硕士研究生开题报告-华中科技大学武汉光电国家实验室

研究生（文献阅读与选题）报告

题目：硅基沟道型光子晶体波导慢光特性的研究

学号M201272466

姓名刘勃

专业光学工程

指导教师王涛教授

院（系、所）武汉光电国家实验室

华中科技大学研究生院制

填表注意事项

一、本表适用于攻读硕士学位研究生选题报告、学术报告，攻读博士学位研

究生文献综述、选题报告、论文中期进展报告、学术报告等。

二、以上各报告内容及要求由相关院（系、所）做具体要求。

三、以上各报告均须存入研究生个人学籍档案。

四、本表填写要求文句通顺、内容明确、字迹工整。

硅基沟道型光子晶体波导慢光特性的研究

1课题的来源及意义

1.1硅基光子学的机遇和发展

基于硅材料的微电子技术已经深刻的改变了人类的生活方式，并且正在以突飞猛进的速度向前发展,著名的“摩尔定律”告诉我们：集成电路芯片上可集成的晶体管数量每18个月翻一倍，而价格则降低一半。随着器件集成度的持续增加，电子作为信息载体所能承受的传输极限逐渐呈现出来，首先，随着器件线宽的减小，温度迅速增加，器件的发热问题将极大的影响微电子芯片的工作。其次，随着器件线宽的减小，进一步的减小线宽至10纳米以下将会非常困难。更进一步的，当线宽减小至纳米量级时，电子在波导中传输时候会和相邻的波导发生量子遂穿效应。由于以上的原因，微电子技术的技术的发展很快就会遇到瓶颈，而这些瓶颈是由电子材料本身的特性决定的。

解决以上瓶颈的有效途径，是寻找其他的物质代替电子作为信息的传输载体，光子是很好的能够取代电子作为信息载体的物质。与电子相比，没有电荷属性的光子用于传递信息有绝佳的优势。光在传输的过程中没有热效应，两束方向不同的光交叉传输的过程中没有串扰，而热效应和串扰这两点一直严重影响制约着电子器件的发展。相对于电信号来说，光信号具有很高的频率，因而具有很大的带宽，同时，对光信号来说可以把很多不同的信道集中在一根光纤里传输而没有串扰。

硅材料已经大规模应用于电子器件的制备中，对于光子器件来说，硅材料同样具有很大的应用价值，而且日益成熟的硅基微电子工艺也将为硅基光子器件提供很大的帮助。首先，硅在传统的通信波段（从1270纳米到1625纳米）是透明无损的，这使得我们可以用硅来做一些光器件，比如光波导，光开关，光调制器等等。此外，把已经在电器件中大规模应用的CMOS工艺技术用于制作光器件，解决了具有电控制功能的新型光电混合器件的制备问题，使得光电混合器件得到了突飞猛进的发展。把硅材料的应用扩展到制备光器件，这样一来，

电器件和光器件都是用同一种材料制备的，可以把光器件和电器件整合进同一块芯片而同时具备这二者的优势。

1.2慢光

硅基光子学概念的提出不过十几年的时间，但是，随着全世界科学家的持续关注，发展的非常迅速。目前的技术已经能够成功的在实验室里制备基于硅的光源，光波导，光调制器，和光探测器。硅基光子学发展的下一步在于解决集成问题，也就是，如何将上面这些各自独立的光模块集成封装在同一片芯片上，并且确保各模块之间协调工作。但是，同成熟的微电子器件相比，现阶段的光器件体积相当巨大，很难把这些光器件集成到一片芯片上。更为重要的是，人类现阶段对光子的了解远远不如对电子的了解，目前的光子技术很难在一个芯片内部驾驭好光。对全光信号的放大，存储，再生技术还没有解决好。尤其是，当不同模块的光器件被集成到同一块芯片中，不同模块之间的通信和协调工作要求把光信号能够及时高质量的存储起来，并且在任何需要用的时候都能够高质量的把这些光信号再生出来。这对于全光信号系统来说是最为关键的，但是至今都没有合适的解决办法。

慢光是解决以上硅基光子学瓶颈问题的一项关键技术。首先，慢光与生俱来的性质可以极大的减小光器件的尺寸。由于慢光的大色散特性，要达到同样的光学效果（比如相位改变和非线性效应），利用慢光器件需要的长度只有常规的光器件长度的几千分之一。此外，慢光也是人类控制光作为信息载体最基础的一项技术，光信号的放大、存储和再生都需要精确的控制光信号的速度。慢光技术还在数据精密同步、全光交换、量子光学以及增强线性与非线性光学特性实现全光信号处理等领域有着广泛用途。

自从1999年hau和他的同事在靠近绝对零度的温度下，成功的在原子蒸汽中观察到光的速度被减慢至17米/秒，各种各样产生慢光的方法被人们提出Budker 的研究小组在鉫原子蒸汽中成功的将光速减少到8米/秒。此后不久，Bigelow和

他的同事在室温下在红宝石晶体中将光速减少到58米/秒。Song的研究小组报道了在掺铒光纤中将光速减慢的实验。Vlasov和他的同事第一次在硅片上的光子晶体波导中将光速减小到原来的300分之一。Yariv和他的同事在1999年首次提出微环阵列的概念，而在2006年基于微环阵列的慢光被提出。综上，这些各式各样产生慢光的方法可以被归纳为两大类：一类是利用非线性光学效应将光速减慢，比如电磁感应透明法（EIT）和相干布局振荡（CPO）；另一类是基于周期性排列材料，比如光子晶体波导和耦合微环阵列中的慢光。

1.3硅基光子晶体波导及其慢光特性的研究

要实现硅基单片光电集成，把微电子器件和光学器件集成在一个芯片上，显然需要在硅材料上面将光器件的尺寸也同样制作到微电子器件的水平。这种情况下，光器件的尺寸和其操控的光波长将在一个量级上，也即要降到微纳米尺度。此时，经典的几何光学理论不再适用，人们需要研究操纵和利用光的新机理。目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体，和光子晶体。纳米线波导具有结构简单、制作方便、损耗低、对偏振不敏感等优点，适合用于微纳光互连和光传输，但其缺点是功能单一，大角度弯曲损耗大。表面等离子体器件尺寸可以缩小至深纳米，其具有的极强的表面局域增强效应，使得其在表面传感探测、局域光增强等方面具有突出优势。但表面等离子体器件具有很大的弱点，在光波段时，其中的金属材料的吸收损耗很大，并只能在单一的横磁场模式（TM）偏振态下工作；此外，等离子体波与光波间的相互耦合也存在很大困难。光子晶体具有体积小、损耗低、可以进行大角度弯曲和功能丰富等优点，其缺点是目前制作工艺相对比较难于控制。在这三种主要纳米光学结构中，光子晶体具有体积小、损耗低、可以进行大角度弯曲和功能丰富等多种优点，而其存在的加工难度问题正随着现代硅加工技术的进展和成熟不但降低。因此，光子晶体被认为是最有前途的光子集成人工微结构材料，称为光子半导体。因而，结合硅材料成熟的微纳米加工技术和潜在的无限前景，以光子晶体具有的独特优势为手段，可望突破限制硅基光电子器件发展中的技术与理论瓶颈。

把光子晶体引入到硅体系材料中，一方面使得在纳米尺度内光器件的小型化能够顺利进行，另一方面也能丰富和增强硅体系材料的功能性。由于硅材料所具有的优异化学物理性质以及机械稳定特性和广泛用途，硅基光子晶体的研究几乎覆盖所有光子晶体所涉及的领域。随着硅基光子晶体研究的深入，各种光发射器件、波导、分束器、耦合器、滤波器、光开关、调制器、太阳能电池、传感器和隐身技术等。逐渐从研究转向应用，其性能也不断提高。对于硅材料来说，由于硅晶体的对称晶体结构，硅晶体本身几乎没有二阶非线性特性，其三阶非线性系数也比较小，所以光子晶体波导中观察到的慢光增强作用，对于硅晶体材料来说就尤为重要。利用光在硅基光子晶体中的慢速传播，可以一方面降低硅基光器件的光功率阈值，同时，又可以降低器件的尺寸而提高器件的集成度。

对于硅材料来说，由于硅晶体的对称晶体结构，硅晶体本身几乎没有二阶非线性特性，其三阶非线性系数也比较小。所以光子晶体波导具有的慢光增强作用，对于硅晶体材料来说就尤为重要。2009年4月，澳大利亚悉尼大学Bill Corcoran 研究组与来自英国圣安德鲁大学的研究人员在Nature Photonics期刊上，报道了一种利用二维光子晶体的慢光现象来增强硅材料的三阶非线性效应，实现了用1550纳米的脉冲光产生波长为520纳米的绿光发射器件[1]。

图一

2.课题国内外研究概况及发展趋势

光子晶体慢光波导最大的优点就是可在室温下产生慢光，并且体积可以做的很紧凑，在光学延迟线、全光缓存、相位调制，光学非线性等领域具有巨大的应用前景。

自2001年日本电信电话株式会社（NTT）的Notomi等人[2]实验中观察到在硅基光子晶体波导中存在极大的色散和高的群折射指数后，光子晶体波导中的慢光现象就吸引了广大科研工作者的注意，目前成为各国科学家研究的焦点与前沿。2005年，IBM公司在Nature上报道了实验中在硅基光子晶体波导中测量到了1/300C0的群速度[3]。然而，在标准单线缺陷光子晶体波导中，慢光通常发生在光子晶体布里渊区能带的边缘，并且伴随着极大的色散特性，这种极大的色散能力又会带来二阶或高阶的色散，从而造成光信号传递的变形和失真。为了减少这些高阶色散的影响，科研工作者们提出了很多调节标准光子晶体线缺陷波导结构的方法。日本横滨国立大学的Baba小组[4]和德国汉堡技术大学的Petrov[5]提出并演示了各种调节波导宽度和临近波导核心孔径的方法来实现线性能带从而减小色散的慢光方法。此外，Baba小组还提出了利用耦合两个相反色散组成的硅基光子晶体耦合波导的色散补偿慢光。英国安德鲁斯大学的Krauss 小组[6]系统研究了调节临近波导核心孔位置的方法，从而获得线性能带，减小慢光色散。尤其引人注目的是，NTT的Notomi小组在2008年的Nature Photonics 上，报道了采用光子晶体耦合腔波导实现慢光的实验。他们在该波导中获得了历史记录性的0.01c的慢光和皮秒脉冲带宽的光信号[7]。国内直到2007年才有对硅基光子晶体波导慢光的研究的报道，其研究水平整体晚于国外，但发展很快。2007年，北京邮电大学[8]纪越峰小组研究了正方晶格光子晶体中优化线缺陷波导的慢光。随后，清华大学的黄翊东[9]小组研究了色散补偿慢光，上海交通大学的姜淳[10]小组理论研究了偏移光子晶体晶格、耦合光子晶体波导中的慢光。

3.课题的研究内容和技术方案

3.1研究内容

2008年，一种新型的光子晶体波导—沟道型光子晶体波导的提出，更加丰富了光子晶体波导的研究内容，并且引起了科研工作者的强烈兴趣。相比传统的光子晶体波导，新型的沟道型波导不仅具有慢光增强的作用，而且可以将光限制在纳米级低折射率的空气沟道中。这种强烈的限制作用将显著增强光场在沟道中的场密度，这种特性使得沟道型光子晶体波导在光传感方面具有很好的应用[11,12]。同时，其慢光效应和增强的光场密度也将会显著增强光与物质的相互作用，进而，在非线性效应（克尔效应，双光子吸收，三次谐波产生等）增强方面的应用也相当的显著。近些年来，沟道型光子晶体波导在光学传感[11,12]和电光开关[13]方面的应用已经被证明。

然而在我们不断减慢光群速度的过程中，带宽会随之减小，群速度色散会随之不断增强，我们在提高慢光性能的同时必须同时考虑带宽和群速度俩方面的因素。因此，要首先介绍归一化延迟带宽积（NDBP）的概念，这是综合了慢光和带宽俩方面的一个性能参数。NDBP可以表示为：

NDBP=×(Δω/ω0)（1）

表示平均的群折射率，Δω和ω0分别代表带宽和中心频率。

=n G=dK/dω（2）对于线性能带区域，有：

dK/dω=ΔK/Δω（3）

代入有：

NDBP=（dK/dω）×（Δω/ω0）=ΔK/ω0（4）由式子（4）我们可以看出，可以从俩个方面入手提高光子晶体波导的NDBP：a）增加波矢范围ΔK。b）减小中心频率ω0。

近些年对于沟道型光子晶体波导的慢光特性增强的研究也是越来越多，也取得了客观的成果。2010年北京大学李艳萍课题组获得了对于slot mode在群折射率为23时，带宽达到了17.6nm[14]；2012东北大学朝阳课题组在Journal of Light Technology上发表了近期的研究成果，得到了slot mode在群折射率分别为30，45，和110时，带宽达到23.6nm，6.0nmhe1.8nm[15]。2012年法国人人Charles Caer课题组梳状沟道光子晶体波导进行了研究，研究结果发表了Optics Letters，其分别对slot mode和W1mode进行了研究，分别得到了NDBP为0.139和0.147[16]。

在传统的光子晶体波导中引入空气沟道后，带隙内会增加一个新模式叫做slot mode。这对于我们研究波导的慢光特性也带来了新的思路，本课题的一个内容就是想通过对新波导结构的设计，试图得到一些结构能够同时提高俩种模式—slot mode和W1mode的慢光效果，这样我们得到的新波导结构在用于光学传感和探测应用时，将很大程度的提高探测的效率。

图二：slot模式的光场分布图

图三：沟道型光子晶体波导的导模分布

3.2研究方案

经过了前期的一些模拟仿真计算，我们确定了一种新的波导设计方案来试图达到同时提高W1mode和slot mode慢光性能的目的。我们通过周期性移动沟道俩侧的空气孔，引入非对称的因素，形成非对称沟道型光子晶体波导。通过非对称的移动，形成光子晶体等效折射率的重新分布，光场的分布也会形成非对称的分布，折射率导模和带隙导模的连接点anticrossing point[17]会随着我们非对称的移动而移动，进而实现我们所希望达到的慢光。

在仿真计算中我们结构如图三所示，我们设计的为三角晶格的光子晶体，晶格常数a=430nm,空气孔半径r=0.34a，沟道的宽度ωs=0.28a，我们采用2维的平面波展开法[18]在仿真计算慢光，在仿真中的超晶格选取2a×11a，波导为W1波导，宽度为√3a。俩条导模在带隙中的位置如图四所示。

4.预期结果

在研究方案确定之后，将按照之前的思路通过引入非对称因素，然后全面的调节和优化，达到同时提高W1mode和slot mode慢光性能的目的，并且慢光较之前的结果都有一定的提高。在平面波展开法仿真计算完成之后，进行时域的FDTD[19]的仿真，来验证PWE方法，若二者结果吻合很好，这可说明我们的方案是可行的。

图四：仿真计算中所采用的光子晶体平板波导的结构图

图五：仿真计算所计算的能带图以及带隙导模和折射率导模的区分

5.参考文献

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electro-optic modula-tion in hybrid silicon–organic slotted photonic crystal waveguides,”Opt.Lett.35,2753-2755 (2010).

[19]S.G.Johnson,and J. D.Joannopoulos,“Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell’s equations in a

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研究生签字指导教师签字院(系、所)领导签字

刘勃

王涛

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