讓光子在液體線路中傳輸

作者：Francesca Intonti, Silvia Vignolini, Marcello Colocci, Diederik S. Wiersma

液體的受控微滲透是一項新穎靈活的技術(shù)，用于在二維光子晶體中寫入后處理缺陷，以產(chǎn)生永久的或可擦除的集成光子線路。

光子晶體可以作為全光器件的基底，并且能夠克服硅基集成電路所固有的在小型化方面的限制。

光子晶體系統(tǒng)的特征是可以實現(xiàn)折射率的周期性調(diào)制，例如，可以通過在固體介質(zhì)上打出周期性排列的空氣孔來實現(xiàn)折射率調(diào)制。在這種規(guī)則排列的散射體陣列中傳輸?shù)墓�，會發(fā)生折射和內(nèi)反射，由于干涉效應(yīng)，將會對光的傳輸產(chǎn)生很大影響。

如果沿著某些方向的折射率梯度足夠陡，那么對于波長與光子晶體的折射率調(diào)制空間周期或晶格常數(shù)相當?shù)墓鈦碚f，干涉對于光傳輸?shù)挠绊懣梢允瞧茐男缘摹Ｒ虼斯庾泳�體可以作為“光絕緣體”，光不能在晶體內(nèi)部傳輸?shù)牟ㄩL范圍稱為光子帶隙，它與半導(dǎo)體中電子的能帶隙類似。實際上，折射率的周期調(diào)制對于光子的作用，非常類似于半導(dǎo)體中的原子晶格勢能對于電子的作用。

 
圖1. 光子線路可以通過向二維光子晶體中填充液體來獲得。不同的器件，如局部光源、彎曲波導(dǎo)、可調(diào)諧波導(dǎo)、微腔等可以集成在同一個樣品中。

繼續(xù)以固體作類比，如果用一個不同的原子來替代半導(dǎo)體晶格中的原子，將在電子帶隙中形成一個允許態(tài)。與之類似，光子晶體中的一個缺陷則可以導(dǎo)致帶隙中形成局部的光子態(tài)，其性質(zhì)取決于缺陷的形狀和幾何結(jié)構(gòu)。點缺陷和線缺陷分別起到微腔和波導(dǎo)的作用。

多種功能裝置
通過有意引入晶體缺陷，人們已經(jīng)提出了諸如集成微腔、通道選擇濾波器、光開關(guān)以及低閾值激光器等廣泛的潛在功能裝置。將這些裝置連接起來可以從本質(zhì)上實現(xiàn)集成光路。過去，要實現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)在技術(shù)上面臨著很多挑戰(zhàn)，并且僅局限于簡單的光子晶體設(shè)計花樣，例如缺少氣孔、不同大小的氣孔、和/或不同位置的氣孔，所有這些必須在光子晶體的生長階段合并為一體。

 
圖2. 同一個樣品區(qū)域的熒光信號（下圖）和反射圖像（上圖）表明：通過液體滲透在實驗上實現(xiàn)了S形波導(dǎo)。

實現(xiàn)二維光子晶體功能的另一種比較靈活的方法是用液體局部填充晶體的個別氣孔。如果填充材料的折射率與周圍母體物質(zhì)的折射率足夠接近，那么被填充的氣孔就會與一個缺失的氣孔特性相同。

通過把光子晶體浸沒在超聲浴中可以將滲入的液體很容易地移除，這為可重寫線路和可重構(gòu)集成光子線路芯片開辟出一條新道路。此外，利用聚合物合成材料還可以創(chuàng)造出永久性結(jié)構(gòu)。

人們通過利用溶液中的膠狀量子點等活性材料填充氣孔，進而產(chǎn)生局部光源。在研究人員的一項設(shè)計中，對膠狀量子點進行光泵浦產(chǎn)生的光子沿著一個波導(dǎo)（這個波導(dǎo)是通過滲透一條直線上的相鄰氣孔而形成的）通過樣品，直到到達一個Y形的交叉點（見圖1）。這里，根據(jù)滲透到下邊的分支（藍色）中的液晶的排列，光子可以在S形分支上或者在兩臂上同時傳輸。

 
圖3 一個近場光學(xué)信號（左圖）和同步采集的面形圖像（右圖）顯示了在一個優(yōu)化到1.3祄的微腔中膠狀量子點的滲透。

兩個點缺陷微腔沿著可調(diào)諧波導(dǎo)放置，只要光子的波長與它們的諧振波長相匹配，它們就能夠與在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庀囫詈稀２捎貌煌�折射率的液體可以設(shè)計出不同波長的光耦合腔，因此可以作為選擇性上傳/下載濾波器使用。

器件的實現(xiàn)
盡管通過填充二維光子晶體的個別氣孔來控制光束流動的概念很大程度上是憑直覺的，但是氣孔的寬度和間隔必須與光的波長（幾百個納米）大小相同。毫無疑問，通過實驗來驗證這個概念絕非易事，因為用來填充一個氣孔所需要的典型液體量，比高精密噴墨打印機噴射出的液滴還要小三個數(shù)量級。

研究人員在一個蜂巢結(jié)構(gòu)的周期性二維大孔硅上，通過可控微滲透實現(xiàn)了這種器件，該系統(tǒng)包括一個微滲透裝置和三個顯微鏡：一個傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡，一個共焦激光掃描顯微鏡和一個近場掃描顯微鏡。

傳統(tǒng)的顯微鏡用于監(jiān)控樣品表面上微量吸液管的靠近程度。微量吸液管的尖端寬度小于1祄，固定在一個定位系統(tǒng)上，該定位系統(tǒng)能以100nm的橫向精度對吸液管尖端進行定位。當這個尖端位于選定的氣孔上、并且彎液面與樣品接觸時，由于毛細作用力占據(jù)了滲透過程的支配地位，因此可以把溶液完全填充到氣孔中。填充液體是水和熒光染料的溶液，被填充后的氣孔可以用一個共焦激光掃描顯微鏡很容易地觀察到。

使用這種顯微鏡，既能提高空間分辨率，又能以反射和熒光兩種方式采集樣品同一個部分的圖像。反射圖像提供二維光子結(jié)構(gòu)的照片，突出氣孔的位置，而熒光圖像則顯示被滲透材料的空間分布，通過對比這兩種圖像，可以實現(xiàn)有效的微滲透檢驗。共焦激光掃描顯微鏡記錄的圖片表明，通過以S形結(jié)構(gòu)對二維光子結(jié)構(gòu)的單個氣孔進行順序滲透，成功地實現(xiàn)了一條蜿蜒曲折的波導(dǎo)（見圖2）。圖2中，上圖中光點的位置與下圖中用紅色圓圈突出顯示的氣孔位置精確對應(yīng)，這證明了液體被完全導(dǎo)入了選定的氣孔中。類似的數(shù)據(jù)由含有溶液的液晶采集，從而顯示了外部可調(diào)集成設(shè)備的可行性。

通信窗口
毫無疑問，對于以應(yīng)用為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來說，最具吸引力的應(yīng)用范圍是通信窗口。工作波長為1.3祄量級的光子晶體的特征是晶格常數(shù)約為0.5祄，處于衍射分辨率極限之下。因此，為了把微滲透方法推廣到人們更為感興趣的波長范圍，顯微鏡必須能夠分辨小于半個微米的結(jié)構(gòu)。近場掃描光學(xué)顯微鏡能夠滿足這一要求，因為它的空間分辨率不受衍射的限制，而是依賴于近場探針的尺寸。

在測量過程中，近場探針以幾個納米的恒定距離很接近地掃過樣品表面，以達到對于近場信號的靈敏度。因此光學(xué)圖像以及面形圖像是同時采集的。為了在一個在1.3祄處諧振的微腔中產(chǎn)生集成的局部LED或激光光源，在滲透實驗中腔的結(jié)構(gòu)用直徑為700nm的一個較大氣孔，取代了二維光子晶體中的七個相鄰氣孔（見圖3）。

該晶體是通過在塊狀硅樣品中以三角形對稱的樣式進行納米打孔制成的。激活介質(zhì)是硫化鉛（PbS）量子點的溶液，其特征是發(fā)射譜很寬，中心譜為1.3祄。圖3中，右圖顯示了面形圖像，腔的結(jié)構(gòu)清晰可見，并且還可以觀察孔形腔左下側(cè)的一些材料，這大概與滲透的量子點有關(guān)；左圖中與之對應(yīng)的光學(xué)圖像表明信號的分布源于腔的中心，從而證實了微滲透技術(shù)是設(shè)計適用于通信應(yīng)用的光子晶體結(jié)構(gòu)的一種有效方法。 
 
除了引入可以在一個全光線路中連接在一起的、不同類型和不同性質(zhì)的缺陷具有較強的靈活性以外，微滲透方法通過利用不同折射率的液體混合物，提供了一種用于精確調(diào)諧能量缺陷諧振頻率的后處理方法。除了集成光學(xué)以外，這種技術(shù)還可用于任何一種局部滲透應(yīng)用，例如通過局部滲入一種暴露于不同的氣體或生物種類時光學(xué)性能發(fā)生改變的液體，來制造傳感器芯片。