1 / 50

“ Photonics Nanostructures ”

面向新世纪信息科学与技术的新挑战. “ Photonics Nanostructures ”. 光子晶体进展. ( Photonic Crystals). 清华大学 信息工程学院 彭 江 得 2002. 11. 05. 线度足够大：光子  “点”. 宏观系统 ( a 1cm, X >> 1). 几何光学. 线度不够大：光子  “ 点” 线度不够小：系统  “点”. 介观系统 ( a 1 - 100m, X  1). Maxwell 电磁场理论.

urbana
Download Presentation

“ Photonics Nanostructures ”

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 面向新世纪信息科学与技术的新挑战 “Photonics Nanostructures” 光子晶体进展 ( Photonic Crystals) 清华大学 信息工程学院 彭 江 得 2002. 11. 05

  2. 线度足够大：光子  “点” 宏观系统 ( a 1cm, X >> 1) 几何光学 线度不够大：光子  “点” 线度不够小：系统  “点” 介观系统 ( a 1-100m, X  1) Maxwell 电磁场理论 (a 0.1-1m, X  1) 光子晶体 (a 0.1-100nm, X<< 1) 纳光子学 线度足够小：原子或分子  “点” 微观系统 ( a 1nm, X << 1) Einstein 量子力学 介观光学物理的新突破 光学系统分区 (系统线度 a, 特征波长  1 m ：判据 X  a /  ) 线度  光波长 量子电动力学

  3. 信息光电子技术的新突破 光通信网络－光子学集成  DWDM 传输：损耗 色散/斜率( 偏振模色散) 光学非线性  DWDM 控制：复用/解复用(MUX/DMUX) 分插/复接(Add/Drop) 交叉互联 (OXC)  光子学集成(VLSI)：波导弯曲损耗

  4. 光电功能材料进展 光电子技术的突破 1970s： 异质结半导体材料（LD 室温工作） 石英光导纤维（损耗 < 1dB/km〕 光纤通信奠定基石 1980s： 量子阱半导体材料（QW激光器） 光电器件更新换代 1990s： 稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器） 光通信技术的革命 光通信发展历史的见证 期待新一代光电功能材料的突破 !！!

  5. 光子晶体  概念－光子能带  光子晶体特性

  6. 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  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

  7. Diamond 结构参量: 孔径 －d 周期 － 芯径 － 二维 二维 三维 一维  d  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 光子能带  光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯)的二维光子晶体

  8. 应用：－ 高效率无发光二极管、太阳能电池 － 高效率无背瓣微波天线 P ( mW ) I th 光子晶体特性 1.光子带隙( PBG )限制作用 － 禁止频率落在带隙内的光传播－带阻滤波器 － 抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射

  9. － 带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应） Electron quantum boxes Optical microcavities 光子晶体特性 2. PBG 限制的“微腔”作用 － 带隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ) 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

  10. 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

  11. 光子晶体特性 4.线缺陷的PBG限制导波作用 － 无全内反射机制(无辐射模)，可折弯成90o而无光损耗 应用：－ 解除了传统光集成回路尺度过大（毫米级）的理论 限制，实现大规模微米级光集成回路的梦想。 － 单模波导芯径可粗可细，光学非线性可弱可强 应用：－ 实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件 （四波混频、波长变换、受激拉曼散射、高速光开关） － 空心波导(无介质损耗、无材料色散、无光学非线性〕 应用：－ 实现超高速、超长距离光通信

  12. 光子晶体特性 5.负折射( superprism ) EFS at the normalized V= 0.325 for: the background material ( big circle) the photonic crystal ( small circles) Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector. (a) Schematic of the structure (b) without the PC (c) with the PC

  13. 二维光子晶体 ( 光纤 )

  14. 折射率导引光纤 （TIR-PCF〕 光子带隙导引光纤 （PBG-PCF〕 晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯 原理：低等效包层折射率－全内反射 特性：次高阶模截止带宽内单模传输 晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯 原理：光子带隙限制局域单模传输 特性：带隙窗口(数m)内单模传输 PCF 类型

  15. Solid rod Hollow tube 0.8 mm 30 mm 16 mm PCF 制备工艺 玻璃毛细管聚束熔垃法 20 mm 20 mm 1 mm 1 mm 1 mm 0.03 mm

  16.  =1.6 mm  =125  m PCF 制备工艺 玻片－芯组装模压法 n2  , Aeff       =2n2/(Aeff)： SF57 Schott glass: n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53m)， = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.110－19m2/W (比纯SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature)

  17. PCF 制备工艺 单模有机聚合物光子晶体光纤

  18. Near-field pattern 528 nm 458 nm Far-field pattern 633 nm 528 nm 458 nm  No other mode field patterns are observed confined to defect region.  No confined mode could be observed at 633nn. PCF 特性 1.宽带低损单模传输 Interstitial holes Near-field pattern  The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.

  19. 10m 近场光斑 h= 0.0065  =180m 2 =22.5 m d = 1.2 m = 9.7 m d/=0.12 0 >458 nm PCF 特性 2. 可变的光学非线性  传导模数与  /0无关，只决定于. d/ Aeff : 1 1000m2 by changing 应用: 大模场面积－高功率激光/放大器 小模场面积－非线性光学器件

  20.  大的正色散  = 1.4 m  = 0.66 D = 250 ps/nm km  平坦的零色散  = 2.9 m  = 0.52 D = 0 ps/nm km  大的平坦负色散  = 3.2 m  = 047 D = -100 ps/nm/km PCF 特性 3. 灵活的色散特性 应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等

  21. PCF 特性 4. 单纤多芯传输 / 耦合 应用：多信道光传输 /光纤传感, 光控光耦合器件

  22. PCF 特性 5. 空气芯光纤－带隙可调 无损耗 ! 无材料色散 !！ 无光学非线性 !！！ 应用：通信/传感

  23. LB =0.4mm LHF = 75m pump =1536nm rcore = 1.6 m signal =1650nm0 Aeff =2. 85m G=42.8dB NF<6dB PCF 应用研究进展 PCF 拉曼放大器

  24. 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 control =1551nm, prob =1530-1580nm PCF 应用研究进展 PCF波长转换

  25. PCF 应用研究进展 电调 PCF 衰减器 LPG:

  26. PCF 应用研究进展 电调 PCF 衰减器

  27. PCF 应用研究进展 电调PCF衰减器 Dynamic range: 30dB, Insertion loss:<0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec

  28. PCF 应用研究进展 电调 PCF 滤波器

  29. PCF 应用研究进展 PCF 耦合器

  30. SMF HOF PCF 应用研究进展 PCF 宽带波长/模选择耦合器

  31. 二维光子晶体 ( 平板 )

  32. 制备工艺 微电子工艺

  33. 制备工艺 248nm DUV lithography on SOI Fig. 2: Photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs. Fig. 1: Photonic crystal waveguide in SOI. Pitch is 460nm, hole-size is 290nm. SOI photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400－500nm hole sizes：160－ 300nm.

  34. 平板 PC 特性 PBG限制波导

  35. PCF 应用研究进展 PC微腔复用/解复用器

  36. PCF 应用研究进展 PC滤波器

  37. PCF 应用研究进展 共面PC谐振腔 1563 nm 1609 nm Lcavity=6m, Q=400

  38. ( MIT ) ( CALTECH) PCF 应用研究进展 微腔耦合波导激光器

  39. PMMA—Electron-beam lithography Cr-Cu layer—Ar+ ion beam etch SiN2 layer—CF4 reactive ion etch InGaAsP QWs region—ECR etch InP Substrate 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 PCF 应用研究进展 光子晶体微腔激光器 --HCL:H2O=4:1 wet chemical etch

  40. PCF 应用研究进展 光子晶体微腔激光器

  41. PCF 应用研究进展 光子晶体微腔激光器

  42. 光子晶体 （三维）

  43. W Si d Example Model Fabrication (a) d (b) d d (c) d (d) Si / SiO2 (e) b  Waves of certain can not enter into or propagate through the materials.  = 1.5 m  gap= 14 %  0,center a y z 制备工艺 半导体光刻工艺

  44. h 65oC Si 微球尺度 855nm1.3％ Substrate Substrate 80oC T 制备工艺 溶胶－凝胶（Sol-gel)法 － SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备

  45. LPCVD 550oC Substrate Substrate Substrate 制备工艺 溶胶－凝胶（Sol-gel)法 －Si - inverted opals 制备

  46. 16层 2层 4层 制备工艺 空气球大小： (a, b): 1mm, (c, e): 670nm a. 透射谱：— 理论— 实验 b. 理论计算的光子能带 (111) surface

  47. (100) surface 制备工艺 空气球大小： (d, f) : 855mm c. 理论计算的光子能带 b. 反射谱：— 841nm,— 1070nm

  48. 制备工艺 Doping and patterning Si photonic crystals (a) 在 Si 光子晶体中引入填隙缺陷 (b) 在大面晶体中刻进100-m 光子晶体环 (c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios

  49. 应用研究 量子信息处理

  50. 谢谢

More Related