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以光制光

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Jan 14, 2003

編輯 Agape 報導

科學家發現在由含特殊載子濃度的矽晶片所製成的光學晶體中﹐若以短脈衝雷射來照射﹐其反(折)射率會隨著雷射光強度而改變。

所謂的光學晶體﹐乃是利用磊晶或蝕刻的方式﹐在具有高折射係數的物質(通常為單晶結構的半導體﹐如矽﹑砷化鎵等) ﹐製造出折射係數較原組成物質低﹐大小﹑週期在數十至數百奈米的週期性結構(如以蝕刻製造出空隙﹐或是結合磊晶技術製造彼此交錯的層疊結構) 。由於在光學晶體中﹐其對於光的折射係數會隨著結構而有週期性的改變﹐在它的光頻譜上將出現類似於單晶固體的能帶-能隙結構。也就是說﹐若入射光的波長(頻率) 位於能隙區域中﹐將會被反射而無法通過﹔若入射光的波長(頻率) 不在能隙區域中﹐則光就可在光學晶體中傳播。

上述的光學晶體一旦製成﹐其對於光傳播的頻譜函數將是固定的。也就是說﹐具某種特殊結構的光學晶體﹐其頻譜僅涵蓋某些波長的光。如果想要針對其它波長的光來研究﹐就必須將製造新的光學晶體﹐增加了實驗效率上的不便。有鑒於此﹐有人嘗試在光學晶體所含的空隙中加入液晶﹐期望以外加電場來控制液晶分子方向(如此空隙中的折射係數會隨著改變)﹐進而達成整個光學晶體中折射係數能帶-能隙的調制。這樣的方法﹐雖然可以達成前述的目的﹐但是由於液晶分子對於外加電場的反應速率不夠快﹑且容易受環境溫度的影響﹐對於應用在光通訊系統上﹐仍不最是理想的方式。

法國的Leonard與其研究小組﹐在2002年十一月份的Physical Review B上﹐發表了能對光學晶體的折射係數達到極快調制的研究結果。他們所研究的光學晶體﹐是在矽晶片中﹐利用蝕刻製成深100um﹑半徑206﹑週期500nm的空隙陣列。其實驗是用波長800nm的鈦-藍寶石(Ti:sapphire)雷射以250千赫的頻率反復照射﹐然後以波長1.9um的光來觀察光學晶體中折射係數的改變。實驗設計的構想﹐是根據Drude model所述﹐半導體中載子濃度的改變將影響其介電函數﹐進而影響其折射率或光吸收。

Leonard等人發現光學晶體在短脈衝雷射的照射下﹐其對於某些波長的光的其反(折)射率的確有顯著的改變﹐並且改變的速率基本上能與所使用雷射同步。他們的解釋是當短脈衝雷射照射在光學晶體時﹐在其中激發了額外的電子-電洞對(electron-hole pair) ﹐這些額外的載子會分別聚集在導帶(conduction band)及價帶(valence band)的底部﹐使得光學晶體的能帶-能隙結構產生改變。他們在頻譜上也觀察到藍位移(blue shift) 的現象﹐代表能隙的變窄﹐這也證實前述了額外載子的激發。除此之外﹐Leonard等人也發現﹐光學晶體折射率的改變程度﹐會隨著脈衝雷射強度的不同而有所差異﹐這是因為所激發的額外載子濃度不同﹐造成能帶-能隙也隨著改變。

此外﹐Leonard等人發現﹐脈衝雷射所激發的額外載子濃度﹐會隨著照射區域以及光波長的不同而有所差異。根據他們的推論﹐可能的原因分別是﹕一﹑即使採用精確的磊晶及蝕刻技術﹐所製成的光學晶體仍含有缺陷(defect) ﹔二﹑雷射在光學晶體的穿透程度﹐是波長的函數﹐短波長的光穿透較深﹐可以激發較多的額外載子。前者的改進﹐有賴於實驗技術的更精確控制。至於後者﹐則不一定是缺點。若是能利用這種特性﹐以多波長的光入射在光學晶體的不同區域﹐也許可以達成在單一的光學晶體中﹐同時產生數種折射率的改變﹐作為光學多工器的應用。

Leonard等人的實驗結果﹐可說為光學晶體折射率的調制﹐提供了一個新的研究方向。至於日後是否能作為高精度主動元件(如light emitter)﹐與光纖通訊系統整合﹐還有待更多的科學家努力。

原始論文:

S. W. Leonard et al., Ultrafast band-edge tuning of a two-dimensional silicon photonic crystal via free-carrier injection, Physical Review B 66, 161102 (2002).

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Apr 07, 2004] 當光子晶體遇上不使光發散的狹縫

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