1、光子品體、發(fā)展背景及歷史1.1微電子的危機(jī)Intel 90nm CPU今天，人類進(jìn)入了信息時(shí)代，電子信息產(chǎn)業(yè)已成 為當(dāng)今全球規(guī)模最大、發(fā)展最迅猛的產(chǎn)業(yè)，從日常生 活的電視，電話等家庭用品到工作中的電子計(jì)算機(jī)， 傳感器以及各種電子測(cè)試設(shè)備，無處不滲透著半導(dǎo)體 技術(shù)的影響，可以說半導(dǎo)體技術(shù)正日益成為我們工作 和生活中不可缺少的組成部分。微電子技術(shù)是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一(另 一個(gè)是軟件技術(shù))，是在半導(dǎo)體材料上采用微米級(jí)線 度加工處理的技術(shù)。現(xiàn)在電子信息技術(shù)，尤其是計(jì)算 機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。來自于半導(dǎo)體元器件的 技術(shù)突破，每一代更高性能的集成電路的問世，都會(huì)驅(qū)動(dòng)各個(gè)信息技術(shù)向前躍進(jìn)。 我們

2、今天處在一個(gè)真正的技術(shù)革命時(shí)代，而微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)是這個(gè)革命最 基礎(chǔ)的組成部分。微電子技術(shù)所遵循的摩爾定律指出：芯片集成度每18-24個(gè)月增長一倍，價(jià)格不變。目前主流加工技術(shù)是 8英寸硅片，0.25微米線寬。12英寸硅片0.13 微米應(yīng)經(jīng)批量生產(chǎn)。當(dāng)前，半導(dǎo)體技術(shù)正向著高速度，高集成化方向發(fā)展。據(jù)國 際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2014年，半導(dǎo)體芯片加工技術(shù)將達(dá)到18英寸硅片0.035微 米線寬。當(dāng)集成電路線寬達(dá)到0.1微米以下時(shí)，標(biāo)志著半導(dǎo)體制造技術(shù)及器件、 工藝?yán)碚撾S之全面進(jìn)入納米領(lǐng)域。硅基芯片的微細(xì)加工技術(shù)將可能達(dá)到極限。屆時(shí)，微電子的基礎(chǔ)理論、材料技術(shù)和加工技術(shù)都將遇到極大的挑戰(zhàn)：(1)首先

3、是芯片的發(fā)熱量隨著工作頻率的提高而迅速增加從而使芯片無法正常 工作；(2)其次是現(xiàn)有的加工設(shè)備已經(jīng)很難再繼續(xù)減小芯片內(nèi)部的線寬，因而通過減 小線寬的方法來提高心片的工作效率和性能遇到了很大的困難；(3)最后也是最難克服的一點(diǎn)，隨著芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的減小，其量子效應(yīng)會(huì)非常 明顯，電子在芯片內(nèi)部的波動(dòng)效應(yīng)就不可以忽略， 而電子的波動(dòng)所造成的量子隧 穿效應(yīng)直接威脅著用“1”和“0”表示“開”和“關(guān)”狀態(tài)的芯片最基本的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因在于半導(dǎo)體器件的工作載體是電子，由于電子是一種 費(fèi)米子，具有靜止質(zhì)量，同時(shí)，電子之間具有庫侖相互作用，當(dāng)集成度很高時(shí)， 產(chǎn)生熱效應(yīng)，相互干擾，這即是“電子瓶頸”效應(yīng)產(chǎn)

4、生的原因。這一特點(diǎn)使得微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展在速度，容量和空間相容性方面受到了限制?？梢钥吹?，微電子技術(shù)很有可能在未來的十多年中走到盡頭， 屆時(shí)如 果不能解決這些問題，信息技術(shù)的前進(jìn)腳步就很有可能停止下來， 會(huì)對(duì)人們的生 活、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展所產(chǎn)生的嚴(yán)重后果是不可想象的。1.2 光子芯片的曙光從目前的研究情況來看，解決上述的三個(gè)問題還有很大的困難， 尤其是最后 一個(gè)問題的解決更是遙遙無期。人們便把目光投向了 一些其他技術(shù)， 其中利用光 子代替電子在芯片內(nèi)進(jìn)行信息的傳輸與處理無疑是這些技術(shù)中最具吸引力的方 案。比起電子來利用光子來攜帶信息具有更大的優(yōu)勢(shì)，電子自身的特性，比如具有靜止質(zhì)量以及電子間

5、的庫侖作用等都限制了其難以作為大容量高速的載體；與電子相比光子具有如下優(yōu)點(diǎn)：光子是以光速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子，傳播速度快，頻帶寬，具有極高的信息容量 和效率；光子靜止質(zhì)量為零，相互作用很弱，能耗低；電子器件的響應(yīng)時(shí)間一般為10”秒，而光子器件可達(dá)10上10/6秒，極快的響 應(yīng)能力；(4)光子在通常情況下互不干涉、具有并行處理信息的能力； (5)極大的存儲(chǔ)能力。但是光子很難控制，要利用光子來進(jìn)行信息處理，首要任務(wù)就是找到類似半 導(dǎo)體材料控制電子一樣地控制光子行為的材料?，F(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)是電子能帶和帶隙。它是由于電子波函數(shù)與晶體周期勢(shì)場(chǎng)相互作用的結(jié)果。那么，同樣具有波動(dòng)性的光子，當(dāng)其在某種材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，

6、是否也會(huì)產(chǎn)生能帶和帶隙呢？在這一研究背景下，E.Yablonovitch和S.John在1987年各自提出了光子晶體(Photonic Crystals或 photonic Band)的概念。光子晶體(PhotnociCyrstalsXl!是這種人們期待已久的新材料。美國的科學(xué) 雜志在1999年12月17日把光子晶體列為十大科學(xué)進(jìn)展之一，光子晶體已成為 世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)。1.3 光子晶體的發(fā)展歷史第一個(gè)具有實(shí)際可行性的光子晶體結(jié)構(gòu)是由依俄洲大學(xué)的Ho, Chan和Soukoulis等人首先從理論上提出來的，而美國貝爾通訊研究所的Yablonovitch則制造出了世界上第一個(gè)具有完全光子頻率

7、禁帶的三維光子晶體。第一塊三維光子晶體結(jié)構(gòu)，用活性離子束炮轟依次從三個(gè)相差1200的方向在介質(zhì)上穿孔而制成，光子晶體的光子頻率禁帶寬度約為中心工作頻率的20%。早期這種光子晶體的工作頻率多數(shù)落在微波波段。近年來，其工作波段推進(jìn)到紅外波段。一般來說， 工作波長越短，三維光子晶體的制造越困難。目前還沒有找到制造工作于短波長， 尤其是工作于可見光波段的光子晶體結(jié)構(gòu)的有效方法。為了獲得短波長光子晶體，人們近年來提出了一些新的光子晶體構(gòu)造方案。其中一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的方案就是所謂的“逐層疊加(layer by-layer)”方法，即用許多片二維周期性結(jié) 構(gòu)疊加在一起而構(gòu)成三維光子晶體，這種想法是由Ozba

8、y等人提出來的，這種“逐層疊加”方法已被人們廣泛采用。原則上來說，這種方法為短波長三維光子 晶體的制造提供了一個(gè)可行的途徑，但在短波長區(qū)域其制造工藝。EtjI g 叫p"wrilwiv- iJri Iiiwb i 耳 iAiju/Uhc Uwifat.'v ra-ndiai.T1W-121 141cH第 圖1 Yablonovitch等人制造的世界上第一個(gè)三維光子結(jié)構(gòu)圖2 1994年，E.Ozbay等人采用逐層疊加的方法制作的三維光子晶體結(jié)構(gòu)。光子晶體雖然是一種純粹人工合成的新材料，不過人們也在自然界中發(fā)現(xiàn)了天然的光子晶體。蛋白石 opal就是一種天然的光子晶體材料。在生物界

9、，最近 也發(fā)現(xiàn)了光子晶體的蹤跡。在一種帝王蝴蝶中的翅膀上發(fā)現(xiàn)了第一種天然的三維 光子晶體結(jié)構(gòu)。隨后Argyros等用SEM、TEM和電腦技術(shù)相結(jié)合研究了帝王蝴 蝶翅膀的具體結(jié)構(gòu)(見圖3)。研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)筑這種光子晶體的材料是一種類似于纖 維素的角質(zhì)蛋白質(zhì)。其原胞內(nèi)結(jié)構(gòu)為一四面體，晶格結(jié)構(gòu)則屬于三斜品系。盡管 光子晶體的提出已有十幾年了，但是光子晶體在實(shí)驗(yàn)上仍然發(fā)展很慢，困難重重。 最近人們研究發(fā)現(xiàn)，在生物界的 DNA的幫助下，可以在微米尺度下制造出各種 各樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。也許在未來光子晶體的研究中，用生物技術(shù)來合成光子晶體可 以為這一領(lǐng)域開創(chuàng)一條新的研究方法。圖3 Adonis藍(lán)蝴蝶以及蝴蝶翅膀的

10、SEM照片二、光子晶體的基本概念2.1 基本概念光子晶體的物理概念首先是由 E.Yablonovitch和s.John1987年幾乎同時(shí)分別 獨(dú)立地提出。Yablonovitch主要著眼于控制材料的自發(fā)輻射性質(zhì)，而John則側(cè)重于研究無序介質(zhì)對(duì)光局域化的影響，他們都提出了介電函數(shù)作周期性變化的結(jié)構(gòu) 能夠影響材料中光子的狀態(tài)模式，由此可以設(shè)計(jì)出能影響光子能帶性質(zhì)的材料。光子晶體是一種介電常數(shù)空間周期性變化、品格常數(shù)可與光波長相比、且具 有光子帶隙結(jié)構(gòu)，能控制光子傳播狀態(tài)的新型人工材料。與半導(dǎo)體相類似，光子晶體中光的折射率的周期性變化產(chǎn)生了光的帶隙結(jié) 構(gòu)，從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)。

11、同樣光波的色散曲線形成帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶的“光子禁帶”(Photonic Band Gap)。頻率落在禁帶中的光波是被嚴(yán)格禁止傳播的。其實(shí)不管任何波，只要受到周期性的調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能出現(xiàn)帶隙。能量落在帶隙中的波是不 能傳播的，電磁波或者光波也不例外。如果只在一個(gè)方向上有周期結(jié)構(gòu)，光子禁帶只可能出現(xiàn)在這個(gè)方向上，如果存在三維的周期結(jié)構(gòu)，就可能出現(xiàn)全方位的光 子禁帶，落在禁帶中的光在任何方向上都被禁止傳播。我們將具有光子禁帶的周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為光子晶體(Photonic Cyrstals)。由于一般晶體和光子晶體都具有周期性結(jié)構(gòu)，許多研究一般晶體的概念都被

12、 運(yùn)用到光子晶體的研究中去，如能帶、能隙、態(tài)密度、倒易空間、色散關(guān)系、布 里淵區(qū)、Bloch波函數(shù)、缺陷態(tài)、施主態(tài)、受主態(tài)等等，固體能帶理論中許多方 法也被用來研究光子晶體中光子的運(yùn)動(dòng)。光子晶體的結(jié)構(gòu)可以這樣理解，正如半導(dǎo)體材料在晶格結(jié)點(diǎn)(各個(gè)原子所在的位置)周期性出現(xiàn)離子一樣，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的 出現(xiàn)低折射率(如人工造成的空氣空穴)的材料。高低折射率材料的交替排列形成 周期性結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子帶隙。而周期排列的低折射率位點(diǎn)之間的距離大小不 同，導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對(duì)一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)，也就是 只有某種頻率的光才會(huì)在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁

13、止傳播。2.2 光子晶體的分類按照組成光子晶體的介質(zhì)排列方式的不同，可以將其分為一維、二維和三維 光子晶體，具空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1光子晶體的空間結(jié)構(gòu)所謂一維光子晶體是指介質(zhì)折射率在空間一個(gè)方向具有周期性分布的光子 晶體材料，相當(dāng)于不同介質(zhì)組成的多層膜材料。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的一維光子晶體通常由 兩種介質(zhì)交替疊層而成，在垂直于介質(zhì)層平面方向上介電函數(shù)是空間位置的周期 性函數(shù)，而在平行于介質(zhì)層平面方向上介電函數(shù)不隨空間位置變化。最初人們認(rèn)為，由于只在一個(gè)方向上具有周期性結(jié)構(gòu)， 一維光子晶體的光子帶隙只可能出現(xiàn) 在這個(gè)方向上。然而后來，Joannopoulos和他的同事從理論和實(shí)驗(yàn)上指出一維光 子晶體也可

14、能具有全方位的三維帶隙結(jié)構(gòu)，因而需由二、三維光子晶體材料制作的器件用一維光子晶體材料也可能制備出來，并且相對(duì)而言，一維光子晶體在結(jié)構(gòu)上最為簡(jiǎn)單，易于制備。因此，一維光子晶體仍具有很高的研究意義，可以用 一維光子晶體去完成二維、三維光子晶體的功能，有望在將來的全光通訊中扮演 舉足輕重的角色。二維光子晶體是指在二維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料，它是由介質(zhì)桿平行而均勻的排列組成的。這種結(jié)構(gòu)在垂直于介質(zhì)桿的方向上(兩個(gè)方向)介電函數(shù)是空間位置的周期性函數(shù)，而在平行于介質(zhì)桿的方向上介電函數(shù)不 隨空間位置而變化。由介質(zhì)桿陣列構(gòu)成的二維光子晶體的橫截面存在多種結(jié)構(gòu)， 如矩形、三角形和石墨的六邊形結(jié)

15、構(gòu)等。截面形狀不同，獲得的光子頻率禁帶寬 窄也不一樣。矩形的光子頻率禁帶范圍較窄，三角形和石墨結(jié)構(gòu)的光子頻率禁帶 范圍較寬。為了獲得更寬的光子頻率禁帶范圍，還可以采用同種材料但直徑大小 不同的兩種介質(zhì)圓柱桿來構(gòu)造二維光子晶體。光子晶體光纖和光子晶體波導(dǎo)是二維光子晶體的特例。光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)是一種帶有缺陷的二維光子晶體， 它將先限制在缺陷內(nèi)傳播。目前研究得比較多的是硅一空氣結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖： 由空氣孔和硅材料組成的規(guī)則排列的二維周期結(jié)構(gòu)，然后在中心處制造出缺陷，缺陷可以是各種形狀的空氣孔或?qū)嵭牡氖?。PCF光損耗小，具有特殊的色散和非性特性

16、，在光通訊領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。光子晶體波導(dǎo)也是一種帶有缺陷的光子晶體，它體積小，易集成， 可實(shí)現(xiàn)光波的低損耗大角度彎曲。光在通訊領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)是其他物質(zhì)很難比擬的，但阻礙光器件發(fā)展的主要困難是光很難控制，傳統(tǒng)的波導(dǎo)纖維對(duì)光的束縛能力差，在僅有 50的轉(zhuǎn)彎處，光場(chǎng)也會(huì)有超過一般的輻射損失，要實(shí)現(xiàn)900的轉(zhuǎn)彎幾乎是不可能的。因此，要減少光場(chǎng)輻射損失，波導(dǎo)的曲率半徑必須非常大，這樣又會(huì)限制光通訊器件的集成度。光子晶體波導(dǎo)可以克服這一困難。當(dāng)在光子晶體中引入缺陷時(shí)， 頻率落在線缺陷中的光波將被嚴(yán)格限制在缺陷的方向傳播，線缺陷為直線時(shí)，光波導(dǎo)也是直的，線缺陷成一定角度時(shí)，光波導(dǎo)也成一定角度?？梢灶A(yù)見，

17、光波導(dǎo)器件在未來的全光集成光路中將起到關(guān)鍵作用。三維光子晶體是指在三維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料。三維光子晶體具有全方位的光子帶隙，即落在帶隙中的光在任何方向都被禁止傳播。這一特性具有極其重要的應(yīng)用前景。美國貝爾通訊研究所的Yablonovitch 創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)具有完全光子頻率禁帶的三維光子晶體，它是一種由許多面心立方體構(gòu)成的空間周期性結(jié)構(gòu)，也稱為鉆石結(jié)構(gòu)。不過三維光子晶體的制作相對(duì)來說比較復(fù)雜，對(duì)材料和設(shè)計(jì)加工都有很高的要求。三、光子晶體的主要性質(zhì)光子晶體自誕生以來，在短短的幾十年里，迅速成為各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，主要是因?yàn)楣庾泳w具有光子禁帶，能控制光的傳播狀態(tài)，抑制自

18、發(fā)輻射，引入缺陷后產(chǎn)生光子局域等獨(dú)特的性質(zhì)。3.1 光子晶體的根本特征是具有光子禁帶光子晶體的根本特征是具有光子禁帶，落在禁帶中的光是被禁止傳播的。正是由于頻率落在光子帶隙中的光子或電磁波不能在光子晶體中傳播，若選擇沒有明顯吸收的介電材料制成光子晶體，則可以反射任何方向的入射光，反射率幾乎為 100%。因此可以將光子晶體作為基底，從而大大提高平面微波天線的發(fā)射效率或反射鏡的反射率，做成極低損耗的微波天線以及光子晶體全反射鏡。光子帶隙的存在會(huì)帶來許多新的物理現(xiàn)象和新的應(yīng)用。3.2 光子晶體可以抑制自發(fā)輻射的特征愛因斯坦曾經(jīng)認(rèn)為自發(fā)輻射是不可控制的，它將不可避免的與受激輻射和受激吸收共存?，F(xiàn)在利用

19、光子晶體可以改變這一論斷。我們知道，自發(fā)輻射的幾率與光子所在頻率的態(tài)的數(shù)目成正比。當(dāng)原子被放在一個(gè)光子晶體里面，而它自發(fā)輻射的光頻率正好落在光子禁帶中時(shí)，該頻率的光子態(tài)的數(shù)目為零，因此自發(fā)輻射幾率為零，自發(fā)輻射也被抑制。反過來，光子晶體也可以增強(qiáng)自發(fā)輻射，只要增加該頻率光子態(tài)的數(shù)目便可實(shí)現(xiàn)。如在光子晶體中加入雜質(zhì)，光子禁帶中會(huì)出 現(xiàn)品質(zhì)因子非常高的雜質(zhì)態(tài)，具有很大的態(tài)密度，這樣便可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)輻射的增光子布密度)-圖2光子禁帶對(duì)原子自發(fā)輻射的影響示意圖（a）自由空間；（b）有缺陷的光子晶體中（自發(fā)輻射被抑制）；（c）有缺陷的光子晶體中（自發(fā)輻射被增強(qiáng)）利用光子帶隙的自發(fā)輻射抑制作用，可以極大地降

20、低因自發(fā)輻射而導(dǎo)致的復(fù) 合幾率，降低激光器的截止電流和閾值，設(shè)計(jì)出低閾值的光子晶體激光器。3.3 光子晶體的光子局域特征John于1987年提出：在一種經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的無序介電材料組成的超晶格 （相 當(dāng)于現(xiàn)在所稱的光子晶體）中，光子呈現(xiàn)出很強(qiáng)的 Aderson局域。如果在光子晶 體中引入某種程度的缺陷，和缺陷態(tài)頻率吻合的光子有可能被局域位置，一旦其偏離缺陷處光就迅速衰減。當(dāng)光子晶體理想無缺陷時(shí)，根據(jù)其邊界條件的周期性 要求，不存在光的衰減模式。但是一旦晶體原有的對(duì)稱性被破壞， 在光子晶體的 禁帶中央就可能出現(xiàn)頻寬極窄的缺陷態(tài)。如果在完整的光子晶體里引入線缺陷， 就形成了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。頻率在光子帶隙

21、里的光波將被限制在波導(dǎo)內(nèi)傳播，這是一種全新的不依賴全反射的導(dǎo)光機(jī)制。 普 通的光纖在大角度的彎折處，能量將泄漏一半以上，而光子晶體里同樣彎曲的波 導(dǎo)，損耗只有2%。由于優(yōu)良的光波導(dǎo)性能，光子晶體可能在未來的全光集成回 路中起關(guān)鍵作用。如果在完整的晶體里引入點(diǎn)缺陷，則形成光子帶隙內(nèi)的缺陷態(tài)， 可以制成品質(zhì)因子非常高的光子晶體微腔。3.4 光子晶體具有負(fù)折射效應(yīng)利用光子晶體負(fù)折射效應(yīng)制作成的超透鏡，能突破傳統(tǒng)成像的衍射極限”,極大地提高成像分辨率，從而對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完美成像”，如果應(yīng)用在核磁共振 成像（MRI）領(lǐng)域，可將輻射集中在病人患部進(jìn)行成像，減少電磁波對(duì)病人的整體 輻射。四、光子晶體的研究現(xiàn)

22、狀4.1 理論研究方法光子晶體提出來之后，人們迅速在理論上和實(shí)驗(yàn)研究上給予高度重視，并且兩者同時(shí)得到很快的進(jìn)展。在理論上，人們最初利用標(biāo)量波理論進(jìn)行計(jì)算，即單獨(dú)考慮光場(chǎng)的某一個(gè)分量，忽略了各個(gè)場(chǎng)量在麥克斯韋方程中的禍合，因此理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的差別。隨后， 人們發(fā)展了幾種矢量波方法，如平面波展開法、時(shí)域有限差分法、傳輸矩陣法等。計(jì)算表明，這些方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上保持一致，這是因?yàn)辂溈怂鬼f方程精確地描述了光場(chǎng)的存在形式，并且光子之間不像電子那樣存在相互作用，在理論上不存在近似。近些年來，光子晶體的理論研究取得了令人矚目的進(jìn)展，在眾多的理論研究方法中，下面列舉幾種使用比較廣泛

23、的計(jì)算方法：( 1)平面波展開法這是光子晶體的計(jì)算中使用最早的一種，也是用的最多的一種方法。它是應(yīng)用布洛赫定理把介電函數(shù)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)用平面波展開，將麥克斯韋方程組化成一個(gè)本征方程，求解本征方程即可得到光子能帶，這種光子晶體的能帶計(jì)算方法實(shí)際上是套用了電子能帶的方法，并在平面波展開方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步套用了綴加平面波方法、緊束縛方法等，在處理有缺陷的情況時(shí)，若采用平面波方法，則要用超原胞，需要很大數(shù)目的平面波。緊束縛方法可以克服這個(gè)困難，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是思路清晰，易于編程；缺點(diǎn)是計(jì)算量正比于所用波數(shù)的立方，因此對(duì)于光子晶體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜或處理有缺陷的體系需要大量的平面波，可能因?yàn)橛?jì)算能力的限制而不能計(jì)

24、算或者難以準(zhǔn)確計(jì)算。如果介電函數(shù)不是常數(shù)而隨頻率變化，就沒有一個(gè)確定的本征方程形式，而且有可能在展開中出現(xiàn)發(fā)散導(dǎo)致根本無法求解。(2)傳輸矩陣法這種方法最早由Penddry 和 Macknnino 發(fā)展起來的，并十分成功的應(yīng)用于LEED 實(shí)驗(yàn)分析和有缺陷的光子晶體中。其實(shí)質(zhì)上，是把電場(chǎng)或磁場(chǎng)在實(shí)空間格點(diǎn)位置展開，將麥克斯韋方程組化成傳輸矩陣形式，同樣變成求解本征值問題。傳輸矩陣表示某一層面格點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與近鄰的另一層面格點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，它假設(shè)構(gòu)成空間中同一個(gè)格點(diǎn)層面上有相同的態(tài)和相同的頻率，這樣可以利用麥克斯韋方程組將場(chǎng)從一個(gè)位置外推到整個(gè)晶體空間。這種方法對(duì)介電函數(shù)隨頻率變化的金屬系統(tǒng)特別有效，由

25、于傳輸矩陣小，矩陣元少，計(jì)算量較前者大大降低，只與實(shí)空間格點(diǎn)數(shù)的平方成正比，精確度也非常好，而且還可以計(jì)算反射系數(shù)和透射系數(shù)。(3)多重散射法這種方法將具有帶隙結(jié)構(gòu)的光子晶體作為散射體置于開放系統(tǒng)中，當(dāng)電磁波與散射體相互作用時(shí)，研究目標(biāo)的散射、吸收和透射特性等。入射電磁波與物體作用要產(chǎn)生散射波，散射波與入射波之和滿足媒質(zhì)不連續(xù)面上切向分量連續(xù)的邊界條件， 因此在物體所在區(qū)域直接計(jì)算入射波和散射波之和的總場(chǎng)更為方便。將電磁場(chǎng)量分別向一階Besesl Hankel函數(shù)作展開，又因?yàn)辂溈怂鬼f方程是線性的， 故總場(chǎng)散射場(chǎng)和入射場(chǎng)部分都分別滿足麥克斯韋方程，通過求解展開系數(shù)可求解散射波幅，傳輸系數(shù)等。這

26、種方法對(duì)某些特殊問題的效果還是不錯(cuò)的。(4)時(shí)域有限差分法這種方法直接把含時(shí)間變量的麥克斯韋方程在Yee 氏網(wǎng)格空間中轉(zhuǎn)化為差分方程。 在這種差分格式中，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量?jī)H與它相鄰的磁場(chǎng)或電場(chǎng)分量及上一時(shí)間步該點(diǎn)的場(chǎng)值有關(guān)，在每一時(shí)間步計(jì)算網(wǎng)格空間各點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，隨著時(shí)間步的推進(jìn)，即能直接模擬電磁波的傳播及其與物體的相互作用過程。由于在差分格式中被模擬空間電磁性質(zhì)的參量是按空間網(wǎng)格給出的。因此，只需對(duì)相應(yīng)空間點(diǎn)設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)，對(duì)介質(zhì)的非均勻性、各相異性、色散特性和非線性等結(jié)構(gòu)均能很容易地進(jìn)行精確模擬。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，容易編程，且大大減少計(jì)算量，節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存。(5)

27、N 階(orde-rN)法這是引自電子能帶理論的緊束縛近似的一種方法，由Yee 在 1996 年提出的時(shí)域有限差分法(FDTD)發(fā)展來的。基本思想是：從定義初始時(shí)刻的一組場(chǎng)強(qiáng)出 發(fā)， 根據(jù)布里淵區(qū)的邊界條件，利用麥克斯韋方程組可以求出場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間的變化，從而最終解得系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)。具體做法；通過傅立葉變換先將麥克斯韋方程組變化到倒格子空間，用差分形式約簡(jiǎn)方程組，然后再作傅立葉變換，又將其變換到實(shí)空間，得到一組被簡(jiǎn)化了的時(shí)間域的有限差分方程。這樣， 原方程可以通過一系列在空間和時(shí)間上都離散的格點(diǎn)之間的關(guān)系來描述，計(jì)算量大大降低，只與組成系統(tǒng)的獨(dú)立分量的數(shù)目N成正比。但是在處理 Andesron局域

28、和光子禁帶中 的缺陷態(tài)等問題時(shí)，計(jì)算量劇增，這種情況下傳輸矩陣法比較方便。上述的理論計(jì)算方法只是給定的光子晶體的結(jié)構(gòu)組成后才能定量定性地得出準(zhǔn)確的結(jié)論。雖然我們知道幾個(gè)參量(如介電函數(shù)比、填充比、晶格結(jié)構(gòu)等)對(duì)光子禁帶有影響，但 “到底是什么物理機(jī)制在光子禁帶的形成中起了決定作用？”也就是怎樣從物理上定性、定量或者半定量地分析和設(shè)計(jì)光子禁帶?尚未有正確答案。 例如， 如果要得到一定頻率范圍內(nèi)的光子禁帶，我們應(yīng)該找什么樣的光子晶體結(jié)構(gòu)組成呢？由于這方面的研究迄今不過十余年，所以還有大量的工作需要人們?nèi)プ觥?.2 應(yīng)用領(lǐng)域( 1)平面微波天線由于頻率落在光子帶隙中的光子或電磁波不能在光子晶體中傳播

29、，因此選擇沒有吸收的介電材料制成的光子晶體可以反射從任何方向的入射光，反射率幾乎為 100%，這與傳統(tǒng)的金屬反射鏡完全不同。傳統(tǒng)的金屬反射鏡在很大的頻率范圍內(nèi)可以反射光，但在紅外和光學(xué)波段有較大的吸收。在微波、 毫米波集成回路中，平面天線是很重要的角色，它將信號(hào)從芯片輻射入自由空間。普通的平面天線由于襯底的透射等原因，發(fā)射向空間的能量有很多損失。如果用光子晶體作天線襯底，若天線的驅(qū)動(dòng)頻率在帶隙內(nèi)，那么，不論以任何角度輻射的功率都不會(huì)進(jìn)入襯底，因?yàn)檠貙?dǎo)體一襯底界面，整個(gè)襯底部分的半球內(nèi)，輻射都不被傳播。所以用光子晶體作平面天線的襯底，會(huì)極大地增加天線的輻射強(qiáng)度、輻射效率和擇向性。Brown 等人

30、首先在光子晶體襯底上制作了平面天線，實(shí)驗(yàn)證實(shí)通過布拉格散射，光子晶體內(nèi)部消除了天線輻射，這樣輻射不被襯底吸收。接著又用帶隙互相重迭的光子晶體按一定順序堆起來，獲得超寬帶隙光子晶體，以用作高效寬帶天線的襯底。以前人們一直認(rèn)為一維光子晶體不能作為全方位反射鏡，因?yàn)殡S著入射光偏離正入射，總有光會(huì)透射出來。但最近Fink 等人的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選擇適當(dāng)?shù)慕殡姴牧?，即使是一維光子晶體也可以作為全方位反射鏡。高發(fā)射率小型微波天線傳統(tǒng)的小型偶極平面微波天線是以 GaAS故基底材料的，具發(fā)射效率只有2% 而 98的能量被基底吸收或者散射消耗掉。如果采用光子晶體做基底材料，對(duì)于頻率處于光子帶隙范圍內(nèi)的電磁波

31、，光子晶體的表面是一個(gè)理想的反射面，光子晶體基底幾乎不消耗能量。這樣天線所發(fā)射的電磁波均被發(fā)射到空間中，從而大大提高了天線的發(fā)射效率。（ 2）寬帶帶阻濾波器和極窄帶選頻濾波器利用光子晶體的光子頻率帶隙特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的極優(yōu)良的濾波性能。這是由于光子晶體的濾波帶寬可以做的比較大，金剛石結(jié)構(gòu)的光子品體的濾波帶寬可以做到中心頻率的20%,而由Gupta等人所提出的金屬一介質(zhì)復(fù)合型光子晶體 可以將從低頻（頻率接近0Hz）直到紅外波段的電磁波完全濾掉。這種大范圍的 濾波作用利用傳統(tǒng)的濾波器是難以實(shí)現(xiàn)的。另外研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光子晶體中的某些單元被取消而造成缺陷時(shí)，就會(huì)使得光子晶體的光子頻率帶隙出現(xiàn)一些“可穿

32、透窗口”，即光子頻率帶隙內(nèi)的某些頻率會(huì)毫無損失地穿過光子晶體。光子晶體的這一特性可以用來制作高品質(zhì)的極窄帶選頻濾波器。（ 3）光子晶體微腔光學(xué)微腔是指具有高品質(zhì)因子而尺寸小至與諧振光波波長相比擬的光學(xué)微型諧振腔。但由于其尺寸特別小，用傳統(tǒng)的諧振腔制作方法來制造微腔是相當(dāng)困難的。而且在光波波段，傳統(tǒng)的金屬諧振腔的損耗相當(dāng)大，品質(zhì)因數(shù)值很小。而光子晶體微腔的品質(zhì)因數(shù)可以做得很高，是采用其他材料制作的皆振腔所無法達(dá)到的。在光子晶體中引入缺陷可能在光子帶隙中出現(xiàn)缺陷態(tài)，這種缺陷態(tài)具有很大的態(tài)密度和品質(zhì)因子。人們通過在完整光子晶體中引入一個(gè)點(diǎn)缺陷來實(shí)現(xiàn)光限 制。點(diǎn)缺陷可以是在晶體中心的某個(gè)局部點(diǎn)改變?cè)?/p>

33、的介電常數(shù)、尺寸，或者是把它從晶體中移走。從晶體中移走一個(gè)原子，就形成了一個(gè)由反射鏡圍成的腔， 如果腔的尺寸正適合容納一個(gè)處在帶隙內(nèi)的模式，就將這個(gè)模式“釘”在了缺陷處。如果這個(gè)模式與傳播模有非零的耦合， 能量就會(huì)從諧振方向漏泄出去，一般 用腔的品質(zhì)因子Q描述這一特性。1991年，Yablonvitch等人通過在三維光子晶體中引入一個(gè)點(diǎn)缺陷制作出了 第一個(gè)光子晶體微腔。兩年后，smith等人用二維光子晶體也作成了高品質(zhì)因子 微腔，在1018GHz波段，Q值達(dá)到1000左右。1996年，Lin等人報(bào)道，他們 設(shè)計(jì)出的類似量子阱和量子盒結(jié)構(gòu)的二維光子晶體諧振腔，在毫米波段，品質(zhì)因子Q值可達(dá)2300

34、0。目前實(shí)驗(yàn)中己經(jīng)可以在彳米及亞微米尺度下用Si或IV、V主族的半導(dǎo)體材料加工出微腔。1999年，Painter等人在Science上報(bào)道了一 個(gè)更小的、垂直發(fā)射的二維缺陷光子晶體微腔激光器，如圖所1示。他們先用離子刻蝕方法刻出二維缺陷光子晶體的圖形，再用濕法腐蝕，把多量子阱下面的襯底挖空。得到的光泵激射譜的激射波長為 1.504Nm,閥值功率為6.75mw。圖1光子晶體微腔的俯視圖和剖面圖光子晶體微腔引起特別注意的原因是它對(duì)光集成有著重要的意義。 它們可以 用來制作密集的微腔陣列，構(gòu)建高密度、多波長的光路，可制作新型耦合諧振波 導(dǎo)，以及應(yīng)用在激光器、光發(fā)射二極管中。(4)光子晶體波導(dǎo)光波導(dǎo)是

35、光電集成回路中光子器件間的“導(dǎo)線”。傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)可以支持 直線傳播的光，但在拐角處光會(huì)通過輻射模而損失能量。彎角的曲率半徑減小時(shí)， 它的損耗也隨指數(shù)增長。所以在密集光電集成器件中，彎折波導(dǎo)形成的損耗將非常大。目前使用的低損耗器件，其波導(dǎo)彎曲的曲率半徑都很大，通常在10mm左 右，這就影響了微型化和高密度集成。理想的材料是既有電介質(zhì)那樣低的本征損 耗，又具有金屬的反射特性。光子晶體恰好滿足這一條件，所以人們認(rèn)為光子晶 體在超小光回路或光集成回路上將有巨大的應(yīng)用前景28-36 o人們首先從理論上預(yù)言了光子晶體波導(dǎo)的這些特性， 光子晶體波導(dǎo)不僅對(duì)直 線路徑而且對(duì)轉(zhuǎn)角也有很高的效率， 后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)

36、了理論預(yù)言。用光子晶體做 光波導(dǎo)的基本思想是：在完美的光子晶體中，按波導(dǎo)形狀引入線缺陷，當(dāng)光的頻 率在光子帶隙內(nèi)時(shí)，因?yàn)闆]有擴(kuò)展的模式可供耦合，光被限制在波導(dǎo)內(nèi)傳播；或 者在傳統(tǒng)波導(dǎo)的彎折處設(shè)置光子晶體波導(dǎo)，以改善彎角處的波導(dǎo)性能。如圖 2 所示，從一塊排布完好的二維光子晶體中，移去一些介質(zhì)棒或?qū)⒁慌趴涨怀湟栽?介質(zhì)都可以制成一個(gè)具有線缺陷的光子晶體。 如果用前一種方法，可以得到缺陷 態(tài)對(duì)應(yīng)頻率與波矢的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。由于它并不依賴全反射，所以在轉(zhuǎn) 角處可以有效地減少能量損失。在轉(zhuǎn)角為 90度的情況下，這種波導(dǎo)也僅有2% 的損失，90%的能量都傳輸?shù)搅硪欢?，而在相同條件下，傳統(tǒng)波導(dǎo)的能量

37、損失高 達(dá)30%。由Kim等人設(shè)計(jì)的耦合光子晶體的硅波導(dǎo)，其直角傳輸效率達(dá)到了 99.4%。我們可在光纖的曲率半徑較小處以光子晶體波導(dǎo)取代光纖，這樣既可有 效減小損失，又易于實(shí)現(xiàn)。內(nèi)制小苗中 (M 2的圖2二維光子品體制作的光子晶體波導(dǎo)圖3光子晶體波導(dǎo)中頻率與波矢的對(duì)應(yīng)關(guān)系(5)光子晶體偏振片傳統(tǒng)的偏振器只對(duì)很小的頻率范圍或某一入射角度范圍有效，體積也比較 大，不容易實(shí)現(xiàn)光子集成。最近發(fā)現(xiàn)可以用二維光子晶體來制作偏振器。在二維 光子晶體中，電場(chǎng)方向不同的偏振 TE模式和TM模式有不同的能帶結(jié)構(gòu)，存在 不同光子帶隙。如果使它們的帶隙完全錯(cuò)開，那么當(dāng)一束頻率處于帶隙中的自然 光入射晶體時(shí)，其中一種

38、偏振模式的光將被禁止傳播， 出射光只有另一種偏振模 式，而且，如此獲得的偏振光的偏振度和透射率都非常高。這種光子晶體偏振器有傳統(tǒng)的偏振器所沒有的優(yōu)點(diǎn)：可以在很大的頻率范圍工作，體積很小，很容易 在Si片上集成或直接在Si基上制成。(6)光子晶體超透鏡利用光子晶體負(fù)折射效應(yīng)制作成的超透鏡，能突破傳統(tǒng)成像的 “衍射極限”，極大地提高成像分辨率，從而對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“完美成像”，如果應(yīng)用在核磁共振成像(MRI)領(lǐng)域，可將輻射集中在病人患部進(jìn)行成像，減少電磁波對(duì)病人的整 體輻射。光子晶體還有許多應(yīng)用背景，如無閾值激光器、光開關(guān)、光放大、濾波器等新型器件。隨著對(duì)這些新現(xiàn)象新效應(yīng)了解的不斷深入和光子晶體制作

39、技術(shù)的改進(jìn)， 光子晶體的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。由于其具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，并對(duì)未來的光時(shí)代具有重要意義,越來越多的研究人員進(jìn)入這個(gè)研究領(lǐng)域。光子晶體正處于深入研究和應(yīng)用推廣階段,科學(xué)家們預(yù)言光子晶體將給人類帶來不亞于微電子革命所帶來的深刻影響。光子晶體的研究、開發(fā)和應(yīng)用將會(huì)成為未來世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)新的生長點(diǎn)，尤其在新型光子晶體的研制方面，具有很高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。五、前景展望5.1 光子晶體光纖飛秒激光技術(shù)1、發(fā)展過程超短脈沖激光技術(shù)從20 世紀(jì) 80 年代開始，經(jīng)歷染料飛秒激光和固體飛秒激光的發(fā)展，開辟了飛秒激光的應(yīng)用時(shí)代。但其昂貴的成本、龐大的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的操作嚴(yán)重阻礙了飛秒激光應(yīng)用的普及化。所

40、以， 探索新機(jī)理，突破現(xiàn)有飛秒激光局限， 研制新一代飛秒激光技術(shù)成為世界范圍內(nèi)熱門研究課題。隨著光子晶體光纖(PCF)的問世，新一代飛秒激光技術(shù)的研究開始蓬勃發(fā)展起來。2004年Moenster 等將Nd3+離子摻人光子晶體光纖中，該光纖纖芯直徑 7叩，在1060nm處呈現(xiàn)負(fù)色散，利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)鎖模。2006年丹麥和芬蘭的科學(xué)家利用全固態(tài)帶隙結(jié)構(gòu)的增益光子晶體光纖初步實(shí)現(xiàn)了具有增益、色散、 非線性三位一體的全光纖鎖模激光器，從此開始了光子晶體光纖飛秒激光器研究的新趨勢(shì)、新潮流。但是上述光子晶體光纖均為較小芯徑結(jié)構(gòu)，輸出功率只有幾十毫瓦。為了突破小纖芯帶來的輸出功

41、率限制，將摻Y(jié)b3+大模場(chǎng)面積(LMA)光子晶體光纖作為增 益介質(zhì)，則成為提高輸出功率的關(guān)鍵新技術(shù)。2007年,彳惠國Limpert小組的B.Ortac 等利用雙包層大模場(chǎng)面積光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了孤子鎖模，獲得了平均功率880mW,單脈沖能量16.5nJ,脈沖寬度500fs的穩(wěn)定鎖模，具單脈沖能量等技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到普通的t 鈦寶石飛秒激光器的水平，并且正在迅速向微焦耳量級(jí)邁進(jìn)。 天津大學(xué)超快激光研究室也同步開展了這一領(lǐng)域的研究，并利用偏振型大模場(chǎng)面積光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了孤子鎖模及全正色散鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，分別得到19nJ 和50nJ的單脈沖能量輸出。在振蕩級(jí)研究開展的同時(shí)，將大模場(chǎng)面積光子晶體光纖用于飛秒

42、激光放大器的研究也很快展開。2003年LimPert等利用纖芯直徑為28叩的摻Y(jié)b3+雙包層大模場(chǎng)面積光子晶體光纖為放大器的增益介質(zhì)，采用后向抽運(yùn)方式，得到了平均功率6W,重復(fù)頻率73MHz,脈沖寬度100fs左右的脈沖輸出。實(shí)驗(yàn)中使用的光纖 不但在纖芯實(shí)現(xiàn)單模，而且利用了“空氣包層”技術(shù)使外包層幾乎為空氣，數(shù)值孔徑增加到0.55，增大了抽運(yùn)光的耦合效率和吸收系數(shù)。2004 年該小組又利用纖芯直徑為40叩的該種光纖放大被動(dòng)鎖模的Nd: YVO 4振蕩級(jí)輸出的皮秒脈沖，得到平均功率48W,重復(fù)頻率80MHz，脈沖寬度10Ps的輸出。2005年IMRA公司利用纖芯為40叩摻Y(jié)b3+雙色層光子晶體光

43、纖作為主放大的增益介質(zhì)， 得到了單脈沖能量為100 J,重復(fù)頻率100kHz,脈沖寬度650fs的輸出，在該實(shí)驗(yàn)中利用了自相位調(diào)制的非線性惆啾補(bǔ)償系統(tǒng)中三階色散失配。同年 F.Rose咻利 用基于摻Y(jié)b3+大模場(chǎng)面積雙色層光子晶體光纖的惆啾脈沖放大系統(tǒng)，得到了平 均功率13lw,重復(fù)頻率73MHz,脈沖寬度220fs的輸出，這是目前為止得到的最高平均功率。2007年該小組又利用纖芯為80叩的LMA-PCF得到了單脈沖能量為1.45mJ,重復(fù)頻率50kHz,脈沖寬度800fs的輸出，這是目前光纖飛秒激光器輸出的最高單脈沖能量。天津大學(xué)超快激光研究室利用同樣的單偏振大模場(chǎng)面積光子晶體光纖為增益介質(zhì)

44、，研制了全光子晶體光纖的飛秒激光放大系統(tǒng)，獲得了平均功率23W,脈沖寬度110fs,重復(fù)頻率47MHz的飛秒激光源。在追求高平均功率、高單脈沖能量的同時(shí)，對(duì)更短脈沖輸出的探索也沒有停止。2008年Zaouter等利用纖芯為80 m的LMA-PCF為增益光纖，種子脈沖沒有展寬， 直接耦合到增益光纖中放大，在得到增益的同時(shí)利用自相位調(diào)制效應(yīng)展寬脈沖光譜，結(jié)合系統(tǒng)中三階色散（TOD）和自相位調(diào)制（SPM）引人的非線性惆啾 之間的相互補(bǔ)償，得到壓縮后脈沖寬度49fs的輸出。由于Yb3+增益帶寬的限制，在 1040nm 附近只能提供30nm 左右的帶寬，可以支持53fs 的傅里葉變換極限脈沖寬度。如果將

45、脈沖的中心波長推至1060 1100nm附近就可以得到50nm的帶寬， 可以支持更短的脈沖寬度。如果要得到更短的脈沖（如 10fs）， 則需要 SPM 的引人來提供更大的帶寬，但是同時(shí)需要一定的補(bǔ)償手段來消除多種非線性效應(yīng)帶來的非線性惆啾。這是目前努力的方向。國內(nèi)相繼開展了光子晶體光纖飛秒激光放大器的研究，王清月教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開發(fā)的全光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出平均功率16W,脈沖寬度39fs的最短脈沖記錄。2、摻雜光子晶體光纖光子晶體光纖是一種由單一材料構(gòu)成，包層中具有周期性微米量級(jí)空氣孔結(jié)構(gòu)的新型光纖，其所具有的獨(dú)特性質(zhì)來源于包層中的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)以先前不可能達(dá)到甚至不可

46、能想象的方式將光控制在光纖纖芯中，構(gòu)成了光子晶體光纖不同于甚至優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的特性，為克服傳統(tǒng)光纖發(fā)展中的一些技術(shù)障礙提供了可能的解決途徑。基于單一材料構(gòu)成和空氣孔結(jié)構(gòu)，光子晶體光纖具有極靈活的可設(shè)計(jì)性。通過改變空氣孔結(jié)構(gòu)，可以得到不同傳輸特性的光子晶體光纖， 如極大單模場(chǎng)、增強(qiáng)數(shù)值孔徑、增強(qiáng)非線性等多種可應(yīng)用于飛秒激光技術(shù)中的光纖結(jié)構(gòu)。到目前為止出現(xiàn)的光子晶體光纖按傳輸特性可以分成兩大類:折射率引導(dǎo)型和光子帶隙型，分別基于全內(nèi)反射效應(yīng)和光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光。為了將光子晶體光纖應(yīng)用在激光器中，需要在纖芯區(qū)域摻人激光增益介質(zhì)，這就限制了部分中空結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖作為激光器增益介質(zhì)。當(dāng)然中空結(jié)構(gòu)的帶隙型

47、光子晶體光纖依然可以作為色散補(bǔ)償器件應(yīng)用到飛秒激光器中。目前基于上述兩種導(dǎo)光機(jī)制的增益光子晶體光纖已經(jīng)設(shè)計(jì)出來并被成功應(yīng)用到鎖模光纖激光器中。圖1給出了幾種常見的增益光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)圖。其中(a)和(b)分別為最典型的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，(a)基于全內(nèi)反射機(jī)制，有空氣孔結(jié)構(gòu)的區(qū)域降 低了折射率構(gòu)成包層，而(b)則基于光子帶隙機(jī)制，包層中周期性分布的高折射 率棒形成了帶隙結(jié)構(gòu)。增益介質(zhì)摻雜于纖芯中，(a)型光纖基于包層空氣孔結(jié)構(gòu)帶來的反常色散能夠在激光工作波段用于色散補(bǔ)償，因此飛秒激光技術(shù)中所需的三大必要功能元件：增益、色散和非線性可同時(shí)由光子晶體光纖完成。而 (b)型光 纖不僅能提供(a)

48、型光纖的三大必要功能，且因其全固態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠更方便和低 損耗地同標(biāo)準(zhǔn)光纖器件熔接，從而構(gòu)建極其簡(jiǎn)易和緊湊的全光纖飛秒激光器。但是(a)和(h)型光纖仍然受限于纖芯尺寸大小，不能夠產(chǎn)生高功率的飛秒激光脈沖。 利用空氣包層技術(shù)和無截止單模技術(shù)，可以構(gòu)成具有很高數(shù)值孔徑的抽運(yùn)光包層和很大模場(chǎng)面積的激光纖芯，如 圖1中(c), (d)和(e)S光纖。支撐壁細(xì)到百納米尺寸的抽運(yùn)光包層能夠提供高達(dá)0.6-0.9 的數(shù)值孔徑，從而能夠極大地提高抽運(yùn)光耦合效率。而纖芯區(qū)域的無截止單模結(jié)構(gòu)使其芯徑能擴(kuò)大到40叩型光纖、甚至100 m(d)型光纖，大大提高了光纖飛秒激光器可輸出的脈沖能量和平均功率。 在無截止單模

49、結(jié)構(gòu)中加入偏振應(yīng)力材料，則能夠形成單一偏振模式傳輸?shù)拇竽?chǎng)光子晶體光纖，如 圖1(e)所示。如果需要進(jìn)一步提高有效模場(chǎng)面積，多芯光子晶體光纖提供了一種新的解決方案。這種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖不僅能進(jìn)一步提高有效模場(chǎng)面積，而且由于各個(gè)芯之間離散、應(yīng)力問題也得到了緩，從而能在功率光纖激光器的應(yīng)用中進(jìn)一步提高運(yùn)轉(zhuǎn)功率，推遲增益飽和，并有效降低非線性效應(yīng)的影響，其中一種典型的7芯結(jié)構(gòu)如圖1(f)所示。圖1幾種增益光子晶體光纖端面圖3、光子晶體光纖飛秒激光振蕩器在上述多種結(jié)構(gòu)的增益光纖中，最近的研究主要基于摻Y(jié)b偏振型大模場(chǎng)面積光子晶體光纖（Crystal Fibre A/S,丹麥），即圖l中（e）所示。該

50、光纖為雙包層結(jié) 構(gòu)，光纖的增益纖芯的單模場(chǎng)直徑為 29叩（對(duì)應(yīng)的單模場(chǎng)面積為660（jm2）,數(shù)值孔徑為0.03。光纖內(nèi)包層直徑為200叩,同時(shí)作為抽運(yùn)光的纖芯。光纖的外包層又稱為“空氣包層”，它具有非常高的空氣比，使內(nèi)包層獲得高達(dá)0.55的數(shù)值孔徑。這種抽運(yùn)結(jié)構(gòu)具有 9dB/m的抽運(yùn)光吸收系數(shù)。在光纖纖芯附近引人與 包層折射率匹配的應(yīng)力產(chǎn)生元，從而引起足夠的雙折射，使基模的兩個(gè)簡(jiǎn)并的正 交偏振態(tài)分離，且其中一個(gè)偏振態(tài)的折射率低于內(nèi)包層等效折射率而不滿足光纖 內(nèi)傳輸?shù)娜鯇?dǎo)條件被損耗掉，使光纖達(dá)到偏振保持的效果。實(shí)驗(yàn)中選用光纖的偏 振消光比為10dB, 1060nm附近的單一偏振帶寬大于100n

51、m。光纖的偏振性能對(duì) 彎曲半徑很敏感，實(shí)驗(yàn)中把光纖彎曲成直徑為 30cm的環(huán)以保證單偏振運(yùn)轉(zhuǎn)。為 了防止端面反饋形成自激振蕩，影響穩(wěn)定鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，光纖的兩端面均打磨成80。激光器主要采用線型腔結(jié)構(gòu)，具實(shí)驗(yàn)裝置如 圖2所示。采用波長為976nm的大功率激光二極管（LD）直接抽運(yùn)該光纖，抽運(yùn)光通過纖芯直徑為200叩，數(shù)值孔徑為0.22的尾纖輸出，經(jīng)過非球面透鏡禍合進(jìn)大模場(chǎng)面積光子晶體光纖。利用對(duì)波長為976nm的抽運(yùn)光高透，對(duì)波長為1.04叩的激光高反的雙色鏡分離激光與抽運(yùn)光。全反鏡和SESAM作為兩個(gè)腔鏡。全反鏡采用曲率半徑為750mm 的凹面反射鏡，這一曲率有利于提高激光反饋至光纖纖芯的效率。S

52、ESAM基于GaAs/AlAs布拉格反射鏡上低溫分子束外延技術(shù)生長的InGaAs量子阱結(jié)構(gòu)，用于啟動(dòng)鎖模。它在1.04四附近的線性吸收率為65%,調(diào)制深度為35%,飽和通 量為20，/ 2 ,吸收恢復(fù)時(shí)間小于500fs。利用焦距為11mm的非球面透鏡聚焦， cm通過改變會(huì)聚光斑的尺寸獲得啟動(dòng)鎖模所需的能量密度。諧振腔另一端的雙色鏡 后面依次插人半波片及偏振分束器，通過旋轉(zhuǎn)半波片確保只激發(fā)沿光纖慢軸偏振 的模式。利用另一對(duì)半波片和偏振分束器調(diào)整激光器的耦合輸出率，偏振分束器的導(dǎo)出端作為激光器的輸出。實(shí)驗(yàn)中通過旋轉(zhuǎn)半波片，使激光器的輸出率保持在 90%,這樣既能最大限度地導(dǎo)出腔內(nèi)功率，又能把 SE

53、SAM上的平均功率控制在 比較低的水平，有效避免對(duì)SESAM的熱損傷。由于線形腔內(nèi)同時(shí)存在沿兩個(gè)方 向傳播的脈沖，需要在兩個(gè)偏振分束器之間加人法拉第旋光器， 從而保證僅在單 一方向存在高耦合輸出率，使激光器高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。激光器有效腔長約為3m,獲得的鎖模脈沖序列重復(fù)頻率約為 50MHz。利用上升時(shí)間為200Ps的高速響應(yīng)光 電二極管和采樣頻率為4GHz的示波器探測(cè)鎖模脈沖序列，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)激光器 的多脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。利用一對(duì)600線/mm的表面鍍金的閃耀光柵作為色散補(bǔ)償，通過 光柵對(duì)間距改變的負(fù)色散量來控制腔內(nèi)凈色散，從而達(dá)到控制腔內(nèi)鎖模脈沖動(dòng)力 學(xué)過程，成功獲得了孤子鎖模、呼吸孤子鎖模以及全正色散鎖

54、模等三種狀態(tài)。大模場(chǎng)面積光子晶體光纖的色散接近于其材料色散，在1叩波段為0.019ps/mo 一個(gè)腔循環(huán)周期之內(nèi)，激光脈沖兩次通過1.5m長的光纖，產(chǎn)生0.057p52的正常色散。首先選擇光柵對(duì)的間隔為 6.5cm,人射角度為30°,激光脈 沖經(jīng)光柵對(duì)兩次反射產(chǎn)生一 0.095pS2的反常色散。因此激光脈沖一個(gè)腔循環(huán)周期 內(nèi)共獲得一 0.038 ps2的反常色散，此時(shí)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在孤子鎖模域。激光器在輸 出功率為200mw時(shí)開始出現(xiàn)調(diào)Q鎖模，繼續(xù)增加抽運(yùn)功率，并調(diào)整 SESAM上 的光斑尺寸，使其達(dá)到飽和能量密度，獲得了穩(wěn)定的連續(xù)鎖模。觸碰光纖及敲擊 光學(xué)平臺(tái)都不會(huì)對(duì)鎖模造成影響，體現(xiàn)

55、了偏振光纖優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性。重新打開 激光器，只需要恢復(fù)抽運(yùn)功率就可以獲得穩(wěn)定鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。輸出平均功率最高達(dá)到900mw,單脈沖能量為19nJ。測(cè)量得到的激光器在單脈沖穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出光 譜如圖3(a)所示。由圖中可以看出，光譜的中心波長為1038nm, 3dB帶寬為6nm。 對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的光譜具有明顯的成對(duì)出現(xiàn)的Kelly邊帶，這是由激光器的周期性輸出對(duì)孤子波的調(diào)制引起的，是孤子鎖模的典型特征。激光器輸出脈沖的自相關(guān)曲 線如圖3(b)所示，利用雙曲正割函數(shù)擬合，脈沖寬度為 518fs、，脈沖的時(shí)間帶寬120fs,通過進(jìn)一步優(yōu)積為0.87,是變換極限的2.76倍。進(jìn)一步經(jīng)腔外壓縮可至 化腔內(nèi)色散，

56、可以獲得更窄的脈沖。10001020104010601。即WavcLtfigih 加力】圖3孤子鎖模狀態(tài)下激光器輸出的脈沖光譜(a)和自相關(guān)曲線(b)。(a)中插圖為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的光譜(2)呼吸孤子鎖模狀態(tài)縮短光柵對(duì)的間隔到4.3cm,在人射角度為300情況下，激光脈沖經(jīng)光柵對(duì) 兩次反射共產(chǎn)生一 0.064pS2的色散量。大模場(chǎng)面積光纖的色散為0.019psZ/m,兩 次通過光纖共產(chǎn)生0.057 ps2的色散量。因此，激光脈沖在一個(gè)腔循環(huán)周期內(nèi)共 獲得一 0.007 ps2的反常色散，此時(shí)光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在呼吸脈沖鎖模狀態(tài)。激光 器在抽運(yùn)功率為4.6W時(shí)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模，輸出功率為250mw。輸出平均功率最 高達(dá)到400mw,其單脈沖能量為8.5nJ。測(cè)量得到的激光輸出光譜如 圖4(a)中曲 線1所示，插圖所示為所有光譜的對(duì)數(shù)坐標(biāo)形式。光譜的中心頻率為1045nm,譜寬為15nm。直接輸出激光脈沖的自相關(guān)曲線如圖 4(b)所示，為500fs、(假設(shè) 高斯脈沖形狀)。輸出脈沖在腔外利用光柵對(duì)補(bǔ)償色散，壓縮至 98fs,獲得了變 換極限的脈沖，圖4(b)中插圖給出了壓縮后脈沖的干涉自相關(guān)曲線。減小光柵對(duì)的間距至4.1cm,腔凈色散