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光子晶体的最新研究进展

摘要:光子晶体(PhotonicCrystal)是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出,是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中,光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展,并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。


关键词:光子晶体  研究  进展 

 

1.引言

自光子晶体这一概念提出以来,它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic bandgap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙,频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点,所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调,但对于可调制光子晶体的带隙可以调控,电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置,故改变外部环境,如加电场、磁场、压力或温度等,均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。


光学晶体.png

光子晶体(配图来自网络)

 

2.光通信技术方向的研究进展

 

传统波导利用的是全内反射原理, 当波导弯曲较大时, 电磁波在其中的传播不再符合全反射原理,以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理, 因而光子晶体波导不受转角限制, 有着极小的弯曲损耗。理论上,当波导弯曲 90°时, 传统波导会有 30%的损失, 而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外, 光子晶体波导的尺度可以做得很小, 达到波长量级;因此, 光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用,在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。


光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前,世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的大负色散实现了-55000 ps/km/nm的高阶模色散值、-36000 ps/km/nm的基模色散值。对光子带隙型PCF的带隙与模式研究,有助于解决光波的非线性传输控制和光与物质的非线性相互作用等问题。利用PCF及其非线性效应,实现了波长可调节且高效的频率变换、可见光波段平坦超连续谱(SC)和高效宽带切伦科夫辐射(CR)的产生等。

 

3.在材料科学方面的应用

 

光子晶体的禁带特性最先被用来做成完美的反射镜和天线。随着光子晶体研究的热门兴起,近来经研究发现,将磁光材料嵌于光子晶体中可构成一种新型的光子带隙材料——磁性光子晶体[6-7]。磁性光子晶体具有宽的和可逆的调谐性,能对磁场产生瞬间响应,在磁场下对近红外和可见光区域波长的光及微波都能产生响应,在可见光区域表现为在磁场下能显示不同的颜色(磁致变色),在光子晶体结构单元中加入磁性成分后,可通过外加直流磁场来调整自身的光学性质,使得组分中含有磁性材料的光子晶体具有巨大的应用前景。这样的磁性光子晶体特别是胶态磁性光子晶体在相关文献中都有其制备方法,磁性光子晶体目前已经应用在磁光隔离器、磁光环行器及微波频率多路选择等方面,未来的胶态磁性晶体因主要成分是磁性颗粒[8]并有光子晶体的性质,因此有望广泛应用于医学、生化工程及光学器件等领域。

 

4.在激光与光电子学上取得的成果

 

光子晶体在激光与光电子学上所取得的成就主要有光子晶体光纤飞秒激光技术的实验研究和光纤传感器的最新进展,尤其是高功率、高能量飞秒激光系统的研究现状和发展方向。目前应用于飞秒激光技术领域的PCF分为“非增益型”和“增益型”两大类,所谓“非增益型”就是没有掺杂激活离子的PCF。该类PCF在飞秒激光技术领域的应用主要是作为色散补偿和频率变换器件。高非线性PCF(HNL-PCF)是利用大空气填充率包层加小芯径纤芯(微米量级)的结构。该类PCF在飞秒激光技术领域的主要应用是非线性频率变换,比如可以直接产生高亮度的超快超连续谱,并作为超连续源应用于生物医学、光纤通信、光学频率梳与计量、激光光谱学等领域;这种技术也在飞秒光参量振荡(OPO)、光参量放大(OPA)和啁啾放大(OPCPA)中广泛使用;或者直接用于对飞秒激光脉冲的光谱展宽,再进行啁啾脉冲压缩,以 获得极限脉冲宽度;此外利用该类PCF中的非线性效应[13],如四波混频(FWM)、受激拉曼散射(SRS)等,可实现频率变换,例如利用FWM效应的高非线性PCF已经成为产生纠缠光子对的技术手段之一。


另外,最近一些基于光子晶体纤维(PCF)的光纤环境(FLM)被提出并广泛应用于多种光纤传感器中。主要有多种基于高双折射[9-10](HiBi)光子晶体光纤环镜(PCF FLM)和低双折射(LoBi)PCF FLM的光纤传感器,包括应力、气压、温度、微弯和扭曲等光纤传感器,PCF具有较好的温度稳定性,在传感检测中可有效排除多个被测物理量之间的交叉影响[11-12],使传感器结构简化,因此PCF FLM已经在很多传感领域得到应用。对于目前需求较大的用于高温环境的传感器件,基于PCF FLM的传感器也将具有较大应用潜力。

 

参考文献

 

[1] Yablonovitch E. Inhibited spontaneousemission in solidstate physics and electronics[J]. Phys Rev Lett,1987,58:2059

[2] John S. Strong localization of photonsin certain disordered dielectric superlattices[J]. Phys Rev Lett,1987,58:2486

[3] Berr Moshe M, Alexeev V L, et al. Highionic strength glucose sensing photonic crystal[J]. Anal Chem,2006,78:5149

[4] Li J, et al. F2-laser digital etchingof colloidal photonic crystals[J]. Opt Express,2005,13:6454

[5] 赵勇,赵华伟,张馨元,等.慢光产生的新机理及其应用 [J].光学精密工程,2009,17(2):237-245.

[6] Kato H, Inoue M. Reflection modeoperation of one-dimensional magneto-photonic crystals for use in film-basedmagneto-optical isolator devices [J]. J Appl Phys,2002,91(10):7017

[7] Takeda E, Todoroki N, Kitamoto Y, etal. Faraday effect enhancement in Co-ferrie layer incorporated intoone-dimensional photonic crystal working as Fabry-Perot resonator[J]. J ApplPhys,2000,87(9):6782

[8] Wang L, Yang Z H, Zhang Y H,et al.Bifunctional nanoparticles with magnetization and luminescence[J]. J PhysChemC,2009,113(10):3955

[9] RAJAN G, RAMAKRISHNAN M, SEMENOVA Y, etal. A photonic crystal fiber and fiber Bragg grating based hybrid fiber opticsensor system[J].Sensors Journal, 2011, pp(99):1.

[10] DONG B, HAO J, XU Z, Temperatureinsensitive curvature measurement with a core-offset polarization maintainingphotonic crystal fiber based interferometer [J].Optical Fiber Technology, 2011,17(3): 233-235.

[11] LU P, MEN L, CHEN Q. Polymer-coatedfiber Bragg grating sensors for simultaneous monitoring of soluble analytes andtemperature [J]. Sensors Journal,2009, 9(4):340-345.

[12] WU C, FU H Y, AU H Y, et al.High-sensitivity salinity sensor realized with photonic crystal fiber Sagnacinterferometer [C]. Proc SPIE, 2011,7753.

[13] X.H.Fang,M.L.Hu,L.L.Huang etal..Multiwatt octave-spanning supercontinuum generation in multicorephotonic-crystal fiber[J].Opt.Lett.,2012,37(12):2292~2294
源自于:光学人生