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利用光子晶体色散特性制作解复用器

2007-02-02 16:34
安娜PARKER
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作者:Babak Momeni和Ali Adibi



随着光子晶体制作工艺的完善和对其光学特性的深入认识,光子晶体作为性能可控的人造光学材料已取得了巨大的进展。除了利用光子带隙实现光限制的主要应用方式外,光子晶体还具有独特的色散特性。1,2,3人们特别感兴趣的是光子晶体在非常小的区域内实现并行解复用的能力,使其能够与芯片大小的集成光路兼容。
 


图1. 光子晶体(PC)三种色散特性的原理示意图。超棱镜效应(左图)使不同波长的光在光子晶体中沿不同方向传播。当光束在光子晶体区域中传播时,负衍射效应(中图)使正常的光束展宽得到补偿,这种效应可有效地窄化光束。而负折射效应(右图)引起目标信号发生偏折因而远离入射信号的方向,实现了目标信号与寄生信号的完全分离。

除光通信应用以外,人们开始越来越多地关注将小型光波长解复用(WD)器件作为系统部件应用于生物传感器件“片上实验室”中的光谱分析和进行光学信息处理的集成光路中。这些小型波长解复用器件可分离多个不同波长的光学信道,具有高光谱分辨率(相邻信道间容许的波长差很小)和低串扰(干扰信道对目标信道的影响微弱)特性。
尽管存在这些应用需求,但由于缺乏合适的具有高色散特性的光学材料以实现在芯片上制作小型器件结构,所以还未出现可满足实际应用中性能要求的小型波长解复用器。

设计高分辨率解复用器
为了实现高效的光谱测量,除了利用小型波长解复用机制以达到不同波长信道的空间分离外,还需要使用特别的测量手段来高度隔离会产生干扰影响的波长信道。

 


图2. 乔治亚理工学院设计的光子晶体解复用器件的输出示意图,展示了超棱镜效应、负衍射效应和负折射效应(顶图)。扫描电子显微镜(SEM)展示出在硅-绝缘体衬底中制作的光子晶体图像(中图),另一张SEM照片为输出波导阵列(底图)。

利用光子晶体的超棱镜效应可实现基本的解复用功能(图1)。4,5超棱镜效应用于波长解复用的原理是光子晶体和入射区域的色散特性不同,于是不同的波长信道在光子晶体区域内沿不同的方向传播(这由每个波长对应的光子晶体模场的群速度方向决定)。尽管光在这一介质内传播下去,最终会将不同的波长信道分离开,但可明显看出每个波长信道上的光束衍射会导致光束展宽,传播长度必须相当大以使空间分离的相邻信道满足对串扰大小的要求。因为传统结构的分辨率有限,这些解复用器不适用于高精度领域。6,7
但是,乔治亚理工学院的研究人员通过将光子晶体的两种色散特性即超棱镜效应和负衍射效应相结合,提出了开发小型高分辨率解复用器的新途径。8,9,10在这类结构中,正常衍射效应引起的光束展宽由于光束在具有负衍射效应的光子晶体中传播而得到补偿。由于有这一衍射补偿,这种结构输出端上的光束尺寸缩小到接近光束宽度的变换极限,从空间上分离相邻波长信道所需传播长度大大缩短。光子晶体的另一特性是介质界面处的负折射。在这一效应的作用下,目标信号由于折射而偏离入射光的方向,使目标信号与寄生信号得以分离。通过将超棱镜效应、负衍射和负折射共同作用于目标信号,将进一步减小光子晶体解复用器中的串扰。
在所关注的频率范围内,通过优化光子晶体的几何结构(孔的尺寸和周期),能够将光子晶体的多个独特色散性质组合起来以满足特定应用领域的要求。10光子晶体器件的色散特性经过这样的优化后,当光束穿过光子晶体时,可将分离开的信道光束同时聚焦成小尺寸光斑,使被分离的信道远离寄生信号和其它干扰信号。实现这些巨大的改进并未增加制作工艺的复杂性,也不要求特殊的材料生长工艺。
制作结果
采用上述设计技术,我们利用新开发的高效折射技术制作了一个超棱镜解复用光子晶体元件,它是一个具有二维平面周期的平板器件(图2)。11入射到光子晶体的光来自于无特殊结构的硅,输出光穿过一个5μm宽的输出波导阵列(相邻波导间隔1μm)。在器件的输出端面,每个输出波导楔形变窄为2μm宽。通过波导阵列能以较高的空间分辨率观察光子晶体的输出。每个分离出的波长信道对应于两个输出波导,从而可以更清楚地观察相邻信道间可能发生的串扰。
在硅-绝缘体(SOI)晶圆上制作光子晶体器件,在晶圆中3μm厚的二氧化硅层处于厚的硅衬底和220nm厚的顶硅层之间,并在制作过程中以50nm厚二氧化硅覆盖整个晶圆作为硬掩模。我们使用电子束刻蚀法和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀法在薄硅层中形成二维周期图案。
在测量装置中,可调谐激光器发出的光通过传统的脊形介质波导从端面耦合进入硅中。红外相机拍摄器件输出边缘图像以记录实验结果(图3)。测量结果显示波长信道在空间上完全分离,通过衍射补偿获得令人满意的小尺寸光斑。利用负折射机制设计了用于传输准TE偏振模的器件,并从目标信号中有效地去除了会产生干扰的偏振模式(TM)。

 



图3. 器件输出面上的图像显示出波导阵列中的功率分布,对应着四个以准TE偏振模(顶图,电场方向平行于光子晶体周期平面)和准TM偏振模(底图)输入的离散波长。与多余的TM模信道相比,TE模信道完全实现了空间分离,且TE模输出信道(有两个波导)的光斑尺寸较小。负折射效应的作用是从波导中的TM模干扰信道13至24(底图)中分离出TE模目标信道4至12(顶图)。

为了更加精确地表征我们设计的光子晶体解复用器的特性,将每个波导输出隔离开,并使用与锁相放大器连接的红外探测器逐个测量其功率(见图4)。器件中波长间隔为8nm的四个信道被分离开,信道隔离度(即目标信道中的功率除以其它信道泄漏在目标信道位置上的功率总和)好于6.5dB。10根据现已报道的实验结果,这种基于超棱镜的集成式解复用器件中光子晶体的面积小于50μm2,比其它采用传统结构的超棱镜光子晶体解复用器(具有相同性能)小2个数量级。利用同一设计原理,可在4mm2的光子晶体结构中实现信道间隔为0.5nm的64信道解复用器。据我们所知,这是目前所报道过的光子晶体解复用器实现的最佳整体性能。

 
图4.光子晶体解复用器中四个输出
波导的归一化测量功率清楚地展示
了信道分离。



前景展望
通过结合诸如超棱镜效应、负折射和负衍射等多种光学效应,提供了新的“人造”光学材料的设计方法。随着制造技术的成熟和器件设计的进一步完善,我们可期待在不久的将来即获得更好的器件性能。

参考文献:
1. E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
2. S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
3. S.G. Johnson and J.D. Joannopoulos, Acta Materialia 51, 5823 (2003).
4. H. Kosaka et al., J. Lightwave Technol. 17, 2032 (1999).
5. L. Wu, M. Mazilu, and T. F. Krauss, J. Lightwave Technol. 21, 561 (2003).
6. T. Baba, and T. Matsumoto, Appl. Phys. Lett. 81, 2325 (2002).
7. B. Momeni and A. Adibi, Appl. Phys. B 77, 556 (2003).
8. J. Witzens, T. Baehr-Jones, and A. Scherer, Phys. Rev. E 71, 026604-1-9 (2005).
9. T. Matsumoto, S. Fujita, and T. Baba, Optics Express 13, 10768 (2005).
10. B. Momeni et al., Optics Express 14, 2413 (2006).
11. B. Momeni and A. Adibi, J. Lightwave Technol. 23, 1522 (2005).
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