東京大學教授荒川泰彥的研究小組宣布,利用具備3維(3D)構造的光子晶體(Photonic Crystal)構成的共振器成功地實現(xiàn)了激光振蕩。有關詳情已刊登在2010年12月19日的“Nature Photonics”在線版上。
光子晶體是一種可稱為“光學版”半導體的人工構造體。普通半導體由10nm左右的原子列以及在其中運動的電子等構成,與此不同,光子晶體則由人工方式按數(shù)百nm的間隔構成的周期性構造以及管線構成。相當于半導體的帶隙的結構,在光子晶體中被稱為“光子帶隙(Photonic Band Gap,PBG)”。
此前,光子晶體以二維構造光子晶體的研發(fā)為主體。此次,荒川的小組制作了3D光子晶體,并確認其可封閉激光,并可實現(xiàn)激光振蕩。
制作得像塑料模型
荒川表示,此次的3D光子晶體“制作得像一個塑料模型”。具體來說,就像普通塑料模型一樣是從名為“澆口(Runner)”的框架上切下各部件(Parts)制作而成的,此次的3D光子晶體也是在澆口中制作二維部件,然后拆下這些二維部件,經(jīng)過搭建而成。
與普通塑料模型不同的是,上述部件極其微小,為約10μm見方、厚150nm。該小組通過“Micro Manipulation”電子顯微鏡進行手工作業(yè),使用了25枚部件搭建制作而成。由于這些操作要求有相當高的手藝,因此,“1天制作1個已是竭盡全力了。而且,只有研究室的特定成員能夠完成該工作”(荒川)。目前的定位誤差為50nm。
3D光子晶體中心附近的各部件采用不具有周期構造的缺陷共振器,而且,由InAs構成的量子點在各部件上分3層進行植入。
荒川的小組觀察到,當向制成的3D光子晶體照射激發(fā)用激光時,只有波長為1.2μm的光被封閉于其中。該小組透露,Q值約為4萬,半幅值為0.031nm,封閉時間為數(shù)十ps。該Q值“以3D光子晶體來說為世界最高值”(荒川)。
當進一步加強受激光之后,其以1.2μm的波長產生振蕩,并變成激光。
在理論上性能比2D光子晶體更高
2D光子晶體方面,已有Q值超過100萬事例報告。然而,2D構造中“可實現(xiàn)完全封閉的僅僅是光的TE(Transverse Electric)偏波,而TM(Transverse Magnetic)偏波只能利用全反射(來實現(xiàn)完全封閉)”(荒川)。荒川表示,由于3D光子晶體理論上可封閉所有模式的光,因此,在原理上有可能實現(xiàn)大大超過2D光子晶體的封閉性能,例如Q=1000萬以上。
作為應用領域,“可能包括3維光波導等等。雖然實現(xiàn)這些目標也許尚有待時日,但如果不斷提高制作精度,通過電流激發(fā)的激光振蕩估計也有望實現(xiàn)”(荒川)。
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