CN100541147C - 一种光子晶体减慢光速效应的测量方法及测量装置 - Google Patents

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本发明涉及一种光子晶体减慢光速效应的测量方法及测量装置。该方法包括如下步骤：1)在半导体芯片上依次放置一二维半导体光子晶体激光器和一二维半导体光子晶体波导；2)所述激光器产生边发射激光，激光与光子晶体波导耦合；3)激光腔中产生空间烧孔效应，出射多模振荡激光；4)用光纤将出射激光耦合入光栅光谱仪；5)通过分析光谱特征，测得光速减慢信息。该装置包括：一二维半导体光子晶体激光器；一用于泵浦所述激光器的泵浦源；一二维半导体光子晶体波导与所述激光器依次设置在半导体芯片上，所述波导的区域与所述激光器的输出激光场有交叠，使激光与波导耦合；一光纤连接于所述波导与一光栅光谱仪之间。本发明实施简便，成本低。

Description

一种光子晶体减慢光速效应的测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及一种光子晶体减慢光速效应的测量方法及测量装置。
背景技术
减慢光速不仅一直是人类长久以来的梦想，而且具有很广泛和巨大的应用前景。例如在光通信领域中，减慢光速可以应用于全光存储、全光开关、微型光滤波器以及集成激光光源等等。此外，在非线性光学领域中，可以利用光速的减慢以及形成的无色散脉冲使得光与物质的作用大大增强，有效的提高非线性效应。可以说，人们实现了光的传播速度的控制，在完全控制光子的研究中又有了一次飞跃。早在1999年，Harvard大学的科学家就成功的将光速降低到仅有17米/秒。他们的实验利用了波色-爱因斯坦凝聚原理，将钠原子放在真空的容器中并降低温度到绝对零度附近，形成所谓“光学糖浆”(Optical molasses)，从而使入射的激光减慢速度。2001年，他们更是可以让光脉冲静止不动，直到脉冲被人为释放为止。但是上述减慢光速的技术要求极高的真空和极低的温度(-273.15C°)，这需要非常复杂而昂贵的大型设备，限制了该项技术的应用。
光子晶体减慢光速利用了完全不同的物理原理，从能带理论角度分析，某一频率的光子在介质中的传播速度完全由介质的色散函数决定，通过周期性改变介质的介电性能，即光子晶体能带工程，就可以构建这样的人工材料，使得特定频率的光子在该材料中的传播速度远小于光速。经过近二十年的研究，人们已经认识到光子晶体是光集成的最佳实现途径，目前人们已经突破了光子晶体激光器、光子晶体波导、光子晶体滤波器等器件，但是对于在集成芯片中的另一类核心器件-减慢光速器件或相移器的研究仍处于刚起步状态。另外，半导体二维光子晶体的工艺，可以完全采用和借鉴半导体微电子器件的制作工艺，因此具有批量生产的发展空间，促进了该项技术的发展。由于上述应用前景和技术优势，光子晶体减慢光速效应及其测量方法是国际上刚刚兴起的研究热点之一。如文献1：“M.Notomi，K.Yamada，A.Shinya，J.Takahashi，C.Takahashi，and I.Yokohama，Phys.Rev.Lett.87，253902(2001).”中公开的技术，日本NTT公司基础研究实验室的M.Notomi等人首次在常温常压下观测到二维光子晶体平板线缺陷波导中光速减慢的现象。他们在制作的不同的硅基光子晶体直波导上，观测到带边高对称点处的导波模式的群速度降低到空气中的光速的1/5至1/90。2004年，他们又在制作的SOI光子晶体波导中测量到群速度为空气中光速1/50的导波模，其波长正是处于光通信的波长范围内，如文献2：“M.Notomi，A.Shinya，S.Mitsugi，E.Kuramochi，and H.-Y.Ryu，Opt.Express 12，1551(2004).”中公开的技术。。
慢光效应的观测方案有三种，即频率域测量、时间域测量和实空间观测。到目前为止，最好的光速减慢效应的结果是使得光子在光子晶体中传播的速度是光子在真空中的光速的千分之一，就是这样缓慢移动的光子的传播速度也是每秒几百公里，如果希望捕捉这样的光子的传播特性，必须借助世界目前最尖端的探测系统，如响应率小于0.1ps的条纹相机等，这些设备是我们国内紧缺，而且国际上对我国禁运的，致使该方面的研究一直受到很大的约束，就是在西方科技发达国家中，拥有如此高尖端科研仪器的研究室也是屈指可数的。
因此，就需要有新的光子晶体减慢光速效应的测量方法及测量装置，能够降低成本、实施简便，适合我们的国情，使得我国在光子晶体减慢光速方面的技术能够具有与国际水平竞争的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实施简便、成本低的光子晶体减慢光速效应的测量方法及测量装置。
为达上述目的本发明采取的技术方案如下：
一种光子晶体减慢光速效应的测量方法，包括如下步骤：
1)在半导体芯片上依次放置一二维半导体光子晶体激光器和一二维半导体光子晶体波导，在这里的二维半导体光子晶体波导的区域与二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，满足激光与波导耦合的要求。
2)对所述半导体光子晶体激光器进行泵浦，产生边发射激光，边发射激光与光子晶体波导耦合，实现二维半导体光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出；
3)该激光腔中产生空间烧孔效应，出射多模振荡激光；
4)用光纤将出射激光耦合入光栅光谱仪；
5)通过分析光谱特征，测得光速减慢信息。
在上述技术方案中，步骤2)中所述的二维半导体光子晶体激光器是光泵浦或是电注入泵浦。
在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型平板上实现，或在比平板材料折射率低的材料所覆盖的平板上实现，或者是在半导体覆盖型平板上实现。
在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型薄板上实现，或在比薄板材料折射率低的材料所覆盖的薄板上实现，或者是在半导体覆盖型薄板上实现。
在上述技术方案中，所述的二维光子晶体激光器发出的激光是侧向输出。
在上述技术方案中，所述的激光输出发出的激光，波长范围在0.4微米～1.6微米范围内。
在上述技术方案中，所述的半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP材料或GaSb/InGaSb。
在上述技术方案中，所述步骤1)中改变波导的长度，使得对于Vg＝0的导波模形成的共振腔的腔长变短，减少共振的模式。
一种光子晶体减慢光速效应的测量装置，包括：
一二维半导体光子晶体激光器；
一用于泵浦所述二维半导体光子晶体激光器的泵浦源；
一二维半导体光子晶体波导与所述二维半导体光子晶体激光器依次设置在半导体芯片上，所述二维半导体光子晶体波导的区域与所述二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，满足激光与波导耦合的要求；
一光纤连接于所述二维半导体光子晶体波导与一光栅光谱仪之间。
在上述技术方案中，所述泵浦源是光泵浦源或者是电注入泵浦源。
在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型薄板上实现，或在比薄板材料折射率低的材料所覆盖的薄板上实现，或者是在半导体覆盖型薄板上实现。
在上述技术方案中，所述的二维光子晶体激光器发出的激光是侧向输出。
在上述技术方案中，所述的激光在二维光子晶体波导中的振荡类似于FP腔的振荡，通过分析光栅光谱仪测量出的频率域的性质，就可得到光子晶体慢波效应的特性。
在上述技术方案中，所述的激光在二维光子晶体波导中产生振荡，其中通过改变波导的长度，可以使得对于Vg＝0的导波模形成的共振腔的腔长变短，从而减少共振的模式。
本发明中，利用微腔中光子的多模振荡，用有源物质作为光子晶体的基板，通过有源物质中光增益的烧孔效应，将对光速的时间域测量转换到频率域，只需要使用现有的光谱观测系统就能实现对减慢光速的观测。
与现有技术相比，本发明的优越性在于：
本发明所述光子晶体减慢光速的测量方法将时间域测量转到频率域，不受高精尖科学仪器的限制，实施简便，成本低。
附图说明
图1表示二维光子晶体波导的场分布示意图；
图2表示了二维光子晶体的波导结构；
图3表示二维光子晶体波导中群速度为零的导波模在波导中形成的共振谱；
图4(a)表示腔长为26×a的二维光子晶体波导结构，图4(b)表示其共振谱；
图5(a)表示腔长为18×a的二维光子晶体波导结构，图5(b)表示其共振谱；
图6(a)表示腔长为12×a的二维光子晶体波导结构，图6(b)表示其共振谱；
图7表示腔长为12×a的二维光子晶体波导形成的场分布。
其中a为晶格的周期。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参照附图1所示，图中展示了一无渐变的二维光子晶体波导的群速度为零的场分布，图中的二维光子晶体是由三角晶格空气孔组成的。其中的有效折射率n＝2.79，周期a＝440nm，孔的半径r＝140nm，r/a＝0.32。选择入射波长为1.58μm，此时的入射波长对应于能带图中群速度为零的导波模。从图1的光子晶体波导中场分布可以看出在群速的为零和接近零的导波模式会限制在波导中不能传播，从而被反射。
参照附图2，图中显示了无渐变的二维光子晶体波导的结构，其中光子晶体为空气孔的结构，有效折射率n＝2.79，周期a＝440nm，孔的半径r＝140nm。
参照附图3，图中显示图2的无渐变结构的二维光子晶体波导的在群速度为零的导波模形成的振荡模式。从图中可以看出，当入射源为Impulse时，经过傅立叶变换后在带边处形成共振峰。
参照附图4、附图5、附图6，因为通过减小光子晶体波导的腔长可以减少腔振荡的模式。从图中可以看到腔长分别为26×a、18×a、12×a，腔长的减小使得腔的振荡模式减少了。参照附图7，显示了当腔长减少到12×a，振荡模式减少到只有一个共振模时的场分布。
实施例1
按照图2在InP材料上实现可以产生慢波效应的二维光子晶体波导。各部分参数选用如下：
采用材料为：InP四元系半导体材料，有效折射率为2.79。
二维光子晶体波导结构为：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，结构的周期为440nm，小孔的半径为140nm。参照图2，二维光子晶体波导的总长度为34个周期。
光纤可采用多模光纤，芯径为100μm，通过980nm的光来泵浦由InP材料的量子阱制成的光子晶体激光器，光谱仪采用的是光栅光谱仪器，产品型号是ADANTEST Q8384 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER。
参照本实施例的参数设计，经过模拟计算可以得出二维光子晶体波导的振荡谱，如图3所示，从图中可以看出，光子晶体的振荡谱产生了振荡。所以通过试验对二维光子晶体的频率谱进行分析，从光子晶体的频率谱中得出光子晶体中慢波效应的信息，通过公式vg＝c/ng以及ng＝λ2/(2lcΔλ)，可以求出减慢后的光速约为0.051×C，C为真空中光速。
实施例2
按照图4(a)和图5(a)在InP材料上实现产生慢波效应的光子晶体波导。各部分的参数选用如下：
材料为：InP四元系半导体材料，有效折射率为2.79。
二维光子晶体波导结构为：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，结构的周期为a＝440nm，孔的半径r＝140nm。参照图4(a)、图5(a)的结构，选用的二维光子晶体波导的长度分别为26个周期、18个周期。
光纤可采用多模光纤，芯径为100μm，通过980nm的光来泵浦由InP材料的量子阱制成的光子晶体激光器，光谱仪采用的是光栅光谱仪器，产品型号是ADANTEST Q8384 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER。
参照本实施例的参数设计，可以计算得出光子晶体的振荡谱，如图4(b)、图5(b)所示。比较两者的振荡谱可以看出，当减小光子晶体波导的长度的时候，其振荡谱的振荡峰也是减少的。对于图4结构的光波的速度约为0.05×C，图5结构的光波的速度约为0.053×C。
实施例3
按照图6在InP材料上实现可以产生慢波效应的二维光子晶体波导。各部分参数选用如下：
材料为：InP四元系半导体材料，有效折射率为2.79。
二维光子晶体波导结构为：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，结构的周期为a＝440nm，孔的半径r＝140nm。参照图6(a)，二维光子晶体波导的总长度为12个周期。
光纤可采用多模光纤，芯径为100μm，通过980nm的光来泵浦由InP材料的量子阱制成的光子晶体激光器，光谱仪采用的是光栅光谱仪器，产品型号是ADANTEST Q8384 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER。
参照本实施例的参数设计，经过模拟计算可以得出二维光子晶体波导的振荡谱，如图6(b)所示，从图中可以看出，光子晶体的振荡谱仅仅产生了一个振荡，经过模拟从图7中可以看出其振荡的场分布。所以就很容易的通过试验对二维光子晶体的频率谱进行分析，从光子晶体的频率谱中得出光子晶体中慢波效应的信息，通过公式可以求出光波的速度大约为0.06×C。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种光子晶体减慢光速效应的测量方法，包括如下步骤：
1)在半导体芯片上依次放置一二维半导体光子晶体激光器和一二维半导体光子晶体波导，所述二维半导体光子晶体波导的区域与二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，使激光与波导耦合；
2)对所述半导体光子晶体激光器进行泵浦，产生边发射激光，边发射激光与光子晶体波导耦合，实现二维半导体光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出；
3)激光腔中产生空间烧孔效应，出射多模振荡激光；
4)通过光纤将出射激光耦合入光栅光谱仪；
5)通过分析光谱特征，测得光速减慢信息。
2、根据权利要求1所述光子晶体减慢光速效应的测量方法，其特征在于，所述步骤2)中所述的二维半导体光子晶体激光器是光泵浦或是电注入泵浦。
3、根据权利要求1所述光子晶体减慢光速效应的测量方法，其特征在于，所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型的平板上实现，或在比所述空气桥类型的平板材料折射率低的材料所覆盖的平板上实现，或者是在半导体覆盖型的平板上实现。
4、根据权利要求1所述光子晶体减慢光速效应的测量方法，其特征在于，所述的二维光子晶体激光器发出的激光是侧向输出。
5、根据权利要求1所述光子晶体减慢光速效应的测量方法，其特征在于，所述的激光输出发出的激光波长范围在0.4微米～2000微米。
6、根据权利要求1所述光子晶体减慢光速效应的测量方法，其特征在于，所述的半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP或GaSb/InGaSb材料。
7、一种光子晶体减慢光速效应的测量装置，包括：
一二维半导体光子晶体激光器；
一用于泵浦所述二维半导体光子晶体激光器的泵浦源；
一二维半导体光子晶体波导与所述二维半导体光子晶体激光器依次设置在半导体芯片上，所述二维半导体光子晶体波导的区域与所述二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，使激光与波导耦合；
一光纤连接于所述二维半导体光子晶体波导与一光栅光谱仪之间。
8、根据权利要求7所述光子晶体减慢光速效应的测量装置，其特征在于，所述泵浦源是光泵浦源或者是电注入泵浦源。
9、根据权利要求7所述光子晶体减慢光速效应的测量装置，其特征在于，所述的二维光子晶体激光器发出的激光是侧向输出。
10、根据权利要求7所述光子晶体减慢光速效应的测量装置，其特征在于，所述的激光在二维光子晶体波导中产生振荡，其中通过改变波导的长度，使对于Vg＝0的导波模形成的共振腔的腔长变短，减少共振的模式。
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