让光子在液体线路中传输

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

液体的受控微渗透是一项新颖灵活的技术，用于在二维光子晶体中写入后处理缺陷，以产生永久的或可擦除的集成光子线路。

光子晶体可以作为全光器件的基底，并且能够克服硅基集成电路所固有的在小型化方面的限制。

光子晶体系统的特征是可以实现折射率的周期性调制，例如，可以通过在固体介质上打出周期性排列的空气孔来实现折射率调制。在这种规则排列的散射体阵列中传输的光，会发生折射和内反射，由于干涉效应，将会对光的传输产生很大影响。

如果沿着某些方向的折射率梯度足够陡，那么对于波长与光子晶体的折射率调制空间周期或晶格常数相当的光来说，干涉对于光传输的影响可以是破坏性的。因此光子晶体可以作为“光绝缘体”，光不能在晶体内部传输的波长范围称为光子带隙，它与半导体中电子的能带隙类似。实际上，折射率的周期调制对于光子的作用，非常类似于半导体中的原子晶格势能对于电子的作用。

 
图1. 光子线路可以通过向二维光子晶体中填充液体来获得。不同的器件，如局部光源、弯曲波导、可调谐波导、微腔等可以集成在同一个样品中。

继续以固体作类比，如果用一个不同的原子来替代半导体晶格中的原子，将在电子带隙中形成一个允许态。与之类似，光子晶体中的一个缺陷则可以导致带隙中形成局部的光子态，其性质取决于缺陷的形状和几何结构。点缺陷和线缺陷分别起到微腔和波导的作用。

多种功能装置
通过有意引入晶体缺陷，人们已经提出了诸如集成微腔、通道选择滤波器、光开关以及低阈值激光器等广泛的潜在功能装置。将这些装置连接起来可以从本质上实现集成光路。过去，要实现这样的结构在技术上面临着很多挑战，并且仅局限于简单的光子晶体设计花样，例如缺少气孔、不同大小的气孔、和/或不同位置的气孔，所有这些必须在光子晶体的生长阶段合并为一体。

 
图2. 同一个样品区域的荧光信号（下图）和反射图像（上图）表明：通过液体渗透在实验上实现了S形波导。

实现二维光子晶体功能的另一种比较灵活的方法是用液体局部填充晶体的个别气孔。如果填充材料的折射率与周围母体物质的折射率足够接近，那么被填充的气孔就会与一个缺失的气孔特性相同。

通过把光子晶体浸没在超声浴中可以将渗入的液体很容易地移除，这为可重写线路和可重构集成光子线路芯片开辟出一条新道路。此外，利用聚合物合成材料还可以创造出永久性结构。

人们通过利用溶液中的胶状量子点等活性材料填充气孔，进而产生局部光源。在研究人员的一项设计中，对胶状量子点进行光泵浦产生的光子沿着一个波导（这个波导是通过渗透一条直线上的相邻气孔而形成的）通过样品，直到到达一个Y形的交叉点（见图1）。这里，根据渗透到下边的分支（蓝色）中的液晶的排列，光子可以在S形分支上或者在两臂上同时传输。

 
图3 一个近场光学信号（左图）和同步采集的面形图像（右图）显示了在一个优化到1.3祄的微腔中胶状量子点的渗透。

两个点缺陷微腔沿着可调谐波导放置，只要光子的波长与它们的谐振波长相匹配，它们就能够与在波导中传输的光相耦合。采用不同折射率的液体可以设计出不同波长的光耦合腔，因此可以作为选择性上传/下载滤波器使用。

器件的实现
尽管通过填充二维光子晶体的个别气孔来控制光束流动的概念很大程度上是凭直觉的，但是气孔的宽度和间隔必须与光的波长（几百个纳米）大小相同。毫无疑问，通过实验来验证这个概念绝非易事，因为用来填充一个气孔所需要的典型液体量，比高精密喷墨打印机喷射出的液滴还要小三个数量级。

研究人员在一个蜂巢结构的周期性二维大孔硅上，通过可控微渗透实现了这种器件，该系统包括一个微渗透装置和三个显微镜：一个传统的光学显微镜，一个共焦激光扫描显微镜和一个近场扫描显微镜。

传统的显微镜用于监控样品表面上微量吸液管的靠近程度。微量吸液管的尖端宽度小于1祄，固定在一个定位系统上，该定位系统能以100nm的横向精度对吸液管尖端进行定位。当这个尖端位于选定的气孔上、并且弯液面与样品接触时，由于毛细作用力占据了渗透过程的支配地位，因此可以把溶液完全填充到气孔中。填充液体是水和荧光染料的溶液，被填充后的气孔可以用一个共焦激光扫描显微镜很容易地观察到。

使用这种显微镜，既能提高空间分辨率，又能以反射和荧光两种方式采集样品同一个部分的图像。反射图像提供二维光子结构的照片，突出气孔的位置，而荧光图像则显示被渗透材料的空间分布，通过对比这两种图像，可以实现有效的微渗透检验。共焦激光扫描显微镜记录的图片表明，通过以S形结构对二维光子结构的单个气孔进行顺序渗透，成功地实现了一条蜿蜒曲折的波导（见图2）。图2中，上图中光点的位置与下图中用红色圆圈突出显示的气孔位置精确对应，这证明了液体被完全导入了选定的气孔中。类似的数据由含有溶液的液晶采集，从而显示了外部可调集成设备的可行性。

通信窗口
毫无疑问，对于以应用为基础的系统来说，最具吸引力的应用范围是通信窗口。工作波长为1.3祄量级的光子晶体的特征是晶格常数约为0.5祄，处于衍射分辨率极限之下。因此，为了把微渗透方法推广到人们更为感兴趣的波长范围，显微镜必须能够分辨小于半个微米的结构。近场扫描光学显微镜能够满足这一要求，因为它的空间分辨率不受衍射的限制，而是依赖于近场探针的尺寸。

在测量过程中，近场探针以几个纳米的恒定距离很接近地扫过样品表面，以达到对于近场信号的灵敏度。因此光学图像以及面形图像是同时采集的。为了在一个在1.3祄处谐振的微腔中产生集成的局部LED或激光光源，在渗透实验中腔的结构用直径为700nm的一个较大气孔，取代了二维光子晶体中的七个相邻气孔（见图3）。

该晶体是通过在块状硅样品中以三角形对称的样式进行纳米打孔制成的。激活介质是硫化铅（PbS）量子点的溶液，其特征是发射谱很宽，中心谱为1.3祄。图3中，右图显示了面形图像，腔的结构清晰可见，并且还可以观察孔形腔左下侧的一些材料，这大概与渗透的量子点有关；左图中与之对应的光学图像表明信号的分布源于腔的中心，从而证实了微渗透技术是设计适用于通信应用的光子晶体结构的一种有效方法。 
 
除了引入可以在一个全光线路中连接在一起的、不同类型和不同性质的缺陷具有较强的灵活性以外，微渗透方法通过利用不同折射率的液体混合物，提供了一种用于精确调谐能量缺陷谐振频率的后处理方法。除了集成光学以外，这种技术还可用于任何一种局部渗透应用，例如通过局部渗入一种暴露于不同的气体或生物种类时光学性能发生改变的液体，来制造传感器芯片。