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光子晶体在光电元件中的应用

导读:

低阈值激光发射器

  由光电发射材料制作的光子晶体,例如III-V 型半导体和涂上稀土元素的玻璃,也可以用来发射很纯的激光,从而可以与光通讯系统中其它组件一起很好的工作。在光子晶体晶格中引入一些或稍小或稍大于晶格中其它空气空穴的空穴就可以生成光子带隙中的缺陷模式——前面简单提到过。

  当材料可以发射很宽范围内的光(如白光也就是混合光)的时候,只有符合缺陷模式要求的波长的光波可以在该材料中自由穿梭而被扩增。在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而形成一个激光发射腔。被选择的光不断被连续反射从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集中而增强。同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收而无法继续增大。这意味着可以简单得到很窄波长范围内的激光发射器。而这个波长还可以通过使用特殊的几何学的光子晶体晶格来进行选择。

  这种激光发射器要比普通半导体二极管激光腔能够更有效的“捕获”光——因为相对于普通半导体来说,它有更少的方向让光子从中逃逸。

  由于光子晶体带隙可以作为光子捕获器,所以它们还可以有效的提高普通发光二极管的发射效率,而对于光纤的数据传输来说,更是至关紧要的。因为光纤就是要靠发光二极管(LED)来提供光源!

  此外,光电效应的效率增长,意味着显微孔隙二极管和光子晶体激光要比传统的设备具有更快速的转换速率,而这正是高速数据传输和高效利用能量的关键。实际上,这些设备的研发是光电子学领域热门的课题。

  光子晶体波导

  传统的介电波导可以支持直线传播的光,但在拐角处会损失能量。理论计算表明,光子晶体波导可以改变这种情况。光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率,最近的实验证实了理论预言。

  光子晶体超棱镜

  常规的棱镜的对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000 倍,体积只有常规的百分之一大小。如对波长为1.0微米和0.9微米的两束光,常规的棱镜几乎不能将它们分开,但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到 60度。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。

  光子晶体偏振器

  常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效,体积也比较大,不容易实现光学集成。最近,我们发现 可以用二维光子晶体来制作偏振器。这种光子晶体偏振器有传统的偏振器所没有的优点:可以在很大的频率范围工作,体积很小,很容易在Si片上集成或直接在 Si基上制成。

未来展望

  预言总是很难实现。但是,光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内,许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。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。

  而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候,与如今“视顶盒”类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。

   在五到十年的范围内,我们应该制造出第一个光子晶体“二极管”和“晶体管”;在十到十五年里,我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位; 在接下来的二十五年内,由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是,合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境;并且光子晶体 薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。

  如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲,我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而,光子晶体的未来看起来还是充满光明的。

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