǔn)TE偏振模的器件，并從目標(biāo)信號中有效地去除了會產(chǎn)生干擾的偏振模式（TM）。 圖3. 器件輸出面上的圖像顯示出波導(dǎo)陣列中的功率分布，對應(yīng)著四個以準(zhǔn)TE偏振模（頂圖，電場方向平行于光子晶體周期平面）和準(zhǔn)TM偏振模（底圖）輸入的離散波長。與多余的TM模信道相比，TE模信道完全實(shí)現(xiàn)了空間分離，且TE模輸出信道（有兩個波導(dǎo)）的光斑尺寸較小。負(fù)折射效應(yīng)的作用是從波導(dǎo)中的TM模干擾信道13至24（底圖）中分離出TE模目標(biāo)信道4至12（頂圖

9、）。為了更加精確地表征我們設(shè)計的光子晶體解復(fù)用器的特性，將每個波導(dǎo)輸出隔離開，并使用與鎖相放大器連接的紅外探測器逐個測量其功率（見圖4）。器件中波長間隔為8nm的四個信道被分離開，信道隔離度（即目標(biāo)信道中的功率除以其它信道泄漏在目標(biāo)信道位置上的功率總和）好于6.5dB。10根據(jù)現(xiàn)已報道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種基于超棱鏡的集成式解復(fù)用器件中光子晶體的面積小于50m2，比其它采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的超棱鏡光子晶體解復(fù)用器（具有相同性能）小2個數(shù)量級。利用同一設(shè)計原理，可在4mm2的光子晶體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)信道間隔為0.5nm的64信道解復(fù)用器。據(jù)我們所知，這是目前所報道過的光子晶體解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)的最佳整體性能。 

10、圖4.光子晶體解復(fù)用器中四個輸出波導(dǎo)的歸一化測量功率清楚地展示了信道分離。前景展望通過結(jié)合諸如超棱鏡效應(yīng)、負(fù)折射和負(fù)衍射等多種光學(xué)效應(yīng)，提供了新的“人造”光學(xué)材料的設(shè)計方法。隨著制造技術(shù)的成熟和器件設(shè)計的進(jìn)一步完善，我們可期待在不久的將來即獲得更好的器件性能。參考文獻(xiàn)：1. E. Yablonovitch,Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).2. S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).3. S.G. Johnson and J.D. Joannopoulos,Acta Materialia 51, 5823(2003)

11、.4. H. Kosaka et al., J. Lightwave Technol. 17, 2032 (1999).5. L. Wu, M. Mazilu, and T. F. Krauss, J. Lightwave Technol. 21, 561 (2003).6. T. Baba, and T. Matsumoto, Appl. Phys. Lett. 81, 2325 (2002).7. B. Momeni and A. Adibi, Appl. Phys. B 77, 556 (2003).8. J. Witzens, T. Baehr-Jones, and A. Scherer, Phys. Rev. E 71, 026604-1-9 (2005).9. T. Matsumoto,