創(chuàng)新技術(shù)講座2

1、一、光子晶體及其在光通信中的應(yīng)用 二、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在光通信中的應(yīng)用 一、光子晶體及其在光通信中的應(yīng)用 光子晶體是近十幾年來出現(xiàn)的新型材料；光子晶體是近十幾年來出現(xiàn)的新型材料；可控制光子的運動；被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界稱為”光半導(dǎo)體”或”未來的半導(dǎo)體”；是光電集成、光子集成、光通信的一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。用光子晶體器件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子器件，將會引起光通信領(lǐng)域的一場革命。1、光子晶體光子晶體的概念 是在1987年提出的。 光子晶體也稱為光子帶隙材料或電磁晶體， 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。 是折射率在空間周期變化的介電結(jié)構(gòu)，其變化

2、 周期和光的波長為同一個數(shù)量 高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié) 構(gòu)，產(chǎn)生光子晶體帶隙(Band Gap，類似于半 導(dǎo)體中的禁帶)。光在晶體帶隙中不能傳播。 周期排列的低折射率點之間距離的不同，導(dǎo)致光子晶體對不同頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)。如果在光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷，破壞其結(jié)構(gòu)的周期性，即在光子禁帶中引入缺陷態(tài)，光波能在缺陷中傳播，且傳輸效率極高。光子晶體的特性光子晶體的特性晶格類型，晶格類型，光子材料的介電常數(shù)配比，光子材料的介電常數(shù)配比，高介電常數(shù)材料的填充比。高介電常數(shù)材料的填充比。點缺陷點缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷2 2 光子局域光子局域 在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷時，與缺陷

3、在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷時，與缺陷態(tài)頻率符合的光子會被局限在缺陷位置，態(tài)頻率符合的光子會被局限在缺陷位置，而不能向空間傳播。而不能向空間傳播。1 1 光子帶隙光子帶隙在一定頻率范圍內(nèi)的光子在光子在一定頻率范圍內(nèi)的光子在光子晶體內(nèi)的某些方向上是嚴格禁止晶體內(nèi)的某些方向上是嚴格禁止傳播的。傳播的。光子晶體光子晶體-自然界中的例子自然界中的例子 蝴蝶貓眼石光子晶體制備方法光子晶體制備方法精密機械加工法精密機械加工法 半導(dǎo)體微納米制造法半導(dǎo)體微納米制造法 膠體晶體自組裝法膠體晶體自組裝法 反蛋白石結(jié)構(gòu)法反蛋白石結(jié)構(gòu)法 液晶全息法等液晶全息法等困難：制備足夠小的周期性結(jié)構(gòu)。困難：制備足夠小的周期性結(jié)構(gòu)

4、。Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251半導(dǎo)體微納米制造法半導(dǎo)體微納米制造法由一維等距排列的棒逐層疊加而成，層與由一維等距排列的棒逐層疊加而成，層與層間棒取向是垂直的，次相鄰層的棒相對層間棒取向是垂直的，次相鄰層的棒相對于第一層均平移了于第一層均平移了1/21/2棒間距，以四層為棒間距，以四層為一個重復(fù)單元，構(gòu)成面心四方結(jié)構(gòu)。一個重復(fù)單元，構(gòu)成面心四方結(jié)構(gòu)。d d為為每一層中棒的間距，每一層中棒的間距，w w表示棒寬度，表示棒寬度，c c表示表示一個重復(fù)單元的尺寸。一個重復(fù)單元的尺寸。Layer by layer method Ozbay et al Appl.

5、 Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238當外加電場增大時，微球自組裝形成體心當外加電場增大時，微球自組裝形成體心立方，柱內(nèi)是有序的晶體排列；進一步加立方，柱內(nèi)是有序的晶體排列；進一步加上磁場后，內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由上磁場后，內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由體心四方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)。由于體心四方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)。由于小球只需微小的運動即可以造成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)小球只需微小的運動即可以造成結(jié)構(gòu)

6、的轉(zhuǎn)換，故這種三維光子晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換只需換，故這種三維光子晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換只需簡單的變化外加磁場的相對強度即可達到簡單的變化外加磁場的相對強度即可達到。 磁場磁場包覆球截面的包覆球截面的SEMSEM照照片片電場電場體心立方體心立方面心立方面心立方結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換的三維光子晶體結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換的三維光子晶體反蛋白結(jié)構(gòu)法反蛋白結(jié)構(gòu)法以膠體自組裝法生長出的密堆積的膠體晶體為模板，向以膠體自組裝法生長出的密堆積的膠體晶體為模板，向球形膠體顆粒的間隙填充高介電常數(shù)的材料，然后通過球形膠體顆粒的間隙填充高介電常數(shù)的材料，然后通過焙燒、化學(xué)腐蝕等方法將模板除去，得到三維周期性的焙燒、化學(xué)腐蝕等方法將模板除去，得到三維周期

7、性的反蛋白石結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)是空氣小球以面心立方的形反蛋白石結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)是空氣小球以面心立方的形式分布于高介電系數(shù)的介質(zhì)中。式分布于高介電系數(shù)的介質(zhì)中。光子晶體的材料有三類：半導(dǎo)體材料、介 質(zhì)材料、有機聚合物材料。在實驗室和實際應(yīng)用中，光子晶體都是人為加工得到的。2、光子晶體光纖(Photonic crystal fiberPCF)1992年提出在石英光纖上規(guī)則地排列空氣孔，光纖的纖芯由一個破壞包層周期性的缺陷態(tài)構(gòu)成。缺陷態(tài)可以是大的空氣孔或?qū)嵭牡氖?。從光纖的端面看，存在周期性的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，在光纖的中心有缺陷態(tài)，光可以沿著缺陷態(tài)在光纖中傳輸。光子晶體光纖在外觀上和傳統(tǒng)的普通單模光纖

8、非常相似，但微觀上光子晶體光纖的橫截面完全不同。光子晶體光纖的橫截面由非常微小的孔陣列組成，類似于晶體中的晶格，這也是光子晶體名稱的由來。小孔是一些直徑為光波長量級的毛細管，平行延伸在光纖中。光子晶體光纖突出的優(yōu)點：如果PCF的空氣孔較大，將會與普通光纖一樣，在短波長區(qū)會出現(xiàn)多?，F(xiàn)象。第一、光子晶體光纖可在5001600nm范圍內(nèi)保持單模運轉(zhuǎn)。對光纖彎曲和扭轉(zhuǎn)都不能激發(fā)高階模。在1600nm 以下，光纖對直徑小到0.5cm 的彎曲損耗都不敏感。當滿足空氣孔足夠小的條件，空氣孔徑與孔間距之比不大于0.2， PCF具有無終止單模特性。第二、允許改變纖芯材料，加強光纖的非線性效應(yīng)。如果在PCF空氣孔

9、中填充合適的非線性材料，會顯著提高PCF的非線性。Bell實驗室發(fā)現(xiàn)，對高非線性PCF，由峰值功率只有數(shù)瓦的100 fs光脈沖，注入75cm長的PCF，產(chǎn)生了超寬連續(xù)光譜的單模光，帶寬達到1000 nm，范圍從紫光到近紅外。第三，可靈活地設(shè)計色散和色散斜率，提供寬帶色散補償。目前已經(jīng)在PCF中成功產(chǎn)生了850 nm光孤子，將來波長還可以降低。PCF能夠在波長低于1.31m獲得反常色散，同時保持單模；反常色散特性為短波長光孤子傳輸提供了可能性。為制作在可見光波段的光孤子光纖激光器提供了一種可能;光子晶體光纖可以把零色散波長的位置移到1 m以下。波分復(fù)用在一根光纖中傳輸多個信道時，隨著光功率增加，

10、會出現(xiàn)交叉相位調(diào)制和四波混頻等材料的非線性現(xiàn)象，雖然可以通過增加有效面積緩解非線性的影響，但過大的通光口徑又不能保證單模運轉(zhuǎn)，限制傳統(tǒng)單模光纖向更大容量發(fā)展很難逾越的障礙。第四、消除非線性依靠光子帶隙傳輸?shù)墓庾泳w光纖可使上述障礙迎刃而解。由于PCF為空心結(jié)構(gòu)，纖芯可以是空氣或真空，不用二氧化硅，作為材料屬性的非線性，自然也就不存在了。普通單模光纖的纖芯主要成分是二氧化硅，即使盡量降低雜質(zhì)吸收，但本征吸收和瑞利散射是很難避免的，因而普通光纖能量損耗總是大量存在。而PCF結(jié)構(gòu)上是中空的，對光波傳輸損耗極低，有利于長途通信。第五、極小的能量損耗雖然普通單模光纖可以避免模式色散，結(jié)構(gòu)色散也可以做得很

11、低，但材料色散卻是本征性的，無法避免。它的存在使光脈沖展寬，限制了傳輸速率。英國的研究人員用二維光子晶體成功制成新型光纖：由幾百個傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細管依次綁在一起組成六角陣列，然后在2000度下燒結(jié)，從而形成直徑約40 m的蜂窩結(jié)構(gòu)與亞微米空氣孔。傳播光是在空氣孔中而非氧化硅中，消除了材料色散。PCF纖芯可以是空氣或真空，材料色散也就盡可消除了，不會出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。第六、消除材料色散傳統(tǒng)光纖要取得雙折射方式有兩種：一是使截面非圓形；二是使光纖本身材料具有雙折射。這兩種方式在技術(shù)上都較難實現(xiàn)。第七、高雙折射性質(zhì)在光子晶體光纖中，可以通過改變包層結(jié)構(gòu)參數(shù)，很容易制作出具有高

12、雙折射效應(yīng)的光子晶體光纖，只需破壞光子晶體光纖截面的圓對稱性，使其成為二維結(jié)構(gòu)即可。圖3給出了理論上設(shè)計的高雙折射PCF截面示意圖。采用高折射率無孔纖芯，包層周期性多孔的結(jié)構(gòu)。為了引入雙折射，增大了中心附近的2個孔徑，并同時減小了這兩個孔與其它空的距離。破壞了通常PCF 中的對稱結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生了一個延長的芯區(qū)結(jié)構(gòu)。光子晶體光纖商業(yè)化產(chǎn)品非線性光子晶體光纖；大模場區(qū)域光子晶體光纖；多模光子晶體光纖；空氣波導(dǎo)光子帶隙晶體光纖；雙包層高數(shù)值孔徑摻晶體光纖鐿。丹麥、英國、美國等中國上海光機所3、光子晶體激光器在激光器中引入一帶有缺陷的光子晶體，使缺陷態(tài)形成的波導(dǎo)與出射方向成一樣的角度，自發(fā)輻射的能量幾乎

13、可以全部用來發(fā)射激光，這就大大降低了激光器的閾值。人們正在進行著無閾值激光器的研究。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。4、光子晶體反射鏡用光子晶體做襯底，由于電磁波不能在襯底中傳播，能量幾乎全部射向空間。是性能非常高的天線。光子晶體反射鏡有許多實際用途，如制作新型的平面天線。普通的平面天線由于襯底的透射等原因，射向空間的能量有很多損失；5、光子晶體超棱鏡常規(guī)的棱鏡對波長相近的光幾乎不能分開。光子晶體做成的超棱鏡的分開能力 比常規(guī)的要強100到1000倍，而體積只有常規(guī)的百分之一大小。例如對波長為1.0微米和0.9微米的兩束光，常規(guī)的棱鏡幾乎不能

14、將它們分開，但采用光子晶體超棱鏡后可以將它們分開到60度。超棱鏡對光通訊中的信息處理有重要的意義。對一般用GaAs(鈣、砷)介質(zhì)作基底的天線反射器，98的能量完全損耗在基底中，只有2的能量被發(fā)射出去，同時造成基底的發(fā)熱。6、微波天線針對某微波頻段可設(shè)計出需要的光子晶體，并讓該光子晶體作為天線的基片。使此微波波段落在光子晶體的禁帶中，基底不會吸收微波，實現(xiàn)了無損耗全反射，把能量全部發(fā)射到空中。7、微諧振腔光子晶體微腔可以用來制作激光器，體積可以非常小。微諧振腔的Q值隨著光子晶體的層數(shù)的增加而呈指數(shù)增長，當光子晶體的層數(shù)不是很大時，Q值也可以超過5000。在一種層堆積的三維光子晶體中引入線缺陷態(tài)便

15、可以構(gòu)造出一個微諧振腔。用微諧振腔作為激光器的諧振腔，使激光器中的自發(fā)輻射頻率落在光子晶體的禁帶范圍內(nèi)，就可以有效降低激光振蕩的閾值，做出低閾值高效的激光器。同樣可以用來制作高效率的發(fā)光二極管。利用光子晶體的帶隙特點，可以制造出理想帶阻濾波器，獲得優(yōu)良的光波濾波性能。8、帶阻濾波器光子晶體的濾波帶寬可以做得很大，目前能實現(xiàn)從低頻(幾乎為0Hz)直到紅外的寬帶濾波。用二維光子晶體來制作偏振器，可以在很大的頻率范圍工作，體積很小，很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。9、光子晶體偏振器常規(guī)的偏振器只對很小的頻率范圍或某一入射角度范圍有效，體積也比較大，不容易實現(xiàn)光學(xué)集成。光子晶體中的缺陷態(tài)就像電子

16、半導(dǎo)體中的摻雜，使光子晶體具有很多的功能，通過組合這些功能我們可以在光子晶體上構(gòu)造出適合需求的集成光路。10、集成光路在用光子晶體實現(xiàn)光路集成的條件下，光子晶體有可能制成一種體積小、高速、低功率的全光交換機。11、光交換機通過使用一個MEMS(微機電系統(tǒng))的推動器，在光子晶體中引入缺陷來實現(xiàn)光交換?；驹恚寒擬EMS推動器把微小的介質(zhì)棒推入光子晶體時，就在光子晶體的內(nèi)部引入了缺陷，從而使光可以在此處通過；當MEMS把微小的介質(zhì)棒抽出光子晶體時，此處就沒有缺陷，這時此處的光就會被阻擋。這樣就實現(xiàn)了光交換的功能。光子晶體優(yōu)良的特性及其在光電子領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力，必將推動光通信技術(shù)的飛速發(fā)展。操縱

17、光波的流動是人類多年的夢想和追求，全球高新技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家與企業(yè)家都期待著新的帶隙材料對光波的操縱。從科學(xué)技術(shù)角度可以預(yù)言，這一目標一旦實現(xiàn)，將對人類產(chǎn)生不亞于微電子革命所帶來的深刻影響光子晶體技術(shù)的發(fā)展必將對光通信技術(shù)產(chǎn)生深遠的影響。結(jié) 束 語u在同一硅晶體襯底上將多種微光學(xué)元件、微定位器、微致動器和控制電路等單元單片集成在一起構(gòu)成的微光機電系統(tǒng)；u光學(xué)平臺微型化；u也稱其為MOEMS微光電子機械系統(tǒng)。1、MEMS(微電子機械系統(tǒng))二、MEMS技術(shù)在光通信中的應(yīng)用 uMEMS的工藝技術(shù)奠定在硅芯片IC的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上。u對傳統(tǒng)平面二維光刻技術(shù)提出了更高的要求，還出現(xiàn)了獨特的三維刻蝕、鏤空等技

18、術(shù)手段。u產(chǎn)品有：光開關(guān)、可變光衰減器、可調(diào)濾波器、可調(diào)激光器、共振腔探測器、增益均衡器、調(diào)制器及光斬波器等。2、光開關(guān)l通過靜電控制微鏡的上下來實現(xiàn)光路的切換，如圖1所示。l翹翹板結(jié)構(gòu)。l商用化的有4x4、8x8、16x16、32x32及2x16光開關(guān)模塊。l32x32光開關(guān)在一塊硅基上共集成了1024個微鏡，光路最大損耗僅為7dB。l實際應(yīng)用最多的4x4和8x8光開關(guān)模塊同時具有全通道上下載能力，如圖2所示。lBell實驗室在一塊硅基上制作64面微鏡構(gòu)成8x8的光開關(guān)。l通過兩級微絞鏈控制微鏡直立或倒下來改變光路，如圖3所示。l原理如圖4所示的基于MEMS技術(shù)的2x2光開關(guān)具有較快的切換時

19、間，切換時間小于0.5ms。l具有不超過1.5dB的插入損耗，壽命可達l0億次。3、可變光衰減器v性能優(yōu)良的可變光衰減器(VOA)要求盡可能小的插損、小的驅(qū)動電壓與功耗、大的可調(diào)衰減范圍、良好的線性以及調(diào)節(jié)時對光信號有盡可能小的噪聲干擾。vMEMS光衰減器一般采用微擋光片插入光路轉(zhuǎn)動微反射鏡改變光路的耦合效率及采用微機械半反射結(jié)構(gòu)（MARS)來實現(xiàn)光功率的衰減。v如圖5所示，MARS以多層電介質(zhì)反射鏡棧的方式工作，最后一層是控制電極，在頂部電極施加靜電壓，吸引氮化硅薄膜向襯底移動，使氣隙減小，反射鏡棧的反射率可由很高(75)變化到0。v通過靜電致動器調(diào)節(jié)擋光板的位置可在2ms內(nèi)實現(xiàn)40dB的衰

20、減量。v典型插入損耗僅0.5dB。v工作波長從1240nm至1600nm。v在DWDM 系統(tǒng)中，可調(diào)諧濾波器是不可缺少的器件。采用光電子技術(shù)研制出的器件，由于材料折射率變化有限，其可調(diào)諧范圍較窄。v利用MEMS技術(shù)可以設(shè)計和制作出可動FP腔鏡，控制腔鏡的位置可獲得腔長的變化，以實現(xiàn)對光波長大范圍的調(diào)諧。4、可調(diào)諧濾波器v插損小于2.5dB，隔離度可達40dB。v波長間隔25GHz、調(diào)諧范圍110nm。v激光器共振腔的腔長由一個MEMS裝置來控制，通過改變腔長來調(diào)節(jié)和改變光波長。5、可調(diào)諧激光器v適于DWDM 系統(tǒng)的可調(diào)VCSEL(垂直共振腔面射激光器)激光器，2001年底由美國研制成功。v發(fā)射波長在1550nm1610nm之間。v微機械能夠直接調(diào)整FP腔，如圖6所示。v平均輸出功率可達0dBm，可以滿足2.5GHs和10GHs的傳輸需要。6、光