4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
应用研究
量子信息处理
光电子学的未来
谢
谢
control =1551nm, prob =1530-1580nm
PCF 应用研究进展
电调 PCF 衰减器
LPG:
PCF 应用研究进展
电调 PCF 衰减器
PCF 应用研究进展
电调PCF衰减器
Dynamic range: 30dB, Insertion loss:<0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec
应用：多信道光传输 /光纤传感, 光控光耦合器件
PCF 特性
6. 空气芯光纤
无损耗 ! 无材料色散 !！ 无光学非线性 !！！
应用：通信/传感
PCF 应用研究进展
PCF 拉曼放大器
LHF = 75m rcore = 1.6 m Aeff =2. 85m
LB =0.4mm pump =1536nm signal =1650nm0
1998－2000年光子晶体光纤研究热 2000年第一家光子晶体光纤公司成立 2001.10. Photonics Nanostructure Materials and Devices 国际会议在 San Diego召开 OFC 情况
论文： 2001 ：6 ， 2002：15
国家： 2001 ：4 ， 2002： 8
n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53m)， = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.110－19m2/W (比纯SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature)
=1.6 mm
=125 m
PCF 制备工艺
－ 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性〕 应用：－ 实现超高速、超长距离光通信
光子晶体的发展进程
1987年提出光子带隙(PBG)概念 1990年PBG计算机论证
1991年微波PBG实验论证
1993年制造出第一块半导体三维光子晶体 1996年第一根TIR光子晶体光纤
1997年第一根PBG光子晶体光纤
(e)
b
y z
a
Si / SiO2 = 1.5 m gap= 14 % 0,center
制备工艺
溶胶－凝胶（Sol-gel)法 － SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备
h
65oC
Si
Substrate
Substrate
微球尺度 855nm1.3％
80oC
T
制备工艺
溶胶－凝胶（Sol-gel)法
－Si - inverted opals 制备
LPCVD
550oC
Substrate
Substrate
Substrate
制备工艺
2层
4层
16层
空气球大小： (a, b): 1mm, (c, e): 670nm a. 透射谱：— 理论 — 实验
(111) surface
b. 理论计算的光子能带
制备工艺
Fig. 2: Photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs.
SOI photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400－500nm
高光学非线性PCF
Single mode transmission at 633nm and 1550nm = 550W－1km－1（1550nm）( 比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）
PCF 制备工艺
溶胶－凝胶（Sol-gel〕法
Hole diameter: 2.3m
Hole spacing: 4.3m
－ 带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应）
应用：－ 实现接近零阈值的激光辐射 － 实现对量子态（量子比特）的操作
Electron quantum boxes
Optical microcavities
光子晶体特性
3.PBG限制“微腔”间的耦合作用
－ “微腔”间通过消逝场直接耦合或跳跃式耦合－微腔波导 应用：－ 高速度、高选择性、高集成度的动态调控（如滤波 衰减、开关、分插/复用等） － 微腔波导激光器
微腔耦合波导激光器
( CALTECH )
( MIT )
PCS 应用研究进展
光子晶体微腔激光器
PMMA—Electron-beam lithography Cr-Cu layer—Ar+ ion beam etch SiN2 layer—CF4 reactive ion etch InGaAsP QWs region—ECR etch InP Substrate --HCL:H2O=4:1 wet chemical etch
玻璃毛细管聚束熔垃法
20 mm 20 mm 1 mm
30 mm
16 mm
0.8 mm
Solid rod
Hollow tube
1 mm
1 mm
0.03 mm
PCF 制备工艺
玻璃毛细管聚束熔垃法
PCF 制备工艺
玻片－芯组装模压法
=2n2/(Aeff)：n2 , Aeff SF57 Schott glass:
光子晶体
概念－光子能带 光子晶体特性
光子晶体（PC）
光子能带
结构参量: 孔径 －d 周期 － 芯径 －
Diamond
一维
二维

三维
d

Defect state
介电常数周期分布的介质形成光子能带，禁止 带隙 (PBG) 频率的光传播 缺陷能级在包层带隙中，缺陷态的光受带隙限制
光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯)的二维光子晶体
PCF 应用研究进展
电调 PCF 滤波器
PCF 应用研究进展
PCF 耦合器
PCF 应用研究进展
PCF 宽带波长/模选择耦合器
SMF
HOF
二维光子晶体
(光子晶体平板－PCF )
PCS 制备工艺
微电子工艺
PCS 制备工艺
248nm DUV lithography on SOI
Fig. 1: Photonic crystal waveguide in SOI. Pitch is 460nm, hole-size is 290nm.
大的平坦负色散 = 3.2 m = 047 D = -100 ps/nm/km
应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等
PCF 特性
4.场致折变
实例：可调光纤光栅（热光效应〕
电光效应 ？ 声光效应 ？ 磁光效应 ？ 光折变效应 ？ 应用：动态光控制器件
PCF 特性
5. 单纤多芯传输 / 耦合
G=42.8dB NF<6dB
PCF 应用研究进展
PCF波长转换
XPM+narrowband filtering (data rate of 10 Gbit/s) LHF = 5.8m, rcore = 2.0 m, Aeff =2.93(+/-0.3)μm2
＝50dB/km, D=+100 ps/nm-km (1550), =31W-1· km-1
hole sizes：160－ 300nm.
PCS 特性
PBG限制波导
PCS 特性
PBG限制波导－微腔耦合
PCS 应用研究进展
PC微腔复用/解复用器
PCS 应用研究进展
PC滤波器
PCS 应用研究进展
共面PC谐振腔
1563 nm
1609 nm
Lcavity=6m, Q=400
PCS 应用研究进展
空气球大小： (d, f) : 855mm
(100) surface
c. 理论计算的光子能带