光子晶體在非線性光學(xué)器件中的專利技術(shù)綜述

李培培 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心

光子晶體是一種能夠有效控制和操縱光波的產(chǎn)生和傳播的人工或天然材料，其折射率或介電常數(shù)周期分布具有能隙[1]。光子帶隙有不完全光子帶隙和完全光子帶隙兩種，完全光子帶隙只有在三維光子晶體中才能出現(xiàn)。光子晶體主要應(yīng)用器件包括光子晶體波導(dǎo)、光子晶體光纖、光子晶體發(fā)光二極管、探測器、光子晶體非線性光學(xué)器件和光子晶體激光器。其中，光子晶體的負折射效應(yīng)與二次諧波等非線性效應(yīng)能夠使光子晶體材料在光波導(dǎo)、光電集成、光傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮著重要的作用，可用來成像和做透鏡，以及光子晶體光開關(guān)。

一、專利技術(shù)應(yīng)用

非線性光子晶體是對非線性介電材料在空間范圍內(nèi)進行周期性調(diào)制而得到的光子晶體。非線性光子晶體的應(yīng)用主要為光子開關(guān)、光束分束與合束、波長轉(zhuǎn)換器等器件。

隨著準相位匹配技術(shù)以及光學(xué)超晶格的制備技術(shù)的不斷發(fā)展及成熟，專利申請中的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)主要分為兩種，一種為周期性排列的打孔的格點結(jié)構(gòu)，另一種為將晶體設(shè)計成周期性反轉(zhuǎn)的鐵電疇結(jié)構(gòu)。

2004 年，中國科學(xué)院物理研究所申請的 CN1512637A 中公開了一種多波倍頻的準相位匹配光子晶體，該多波倍頻的準相位匹配光子晶體，為鐵電晶體材料，其超晶格格點為高壓極化工藝制成的極化反轉(zhuǎn)柱子，超晶格形狀為三角形，光子晶體包括三對平行的面，可同時對三束不同波長的光波進行倍頻；改變極化反轉(zhuǎn)柱子的半徑，可以調(diào)節(jié)晶體三個方向輸出的二次諧波強度；使用適當(dāng)極化反轉(zhuǎn)柱子半徑的光子晶體，可以實現(xiàn)白光的合成。

光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)的另一種主要結(jié)構(gòu)為將晶體設(shè)計成周期性反轉(zhuǎn)的鐵電疇結(jié)構(gòu)。2011年，南京大學(xué)的申請 CN102147293A 中公開了一種基于偏振無關(guān)頻率上轉(zhuǎn)換的單光子探測器，參見圖 25，設(shè)有四部分周期迭合而成的周期極化的鈮酸鋰晶體，外部直流電源加到樣品的第二部分與第三部分的 y 面上實現(xiàn)電光系數(shù)的周期性調(diào)制，從而使對應(yīng)光波的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。鐵電疇結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格在器件中的應(yīng)用已經(jīng)從單一的二階非線性效應(yīng)發(fā)展到與電光效應(yīng)級聯(lián)的非線性效應(yīng)，外加直流電場可以對非線性頻率轉(zhuǎn)換后的光波的振幅大小和偏振方向都進行調(diào)節(jié)。

近年來隨著 THz 波的研究進展，周期極化晶體在專利申請中大多用作 THz 波產(chǎn)生器。2007 年，WO2007149853A1 中公開了一種THz 輻射產(chǎn)生裝置，通過使用正方形格子的電解質(zhì)點、二維或三維周期極化光子晶體，利用差頻效應(yīng)產(chǎn)生THz 輻射，提高了THz 輻射產(chǎn)生效率。

在光開關(guān)方面，利用光子晶體來實現(xiàn)光開關(guān)的思想最早由Scalora 等人于1994 年提出。CN1515926A 公開一種二維光子晶體，呈周期分布的微腔且由晶格常數(shù)確定微腔間距的二維平面薄膜構(gòu)成，改變泵浦光信號強度使光子帶隙移動從而實現(xiàn)對探測光信號的開關(guān)作用。CN103823276 A 公開基于一維光子晶體結(jié)構(gòu)的液晶光開關(guān)，包括輸入光波導(dǎo)、一維光子晶體光柵薄膜結(jié)構(gòu)和輸出光波導(dǎo)，其中一維光子晶體光柵薄膜結(jié)構(gòu)用于通過調(diào)控整體一維光子晶體透射譜來調(diào)控由輸入光波導(dǎo)引入的入射光的透射特性，進而選擇入射光的透射波長，利用電場改變光子晶體中液晶材料在光傳播方向的折射率張量來調(diào)節(jié)出射光的開和關(guān)的狀態(tài)。

光波分割與合成方面，如GB2386205A中公開了一種光子晶體分束裝置，由在相互垂直的兩個方向上分別具有周期結(jié)構(gòu)的薄膜二維光子晶體構(gòu)成，當(dāng)以 Y 軸和 Z 軸為周期性方向時，入射光在 YZ 平面內(nèi)與 Z 軸成一定夾角的方式入射到光子晶體分束裝置，從而將多波長的入射光進行分割，分成不同波長分布的光束。該光子晶體分束裝置由薄膜的光子晶體制作，可以制作成大面積的光學(xué)元件，并可符合具有大直徑的光通量，光子晶體內(nèi)的吸收與散射被抑制，并且使光高度色散。

光子晶體可用于濾波器，如CN1016148 44A 公開基于二維光子晶體的超小型光分插濾波器，耦合上下端直波導(dǎo)中電磁場能量的由光子晶體自準直環(huán)形成諧振腔；光子晶體自準直工作頻率或波長范圍，應(yīng)被上端波導(dǎo)工作區(qū)所覆蓋。上端直波導(dǎo)和下端直波導(dǎo)可以由具有線缺陷的正方晶格晶體陣列組成。

光子晶體還可用于制作其他光學(xué)元件，如CN104483803A 公開采用二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔實現(xiàn)全光邏輯信號的自或變換邏輯門功能；CN105607184A 公開由 3 個周期的Fibonacci 準周期結(jié)構(gòu)和2 個周期Thue-Morse 準周期結(jié)構(gòu)級聯(lián)構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單、層數(shù)少和非常寬的全方位帶隙寬度的全方位反射器；CN1670972A 公開了一種可增加自發(fā)光線射出效率的發(fā)光二極管，CN108761639A 公開由包含單層克爾非線性介質(zhì)的不對稱的一維光子晶體構(gòu)成的光子晶體全光二極管，非線性介質(zhì)兩側(cè)為周期交替的常規(guī)薄膜介質(zhì)和對外加磁場敏感的磁光介質(zhì)。CN1702536 A 公開介質(zhì)膜層由高低折射率材料交替排列呈周期結(jié)構(gòu)分布或高低折射率材料呈空氣柱或介質(zhì)柱型結(jié)構(gòu)構(gòu)成光子晶體變頻裝置。CN103018826A 公開了光子晶體定向耦合器。CN101995604A公開了 一種基于斜體蜂巢結(jié)構(gòu)的二維光子晶體慢光波導(dǎo)，實現(xiàn)超小型全光緩存器。CN101387763A 公開了一種基于光子晶體結(jié)構(gòu)的光信號延遲器件，由輸入波導(dǎo)、微腔和輸出波導(dǎo)構(gòu)成，在微腔內(nèi)傳播數(shù)千至數(shù)萬個周期，實現(xiàn)信號延遲。

二、結(jié)論

經(jīng)過國內(nèi)外科學(xué)家和公司科研人員的不斷努力，光子晶體的理論和應(yīng)用器件的設(shè)計原理已經(jīng)比較完善，并且應(yīng)用于多種類型的光學(xué)器件中，未來還將可能具有更多的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用功能。目前我國光子晶體技術(shù)的專利布局主要在國內(nèi)且大多數(shù)為高校申請，多停留在理論研究階段，可以充分發(fā)揮企業(yè)的主導(dǎo)作用，將高校的優(yōu)質(zhì)科研資源與企業(yè)的市場運作機制有機結(jié)合，在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方面實現(xiàn)突破。