專利名稱：一種二維光子晶體及其作為光開關的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體，特別是涉及一種為二維平面薄膜的光子晶體及其作為光開關的應用。
背景技術：
光子晶體是制備集成光子器件的重要基礎。利用光子晶體所制備的光開關，能夠非常有效地控制光的傳輸過程，因而在光計算和光信息處理領域有著非常重要的應用。但是，實現(xiàn)光開關需要高質量的光子晶體，尤其對光子帶隙的要求更為苛刻，因此，受光子晶體制備技術的限制，到目前為止，對光子晶體光開關的研究工作仍主要集中在理論研究方面(文獻1，A.Huttunen，P.Torma，“Band Structure for NonlinearPhotonic Crystals”，J.Appl.Phys.，2002，91(7)3988-3991)。人們提出了許多機理來實現(xiàn)光子晶體光開關(文獻2，P.Tran，“Optical Switching with a Nonlinear PhotonicCrystala Numerical Study”，Opt.Lett.1996，21(15)1138-1140；文獻3，P.Tran，“OpticalLimiting and Switching of Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic BandgapStructure with a Defect”，J.Opt.Soc.Am.B 1997，14(10)2589-2594；文獻4，P.Tran，“All-Optical Switching with a Nonlinear Chiral Photonic Bandgap Structure”，J.Opt.Soc.Am.B 1999，16(1)70-73；文獻5，P.M.Johnson，A.F.Koenderink，W.L.Vos，“UltrafastSwitching of Photonic Density of States in Photonic Crystals”，Phys.Rev.B 2002，66(11)081102(R))，其中在實驗中容易實現(xiàn)的是光子帶隙偏移機理(文獻6，M.Scalora，J.P.Dowling，C.M.Bowden and M.J.Bloemer，“Optical Limiting and Switching ofUltrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials”，Phys.Rev.Lett.1994，73(10)1368-1371)。受技術條件的限制，目前，還沒有二維和三維光子晶體光開關的實驗研究報道。人們只對一維光子晶體光開關進行了初步的實驗研究。人們利用半導體材料，通過復雜的薄膜制備技術來制備一維光子晶體，利用激子的光學Stark效應來實現(xiàn)光子帶隙的移動，使探測光的透過率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)一維光子晶體光開關(文獻7，A.Hache and M.Bourgeois，“Ultrafast All-Optical Switching in aSilicon-Based Photonic Crystal”，Appl.Phys.Lett.，2000，77(25)4089-4091)。但是這種方法存在很大的缺陷一是光子晶體的制備過程非常復雜，不易調控，難以制備出理想的光子晶體；二是不能在大波段范圍內實現(xiàn)光子晶體光開關；三是對光傳輸?shù)目刂谱饔煤苋酰綔y光透過率的變化很小，只從3％變化到20％(文獻8，M.Shimizuand T.Lshihara，“Subpicosecond Transmission Change in Semiconductor-EmbeddedPhotonic Crystal SlabToward Ultrafast Optical Switching”，Appl.Phys.Lett.2002，80(16)2836-2838)，難以實現(xiàn)對光的傳輸過程進行有效控制。這就極大地限制了光子晶體光開關的實際應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術中光子晶體制備復雜的不足，從而提供一種利用非線性鐵電材料及通過微加工技術制備的二維光子晶體；本發(fā)明的另一目的在于利用鐵電材料自身的三階非線性光學Kerr效應使得二維光子晶體的光子帶隙發(fā)生移動，實現(xiàn)對探測光傳輸過程的“開”與“關”的控制作用，從而提供一種二維光子晶體作為光開關的應用。
本發(fā)明的技術方案為本發(fā)明提供的一種二維光子晶體，由一二維平面薄膜構成，所述的二維平面薄膜上有呈周期性分布的微腔，所述的微腔之間的距離由晶格常數(shù)確定；所述的二維平面薄膜為鐵電材料，包括SrTiO3、BaTiO3、Ce:BaTiO3和Rh:BaTiO3；所述的微腔為中空的圓孔，其半徑在10nm～300nm之間；所述的圓孔是通過聚焦電子束或離子束刻蝕技術制成；所述的周期性分布為正方形周期分布；所述的二維平面薄膜厚度在100nm～1μm之間。
本發(fā)明提供的一種二維光子晶體作為光開關的應用，通過如下方式實現(xiàn)泵浦光信號與探測光信號同時到達所述二維光子晶體內的同一區(qū)域，泵浦光信號激發(fā)鐵電材料的三階非線性效應，使得所述二維光子晶體的光子帶隙發(fā)生移動，從而改變探測光信號對于所述二維光子晶體的透過率，實現(xiàn)對探測光信號的開關作用。
所述的探測光信號的波長位于所述二維光子晶體在泵浦光信號強度改變之前的光子帶隙的帶邊；所述的探測光信號垂直于所述二維光子晶體側面入射。
本發(fā)明的原理為本發(fā)明利用非線性鐵電材料自身的三階非線性光學Kerr效應來實現(xiàn)光開關。在強激光(泵浦光)的激發(fā)作用下，鐵電材料中的陽離子相對于配位體氧原子發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生一個感應極化強度，使鐵電材料的折射率n隨著泵浦光強的不同而改變n=n0+120π2cn02Re(χ(3))I---(1)]]>其中，n0為鐵電材料的線性折射率，c為真空中的光速，x(3)為鐵電材料的三階非線性極化率，是一個復數(shù)，Re(x(3))表示取x(3)實部的數(shù)值，I為泵浦光強。鐵電材料折射率的變化，將引起光子帶隙的位置發(fā)生改變。如果鐵電材料的三階非線性極化率x(3)為正值。根據(jù)三階非線性光學Kerr效應，在泵浦光的作用下，鐵電材料的折射率將增加，這使有效折射率n增大，從而使光子帶隙向長波方向移動。如果鐵電材料的三階非線性極化率x(3)為負值，在泵浦光的作用下，鐵電材料的折射率將減小，這使有效折射率n減小，從而使光子帶隙向短波方向移動。選擇探測光的波長位于光子帶隙的帶邊。光子帶隙的移動將引起探測光透過率的改變，使探測光透過光子晶體或者沿原路被反射回去，從而對探測光的傳輸過程起到“開”與“關”的控制作用。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、通過改變晶格常數(shù)、孔半徑等結構參數(shù)，采用微加工技術制備不同波段的二維非線性鐵電材料光子晶體，可以實現(xiàn)從可見光到紅外波段的二維光子晶體光開關。
2、光子晶體光子帶隙改變的響應速度在ps量級。
3、本發(fā)明的光子晶體制備簡單，使用和測量方便。


圖1是本發(fā)明的二維SrTiO3光子晶體示意圖；圖2是本發(fā)明實施例1中的光子晶體的透過譜曲線(第二帶隙)；圖3是本發(fā)明的二維光子晶體作為光開關應用的裝置示意圖；圖4是本發(fā)明實施例2中波長為670nm的探測光的透過率隨泵浦光強度的變化曲線；圖5是本發(fā)明實施例3中的光子晶體的透過譜曲線(第二帶隙)；圖6是本發(fā)明實施例4中波長為1236nm的探測光的透過率隨泵浦光強度的變化曲線；圖面說明二維平面薄膜1微腔2 晶格常數(shù)3 光子帶隙的帶邊4YAG激光器5 OPA激光器6半透半反鏡7 延遲線8
全反鏡9 聚焦透鏡10全反鏡11 半透半反鏡12聚焦透鏡13 光子晶體14聚焦透鏡15單色儀16光電倍增管17計算機18 示波器19 激光二極管20具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述實施例1制備圖1所示的一種SrTiO3二維光子晶體；本實施例的光子晶體由在硅基片上生長的厚度為300nm的SrTiO3平面薄膜1構成，在薄膜1上有正方形周期性分布的微腔2，所述的微腔2為中空的圓孔，晶格常數(shù)3為150nm，圓孔半徑為50nm，所述的圓孔是采用聚焦電子束刻蝕技術制備出。
使用光譜儀探測光子晶體的光子帶隙，其第二光子帶隙如圖2所示，光子帶隙位于可見光波段，其中心波長為613nm。光子晶體透過譜的深度接近兩個數(shù)量級，而且透過譜的兩個帶邊4很陡，說明此光子晶體是高質量的光子晶體。
在實際使用中，所述的二維平面薄膜1也可根據(jù)要求使用商品化的鐵電材料薄膜。
所述的第二光子帶隙是根據(jù)Bragg衍射公式2ndsinθ＝kλ，當k＝2時對應的光子晶體的透過譜曲線；其中，n為平均折射率，d為晶格常數(shù)，θ為探測光的入射角，k＝1，2，3，4…，代表第幾光子帶隙，λ為光子帶隙中心波長。
實施例2應用實施例1中的光子晶體作為可見光波段的光開關圖3是本發(fā)明實施例1中的二維光子晶體作為光開關應用的裝置示意圖。
其中YAG激光器5(美國光譜公司制造，脈沖寬度為35ps)發(fā)出的532nm的激光做為泵浦光，激光強度范圍為0～50GW/cm2；OPA激光器6(中科院物理所OPA-714)發(fā)出的激光做為探測光，其波長為670nm，位于如圖2所示的光子帶隙長波帶邊，脈沖寬度35ps，激光強度范圍為1MW/cm2～10MW/cm2；YAG激光器5發(fā)出的泵浦光經(jīng)半透半反鏡7分束，其反射光用于泵浦OPA激光器6，其透射光經(jīng)延遲線8全反射，再經(jīng)全反鏡9全反射后沿光子晶體14上表面垂直入射到光子晶體14內部；OPA激光器6發(fā)出的探測光經(jīng)全反鏡11全反射，再經(jīng)半透半反鏡12分束，其反射光沿光子晶體14的側面垂直入射到光子晶體14內部，并與泵浦光相交叉，其透射光經(jīng)激光二極管20同步觸發(fā)示波器19；光子晶體14前表面和側面分別放置聚焦透鏡10和13并處于其焦面上；單色儀16的入射狹縫處于聚焦透鏡15的焦面上。
由單色儀16來測量探測光信號，經(jīng)光電倍增管17后輸入示波器19進行顯示，最后由計算機18進行數(shù)據(jù)的采集和處理。
通過延遲線8來調節(jié)泵浦光與探測光之間的時間關系，使得泵浦光信號與探測光信號同時到達光子晶體14內部泵浦光和探測光的交叉點。改變泵浦光的強度，使其從0逐步增加，探測光的透過率隨泵浦光強度的變化關系曲線如圖4所示。沒有泵浦光作用時，探測光的透過率為90％，在泵浦光作用最強時，探測光的透過率為0，實現(xiàn)了對探測光傳輸過程的開與關的控制作用。
由此，實現(xiàn)了二維光子晶體作為可見光波段光開關的應用。
實施例3另一種二維光子晶體本實施例中的光子晶體與實施例1中的光子晶體相似，不同之處在于晶格常數(shù)為400nm，圓孔半徑為160nm。其第二光子帶隙如圖5所示，光子帶隙位于紅外波段，其中心波長為1060nm。
實施例4應用實施例3中的光子晶體作為紅外波段的光開關使用與實施例2相似的裝置，不同之處在于發(fā)出探測光的激光器為半導體激光器，探測光波長為1236nm，位于如圖5所示的光子帶隙長波帶邊，脈沖寬度35ps，激光強度1MW/cm2～10MW/cm2。
通過延遲線8來調節(jié)泵浦光與探測光之間的時間關系，使得泵浦光信號與探測光信號同時到達光子晶體14內部泵浦光和探測光的交叉點。改變泵浦光的強度，使其從0逐步增加，探測光透過率隨泵浦光強度的變化關系曲線如圖6所示。沒有泵浦光作用時，探測光的透過率為98％，在泵浦光作用最強時，探測光的透過率為0，實現(xiàn)了對探測光傳輸過程的開與關的控制作用。
由此，實現(xiàn)了二維光子晶體作為紅外波段光開關的應用。
實施例5本實施例的光子晶體由厚度為600nm的Ce:BaTiO3平面薄膜構成，在薄膜上有呈正三角形周期性分布的圓孔，晶格常數(shù)為200nm，圓孔半徑為100nm。
權利要求
1.一種二維光子晶體，該晶體由一二維平面薄膜(1)構成，其特征在于，所述的二維平面薄膜上(1)有呈周期性分布的微腔(2)，其微腔(2)之間的距離由晶格常數(shù)(3)確定；所述的二維平面薄膜(1)為鐵電材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種二維光子晶體，其特征在于，所述的微腔(2)為中空的圓孔，其半徑在10nm～300nm之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種二維光子晶體，其特征在于，所述的周期性分布為正方形周期分布。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種二維光子晶體，其特征在于，所述的二維平面薄膜(1)厚度在100nm～1μm之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種二維光子晶體，其特征在于，所述的鐵電材料包括SrTiO3、BaTiO3、Ce:BaTiO3和Rh:BaTiO3。
6.一種權利要求1所述的二維光子晶體的作為光開關的應用，其特征在于，泵浦光信號與探測光信號同時到達所述二維光子晶體內的同一區(qū)域，泵浦光信號激發(fā)鐵電材料的三階非線性效應，使得所述二維光子晶體的光子帶隙發(fā)生移動，從而改變探測光信號對于所述二維光子晶體的透過率，實現(xiàn)對探測光信號的開關作用。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種二維光子晶體作為光開關的應用，其特征在于，所述的探測光信號的波長位于所述二維光子晶體在泵浦光信號強度改變之前的光子帶隙的帶邊(4)。
8.根據(jù)權利要求6所述的一種二維光子晶體作為光開關的應用，其特征在于，所述的探測光信號垂直于所述二維光子晶體側面入射。
9.根據(jù)權利要求6所述的一種二維光子晶體作為光開關的應用，其特征在于，所述的泵浦光信號的強度范圍為0～50GW/cm2。
10.根據(jù)權利要求6所述的一種二維光子晶體作為光開關的應用，其特征在于，所述的探測光信號的強度范圍為1MW/cm2～10MW/cm2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光子晶體及其作為光開關的應用。本發(fā)明提供的一種二維光子晶體，由一二維平面薄膜構成，所述的二維平面薄膜上有呈周期性分布的微腔，所述的微腔之間的距離由晶格常數(shù)確定。本發(fā)明還提供了一種二維光子晶體作為光開關的應用，泵浦光信號與探測光信號同時到達所述二維光子晶體內的同一區(qū)域，改變泵浦光信號強度，使得所述二維光子晶體的光子帶隙移動，從而實現(xiàn)對探測光信號的開關作用。本發(fā)明的二維光子晶體通過改變晶格常數(shù)、孔半徑等結構參數(shù)，可以實現(xiàn)從可見光到紅外波段的二維光子晶體光開關；光子晶體光子帶隙改變的響應速度在ps量級；光子晶體制備簡單，使用和測量方便。
文檔編號G02F1/01GK1515926SQ0310004
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月7日 優(yōu)先權日2003年1月7日
發(fā)明者胡小永, 王義全, 劉元好, 程丙英, 張道中 申請人:中國科學院物理研究所