光子晶体与光子晶体光纤

总第 163期 2008年第 1期 　　　　　　　　　　　 　　　 舰 船 电 子 工 程 Ship Electronic Engineering 　　 　　　　　　 　 　　　　　Vol. 28 No. 1　　37　 光子晶体与光子晶体光纤 3 黄 　侃 1) 　李海林 2) 　龙 　清 3) (92830部队 1) 　海口 　571122) 　 (海军工程大学电院通信系 2) 　武汉 　430033) (92146部队 3) 　湛江 　524001) 摘 　要 　简要介绍光子晶体的定义及光子晶体光纤的概念 ,并着重介绍该新技术的应用。 关键词 　光子晶体 ;光子晶体光纤 中图分类号 　TN914 1　引言 光信息技术是信息化社会的主要技术支撑。 目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之 上的微电子技术。由于强烈的需求 ,微电子技术以 惊人的速度发展。根据“摩尔定律 ”,半导体元件 的集成度以每 18个月翻一番的速度发展 ,电子和 微电子技术正在走向物理上和技术上的极限 (如 速度极限、密度极限 ) ,这些不可逾越的技术极限 对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。 以光子代替电子作为信息的载体是长期以来 人们的一个共识 ,因为光子技术具有高传输速度、 高密度及高容错性等优点。然而 ,由于光子不像电 子一样易于控制 ,长期以来 ,光信息技术仅仅在信 息传输 (光通信 )中得到应用 ,而且是最基本的信 息功能。而信息处理的核心部分则依然依赖微电 子技术。 2　光子晶体的概念 光子晶体的出现 ,为信息技术新的飞跃提供了 一次历史性的机遇。正如 20世纪中叶半导体的发 现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响一样 ,光 子晶体的研究、开发和应用可能为未来若干年世界 经济的发展提供一个新的生长点。 在 1987年 , E. Yablonovitch和 S. John首先指 出如果我们在电磁波中制造出在其波长尺度下具 有周期排列的介质 (可类比于电子的物质波 (De - B rogiewave)与原子晶格的大小 ) ,电磁波在此巨观 排列的行为将有如电子在晶体中一般 ,被此排列周 期、空间结构和介质的介电常数所控制 ,而不需要 改变物质的內在化学结构。因此 ,我们可在电磁波 的波长尺度下 ,并制造出特殊需求的光的特 性 ,在光波尺度下这种新的人工晶体被称为“光子 晶体 ( Photonic Crystal) ”。 从晶体结构来说 ,晶体内部的原子是周期性有 序排列的 ,正是这种周期势场的存在 ,使得运动的 电子受到周期势场的布拉格散射 ,从而形成能带结 构 ,带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果 落在这种带隙中 ,就无法继续传播。其实 ,不论是 电磁波 ,还是其它波如光波等 ,只要受到周期性调 制 ,都有能带结构 ,也都有可能出现带隙。而能量 落在带隙中的波同样不能传播。 3　光子晶体的制作 能使得红外光与可见光反射的光子晶体 ,其晶 体之晶格大小约为波长的 1 /3到 1 /2左右 ,相当于 200 - 500纳米。要以人工的方式制作这样周期大 小的光子晶体 ,一种方式是使用比传统微米级更优 良的曝光显影技术 ( Photolithography) ;另一种方式 则是以成长、沉积或化学合成的技术 ,建构薄膜 ( Thin Film)或纳米颗粒 (Nano particles)。拜纳米3 收稿日期 : 2007年 5月 30日 ,修回日期 : 2007年 7月 4日 作者简介 :黄侃 ,男 ,工程师 ,研究方向 :有线通信工程。李海林 ,男 ,硕士研究生 ,讲师 ,研究方向 :海缆与光通信。 龙清 ,男 ,助理工程师 ,研究方向 :系统结构。 科技之赐 ,我们得以在光子晶体理论发展的同时 , 以人工的方式 ,建构能使红外光与可见光反射的光 子晶体 ,才能使光子晶体的研究得以蓬勃发展。 已经发展许久的薄膜科技便是光子晶体的基 本技术 ,以两种以上的薄膜交互成长所构成的多 层膜称为一维光子晶体。如果于平面的基材上 挖洞 ,所形成的孔洞以类似矩阵的周期形式排 列 ,便可建构二维光子晶体。若将二维的周期性 结构加以堆积 ,便成为三维光子晶体。 一维的光子晶体 (即为多层膜结构 )用于传 统光学中已有数十年的历史。二维与三维光子 晶体 ,便是从纳米制程技术成熟之后 ,才逐渐伴 隨著光子晶体的理论一起发展起来。基本上由 于二维光子晶体的光局限效应有限 ,光能量便不 容易局限于光子晶体当中。故三维光子晶体便 可能是未来元件实际制作的基本架构。 目前三维光子晶体的建构方法 ,一种是以电 子束显影法 ( e - beam photolithography)制作柵栏 状的结构 ,再加以堆积形成网格状的结构。其制 图 1　以直径为 300nm的 聚苯乙烯小圆球所建构的 光子晶体之电子显微影像 作方法繁杂 ,堆积的对 准也是一个挑战 ,但此 方法可精确设计晶格缺 陷的大小与位置 ,元件 制作的可重复性较高 , 但时间与成本均相当可 观。另一种方式是以聚 苯乙烯 ( Polystyrene)或 SiO2 所合成的小球加 以堆积 (如图 1所示 ) , 此方法可堆积较厚的三维光子晶体结构 ,制作速 度与困难度也相对低了許多。但此方式仍无法 依据设计将晶格缺陷制作于光子晶体当中。 此外 ,三维光子晶体也比二维光子晶体多了一 个空间自由度 ,因此 ,三维光子晶体的研究仍有相 当大的发展空间。如图 2所示即为三维光子晶体 之应用例子。 图 2　三维光子晶体结构 在 1991年 , Yablonovich制作了第一块光子晶 体。他所采用的方法是在折射率为 3. 6的材料上 用机械方法钻出许多直径为 1mm的孔 ,并呈周期 性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”,它 可阻止里面的微波从任何方向传播出去。 4　光子晶体的应用 光子晶体虽然是个新名词 ,但自然界中早已存 在拥有这种性质的物质 ,盛产于澳洲的宝石蛋白石 (opal)即为一例。如图 3蛋白石是由二氧化硅纳 米球 ( nano - sphere)沉积形成的矿物 ,其色彩缤纷 的外观与色素无关 , 而是因为它几何结构上的周 期性使它具有光子能带结构 ,随着能隙位置不同 , 反射光的颜色也跟着变化 ;换言之 ,是光能隙在玩 变色把戏。 在生物界中也不乏光子晶体的踪影。以花间 飞舞的蝴蝶为例 ,它翅膀上的斑斓色彩 ,如图 4所 示。其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构 ,是选择 性反射日光的结果。几年前 ,科学家发现澳洲海老 鼠的毛发也具有六角晶格结构 ,为生物界的光子晶 体又添一例。 光子晶体可控制光子的运动 ,是光电集成、光 子集成、光通信的一种关键性基础材料。用光子晶 体器件来代替传统的电子器件 ,将会引起光通信领 域的一场革命 ,信息通讯的速度快得无法想象。 图 5　光子晶体的波导弯曲 首先 ,光子晶体波导具有优良的弯曲效应。在 一般的光纤波导中 ,当波导拐弯时 ,全内反射条件 不再有效. 因此会漏掉部分光波能量 ,使传输效率 降低。而光子晶体弯曲波导中 ,所利用的是不同方 向缺陷模共振匹配原理。原则上只要达到模式匹 配 ,不管拐多大弯 ,都能达到很高的传输效率。图 5为光子晶体波导的低损耗传输示意图。弯曲效 83 　　　　　　　　　　　黄 　侃等 :光子晶体与光子晶体光纤 　　　　　　　　　　　　总第 163期 应在全光集成系统中很有应用价值。 此外 ,光子晶体还可用于制造各种性能优良 的光通讯器件 ,如光子晶体激光器。在传统的激 光器中存在着一些问。例如 ,激光器的发射波 长的变化使传输损耗发生变化 ,这对波分复用系 统是十分不利的 ,而且随着激光器功率的增加 , 激光器的线宽趋于饱和 ,并开始重新展宽 ,这对 于相干光纤通信 ,特别是 PDM调制十分不利。激 光器的辐射角虽然比 LED已经大大减小 ,但仍然 不理想 ,这也导致了激光器的耦合效率不高 ,只 能达到 30% - 50%。而在激光器中引入一带有 缺陷的光子晶体 ,使缺陷态形成的波导与出射方 向成一样的角度 ,这样 ,自发辐射的能量就几乎 可以全部用来发射激光 ,这就大大降低了激光器 的阈值。目前 ,人们正在进行着无阈值激光器的 研究。 利用光子晶体的带隙特点 ,可以制造出理想带 阻滤波器 ,获得优良的光波滤波性能。光子晶体的 滤波带宽可以做得很大 ,目前能实现从低频 (几乎 为 0Hz)直到红外的宽带滤波。这种大范围的滤波 作用利用传统的滤波器是难以实现的。 OADM光分插复用器是光通信中的一个重要 器件 ,而滤波器又是其中的重要元件 ,主要实现 channel add /drop 功能。图 6 是一种光子晶体 channel drop滤波器示意图。这种结构是通过在一 块具有二维的光子晶体平板中引入单点缺陷来实 现的。频率为 fi的光可以被分离出来 ,转移到其 它的波导中 ,而其它频率的光将不会受任何影响 , 从理论上来说 ,这种分离方法是不会给光造成任何 损失的。 图 6　Channel - drop光 子晶体滤波器 光子晶体在光 通信系统中还有其 它许多应用 ,如光开 关、光放大和光交换 机等新型器件。光 子晶体优良的特性 , 以及其在光电子领 域巨大的应用潜力 , 必将推动光通信技 术的飞速发展。目 前光子晶体正处于 深入研究和应用推 广阶段 ,许多美好的设想成为现实 ,还有待对光 子晶体进行大量的研究工作。光子晶体电路和 装置的出现看起来只是时间问题。 5　光子晶体光纤 光子晶体光纤也是光子晶体一个极为重要的 应用 ,它较传统光纤具有显著的优势。 光子晶体光纤 ( PCF)是基于光子晶体技术发 展起来的下一代传输光纤。光子晶体光纤在外观 上和传统普通单模光纤非常相似 ,但微观上光子晶 体光纤横截面完全不同。光子晶体光纤的横截面 由非常微小的孔阵列组成 ,类似于晶体中的晶格 , 这也是光子晶体名称的由来。实际这些小孔是一 些直径为光波长量级毛细管 ,平行延伸在光纤中。 按导光机理来说 , PCF可以分为两类 :折射率 导光机理和光子能隙导光机理。 5. 1　折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )和周期 性包层折射率 (空气 )之间有一定差别 ,从而使光 能够在纤芯中传播 ,这种结构的 PCF导光机理依 然是全内反射 ,但与常规 G. 652光纤有所不同 ,由 于包层包含空气 ,所以这种机理称为改进的全内反 射 ,这是因为空芯 PCF中的小孔尺寸比传导光的 波长还小的缘故 [ 4 ]。 5. 2　光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即 可导出实芯和空芯 PCF的传导条件 ,即光子能隙 导光理论。如图 7所示 ,光纤中心为空芯 ,虽然空 芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证光不折射 出去 ,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。 当小孔间距和小孔直径满足一定条件时 ,其光子能 隙范围内就能阻止相应光传播 ,光被限制在中心空 芯之内传输。最近有研究明 ,这种 PCF可传输 99 %以上的光能 ,而空间光衰减极低 ,光纤衰减只 有标准光纤的 1 / 2～1 / 4[ 5 ]。 图 7　中心为 空芯的 PCF 空芯 PCF光子能隙传光机 理可以具体解释为 :在空芯 PCF 中形成周期性的缺陷是空气 ,传 光机理是利用包层对一定波长 的光形成光子能隙 ,光波只能在 空气芯形成的缺陷中存在和传 播。虽然在空芯 PCF中不能发 生全内反射 ,包层中的小孔点阵 结构起到反射镜的作用 ,使光在许多小孔的空气和 石英玻璃界面多次发生反射。 当光束从介质 1进入介质 2时 ,光纤中光束传 输常数 β保持不变 ,如图 8 ( a )所示 ; 如果 β≤ 932008年第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　舰 船 电 子 工 程 　 　　　　　　　　　　　　　 n1k0 ,其中 k0 为真空波矢量。而β > n2k0 ,则光束 只能在介质 1中传输 ,而不能传输到介质 2中 ,这 就是全反射情况 ,如图 8 ( b)所示 [ 6 ]。 图 8　光纤中光束的传输与全反射描述 光子晶体光纤和普通单模光纤相比有 3个突 出的优点 : 第一、光子晶体光纤可以在很大的频率范围 内支持光的单模传输 ; 第二、光子晶体光纤允许改变纤芯面积 ,以削 弱或加强光纤的非线性效应 ; 第三、光子晶体光纤可灵活地设计色散和色 散斜率 ,提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把 零色散波长的位置移到 1μm以下。 图 9是目前英国斯温顿 Bath大学的实验性光 子晶体光纤实物图和传输效果图。 图 9　光子晶体光纤及其传输效果 操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求 ,全 球高新技术领域的科学家与企业家都期待着新的 带隙材料对光波的操纵。从科学技术角度可以预 言 ,这一目标一旦实现 ,将对人类产生不亚于微电 子革命所带来的深刻影响。因此 ,光子晶体也被科 学界和产业界称为“光半导体 ”或“未来的半导 体 ”。可以预计 ,在五年之内 ,光子晶体的许多基 本应用将会在市场上体现出来 ,在这些应用中 ,将 会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二 极管。在十年内 ,应该制造出第一个光子晶体“二 极管 ”和“晶体管 ”。在二十年内 ,应该制造出第一 个光子晶体逻辑电路 ,再接下来 ,光子晶体驱动的 光子计算机可能会出现。由光子晶体制造的光通 讯器件将会改变光通讯的现状 ,光子晶体技术的发 展必将对光通信技术产生重大而深远的影响。 参 考 文 献 [ 1 ] Yablonovitch E. 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Key words　 sen so r ne tw o rk, coop e ra tive e ngagem e n t cap ab ility, tac tica l com po ne n t ne tw o rk ( Page: 29) D evelopm en t of the Sh ipborne An tim issile Technology by　W ang M in Abstract　The p ro ce s s o f deve lopm e n t and m o d ifica tio n o f the sh ip bo rne an tim iss ile te chno lo gy a re de sc ribed. The sh ip bo rne an tim iss ile techno lo gy ha s h igh advan tage and im po rtance in the m o de rn ba ttle s. The p e rfo rm ance and p rop e rtie s o f the sh ip bo rne an tim is s ile techno lo gy a re d iscu s sed and the deve lopm e n t o f sh ip bo rne la se r an tim is s ile tende ncy a re ana lyzed. Key words　la se r w e apo n, la se r an tim iss ile , deve lopm e n t ana lys is ( Page: 33) Photon ic Crysta l and Photon ic Crysta l F iber by　Huang Kan Abstract　 In th is p ap e r, the defin itio n o f p ho to n ic c rys ta l and the co ncep tio n o f p ho to n ic c rys ta l fibe r a re in tro2 duce d , e sp e c ia lly the app lica tio n o f th is new techno lo2 gy. Key words　p ho to n ic c rys ta l, p ho to n ic c rys ta l fibe r ( Page: 37) Research on the Ba ttle F ield of Early W arn ing A ircraft for the A ircraft Carr ier Forma tion in Syn thesis Com ba t Area by　X u Sheng liang Abstract　Th is p ap e r d iscu s se s a m e tho d o n the ba ttle fie ld o f e a rly w a rn ing a irc raft ( EW A) fo r the a irc raft ca rri2 e r fo rm a tio n in syn the s is com ba t a re a. Afte r ana lyzing the an ti - a irc raft a re a s and engagem en t p ro ce ss o f the a irc raft ca rrie r fo rm a tio n, the p rinc ip le s o f de te rm in ing the ba ttle fie ld o f EW A a re p ropo se d, and the co rre2 spo nd ing m a them a tica l m o de ls a re e s tab lished. The in2 flue nce o f the p a ram e te rs o n the fo rw a rd - d is tance o f EW A is ana lyze d by s im u la tio n s. The m o de ls can be u se d to de te rm ine the fo rw a rd - d is tance and re la tive o ri2 e n ta tio n o f EW A to sa tisfy the com ba t requ irem e n t o f the a irc raft ca rrie r fo rm a tio n. Key words　a irc raft ca rrie r fo rm a tio n, ea rly w a rn ing a ir2 c raft, dep lo ym e n t o f fo rce s. co rre spo nd ing au tho r ( Page: 41) Research on the D iscr im ina ting System of the Surface Tar2 get’s SAR Image by　Q u L in Abstract　A rtic le s ta rt o ff w ith the m o de rn tim e s ’ nee d o n the a ll tim e line s s, a llw ea the r, b ig a rea and fa r o ff de2 te c t, b ring fo rw a rd the hypo the s is o n the d isc rim ina ting sys tem o f the su rface ta rge t’s SAR im age. Key words　su rface ta rge t, d isc rim ina ting sys tem o f SAR Im age , sys tem flow , a s s is tan t dec is io n - m aking ( Page: 45) Fuzzy Eva lua tion of An ti - W arsh ip Gu ided M issile Threa ten s by　B ai X iaochuan Abstract　 To the re so u rce s tha t the an ti - w a rsh ip gu ide d m is s ile th re a te n s the fuzzy e va lua tio n o f the g rade to be advan tageo u s to the rea so nab le a llo tm e n t ba ttle fie ld, ca rry o n sc ie nce ’s o ffe nd to defend the dec i2 s io n, no o n ly be tte r co n se rve o ne se lf, bu t a lso figh t the e nem y effec tive ly. The text app ly fa in tne s s syn the s ize s to ad jud ica te and be com e the co n tra s t m o re the m e tho d s truc tu re judge s the m a trix, im p ro ving the laye r ana lys is m e tho d (AHP m e tho d ) , ra is ing the accu racy and sc i2 e nce o f the judgm en t m a trix. The adop tio n im p ro vem e n t AHP m e tho d o f em p re s s e va lua te s the an ti - w a rsh ip gu ide d m is s ile to the th re a t g rade o f the s ing le w a rsh ip , ge tting the m o re accu ra te quan tity to tu rn the re su lt. Key words　AHP m e tho d, th re a te n g rade , fuzzy eva lua2 tio n ( Page: 49) Effectiveness Eva lua tion of the L ong Range An ti - sh ip M issile O pera tiona l System by　L i A ng Abstract　Acco rd ing to the co n s titu te o f the lo ng range an ti - sh ip m is s ile op e ra tio na l sys tem. The a rtic le ana ly2 se s the m a in fac to rs w h ich affec t the lo ng range op e ra2 tio na l ab ility o f the an ti - sh ip m iss ile and g ive s the ef2 fe c tivene s s c rite ria by ana lytic h ie ra rchy p ro ce s s, and it ana lyse s each index too. The a rtic le o ffe rs a m e tho d to e va lua te the lo ng range op e ra tio na l ab ility o f the an ti - sh ip m iss ile and it p ro vide s re se a rch re fe re nce to the co n s titu te o f the lo ng range an ti - sh ip m is s ile op e ra tio na l sys tem im p ro vem e n t. Key words　 lo ng range an ti - sh ip m is s ile op e ra tio na l sys tem , ab ility e va lua tio n ( Page: 52) Stud ies on M odel of Target - Ca tch ing Probab ility for An ti - sh ip M issile O ver - the - hor izon A ttack by　Zhao Hui Abstract　B a sed o n the ana lys is o f shoo ting e rro r fac to rs o f O TH an ti - m is s ile a ttacking, th is a rtic le m ake s u se o f the e rro r m a rg in syn the s ize s p rinc ip le and the s im p lifie d func tio n o f lap lad, the m o de l o f ca tch ing p ro bab ility is e s2 2