光纤通信用光子晶体器件的进展解析

****:光纤通信用光子晶体器件的进展光纤通信用光子晶体器件的进展****(********,重庆400065摘要:光纤通信已经成为当今信息社会不可或缺的神经系统。

光纤通信系统的核心元器件——光电子晶体器件,是近年来迅速发展起来的一类微纳米器件,可以操控光子的运动行为,并具有损耗极低、体积小、易集成的优点。

本文介绍了光子晶体及其特征,概述了光子晶体器件的基本工作原理、器件结构以及各种光子器件的现状和发展趋势。

关键词:光纤通信;光子晶体器件;发展趋势Development of photonic crystal devices used in optical fibercommunication********(**********,Chongqing 400065, P. R. ChinaAbstract:Optical fiber communication has become the nervous system in the modern information society. The core component of the optical fiber communication system is the photonic crystal device, developed rapidly in recent years as a class of micro-nano devices, which can control the behavior of the photon, and the device has the advantages that it has low loss, small size and it is easy to be integrated. Photonic crystal and its characteristics were introduced in this paper; summarizing the basic principle of work, the structure of device and the present situation and development of the various photonic devices.Key words:Optical fiber communication;Photonic crystal devices;Development trend0 前言光纤通信主要是指利用激光作为信息的载波信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统。

现代微电子技术从20世纪中期诞生以来,以每18个月单芯片数据密度增加一倍的摩尔定律高速发展,极大地推动了现代科学技术的进步和社会经济的飞速发展。

当信息处理的频率和信号带宽越来越高时,通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制;而线宽减小到深纳米尺度时,相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。

这迫使人们越来越关注光信息处理技术,并尝试用光器件来替代部分传统电子器件,以突破上述瓶颈限制。

实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级,并能与微电子电路集成在同一芯片上。

目前比较有效的方法有三种:纳米线波导,表面等离子体和光子晶体[1]。

其中,光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点,被认为是最有前途的光子集成材料,称为光子半导体[2]。

它是1987年才提出的新概念和新材料。

这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动[3,4]。

由于其独特的特性,光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件,在光通讯上也有重要的用途,如用光子晶体器件来替代传统的电子器件,信息通讯的速度快得无法想象。

用光子晶体做成的光子集成芯片,可以像集成电路对电子的控制一样对光子进行控制,从而实现全光信息处理,在全光通有着诱人的应用前景。

工作于可见光波段的光子晶体器件典型尺寸通常为微米、亚微米量级,却可实现导光、分光、滤光以及波分复用等很多功能,非常有利于光路集成。

目前,电路芯片集成度已经逐渐受到“电子瓶颈”效应的限制,这是因为电子带电荷,相互之间存在库仑作用,互相干扰,产生热效应,因此集成度过高时将严重影响传输速度,而光子呈电中性,并具有高于电子好几个数量级的传播速度,不仅可以大幅提高集成度,还可以大幅提高信息传递速率。

光子晶体器件还有一个突出优点:损耗极低基本可以实现无损传输,这对于光通信产业来说是梦寐以求的事,它意味着可以节约大量的光中继放大设备,极大的降低建设成本,同时很多相应的通信技术难题如:光放大后的信号畸变问题、光传输中的电子瓶颈问题等也迎刃而解。

光子晶体器件的研究已经引起国内外众多知名科研机构和公司的广泛重视,形成了包括材料学、物理学、化学、微细加工、电子工程、微电子等多学科交叉的研究热点[5]。

1 光子晶体及其特性近年来,光子晶体及其器件引起州门的普遍关注,并成为当前光电子技术研发的一大热点。

光子晶体是指具有光子带隙结构的一种人工材料,它是直接类比电子禁带材料的结果。

众所周知,电子禁带是一种能带结构,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迁到导带上,这些电子便可在广阔的能量空间遨游。

同样地,电子的缺失也可在禁带以下形成带正电荷的“空穴”,空穴的定向运动也即刻形成电流。

微电子及其应用就是建立在对这些电流精确控制的基础上,例如半导体的开关和逻辑功能就是来源于对禁带以上电子和禁带以下空穴增益性的控制。

我们把具有这类现象的材料称之为电子禁带晶体,大家熟知的半导体Si和IIIV族化合物就是这类电子禁带晶体,而电子禁带的存在和性质主要取决于材料的原子类型及其周期性的晶格结构,即晶格的形状和间距。

周期性晶格结构的尺度为电子德布罗意波长的量级(约1~50μm。

人们经过多年的研究,于1987年提出光子禁带(或称光子带隙的概念[6]。

光子禁带材料,亦称光子晶体,它是指在某一能量范围的光子不能通过具有光子带隙的材料或者在这样光子带隙材料中产生的光子不能传播。

光子带隙用下式表示:(=2PBGaa cωπλ=⋅光子带隙(1 式中,ω是光波角频率,c是真空中光速,a是晶格间隔(晶体常数,λ是光波波长。

光子晶体对光子具有阻光性或局域光性,这种阻光性是由于光子晶体具有周期性的折射率变化的结构所致。

那么,我们自然想到的光波导。

利用光子晶体阻光或局域光的特性制作的光波导称之为光子晶体光波导。

光子晶体光波导又如何导光呢?这是我们关心的问题之一。

研究表明,只要破坏光子晶体的晶格结构,便可破坏它的阴光性或局域光性。

最简单的办法是在光子晶体中引入缺陷,使之形成缺陷态,那么,光子便可在缺陷中传播。

例如,在光子晶体中引入一个线缺陷,便可形成一个二维(D2的光子晶体光波导,利用2D光波导在传播方向的延伸便可构成三维(3D光子晶体光波导,这就是光子晶体光纤;在光子晶体中引入一个点缺陷或一个环形缺陷,便可构成一个纳米尺寸的微谐振腔(称之为纳米谐振腔或环形微谐振腔(称之为环形谐振腔,利用这些谐振腔便可制作出光子晶体激光器;在光子晶体光波导附近引入一个点缺陷,通过改变点缺陷的尺寸,便可制作出光子晶体滤波器;通过两条靠得很近的光子晶体光波导之间的消失场耦合,便可构成一个光子晶体丰禺合器。

利用这种耦合器和弯曲光波导的组合,便可制作出光子晶体波长复用/解复用器;利用上述光子晶体器件便可在单片的光子晶体平板上制作出光子晶体集成光路。

在光纤通信系统中,光子晶体有.两个最具吸引力的应用:一个是光子晶体光纤;另一个是2D 光子晶体器件。

光子晶体光纤具有不同于常规光纤的特性,利用它的神奇特性可以制作出高性能的光子晶体光纤及其器件(如光纤放大器和光子晶体光纤激光器。

2D光子晶体器件最具吸引力的是它的尺寸进入纳米或微米量级,为超微型化器件提供可能性。

以低阈值和无阈值为特色的光子晶体激光器是2D光子晶体器件最具亮点的光电子器件。

2 现阶段发展的几类光纤通信用光子晶体器件2.1 光子晶体光纤2.1.1 光子晶体光纤的结构光子晶体是一种人工制造的具有周期晶格结构的材料。

最简单的光子晶体就是一块玻璃上钻有许多规则排列的空气孔阵,如果在这样的玻璃块的中心再钻一个较大孔径的孔,便构成最简单的光子晶体光纤,空气孔就是它的晶格,空气子间中心距离就是它的晶格常数。

中心孔就是光纤的导光区,周围的空气孔阵就是它的包层。

这样的光纤的导光依赖于包层表现出的光子禁带效应以及中心处的不完全禁带效应,把这样结构的光纤称之为光子禁带效应光子晶体光纤。

然而,这种光子晶体光纤只能用作演示使用。

因为它要求空气孔阵的排列十分地精确,且要求空气孔的直径较大。

真正具有实用性的光子晶体光纤是全内反射型光子晶体光纤,它的导光方式类似于传统光纤的全内反射原理,即利用中心缺陷区和缺陷区外周期结构之间的有效折射率差,而不是依赖于光子禁带效应,把光子局域在高折射率的纤芯中(缺陷区中。

这种光纤和光子禁带效应光纤相比,无论在理解上和制作上都更为简单,因为它沿用经典的全内反射来解释导光机制,同时在制作上空气孔不需要十分精确地排列,更适合于制作。

因此,具有实用价值的光子晶体光纤大多是全内反射型光子晶体光纤,图1示出了其结构示意图。

空气孔阵列中心缺陷区图1 全内反射型光子晶体光纤2.1.2 光子晶体光纤的特性光子晶体具有许多不同于传统光纤的特性,概括起来有三个重要特性:(1 单模传输特性任何普通光纤都有其截止波长,只有当传输光波的波长大于截止波长时,才能实现单模传输。

然而,对于光子晶体光纤来说,只要满足空气孔足够地小,且空气孔径与空气孔间的中心间距之比(简称孔比率满足一定要求(如孔比率≤0.2,便具有水无休止的单模传输特性[7]。

(2 色散特性由于光厂晶体光纤可以使用同一种材料制成,例如它的中心缺陷孔填充2SiO,这样的光子品体光纤的纤芯和包层可以做到完全的力学和热学的匹配,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限制。

从而可以在非常宽的波长范围内得到较大的色散。

(3 双折射特性光子晶体光纤具有比普通光纤还高的双折射度,只要破坏光子品体光纤的截面的圆对称性便可得到高的双折射度。

例如,通过减少一些空气孔或改变一些空气孔的半径都可得到高的双折射度(3~110-⨯[8]。

图2示出通过缩小一些空气孔的半径而获得高双折射度的光子晶体光纤的截面示意图。

缩小的气孔周期性多孔结构图2 光子晶体光纤的截面示意图2.1.3 光子晶体光纤的设计制作光子晶体光纤具有很大的设计自由度,例如可以选择空气孔子的半径尺寸、空气孔中的填充材料晶格常数、缺陷区的形状和尺寸、缺陷区的填充材料等等,设计出具有不同模式特性、不同非线性、不同带隙、不同色散以及不同双折射特性的光了品体光纤。