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光子晶体激光东京大学利用3D光子晶体制造出激光

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东京大学教授荒川泰彦的研究小组宣布,利用具备3维(3D)构造的光子晶体(Photonic Crystal)构成的共振器成功地实现了激光振荡。有关详情已刊登在2010年12月19日的“Nature Photonics”在线版上。

光子晶体是一种可称为“光学版”半导体的人工构造体。普通半导体由10nm左右的原子列以及在其中运动的电子等构成,与此不同,光子晶体则由人工方式按数百nm的间隔构成的周期性构造以及管线构成。相当于半导体的带隙的结构,在光子晶体中被称为“光子带隙(PhotonicBandGap,PBG)”。

此前,光子晶体以二维构造光子晶体的研发为主体。此次,荒川的小组制作了3D光子晶体,并确认其可封闭激光,并可实现激光振荡。

制作得像塑料模型

荒川表示,此次的3D光子晶体“制作得像一个塑料模型”。具体来说,就像普通塑料模型一样是从名为“浇口(Runner)”的框架上切下各部件(Parts)制作而成的,此次的3D光子晶体也是在浇口中制作二维部件,然后拆下这些二维部件,经过搭建而成。

与普通塑料模型不同的是,上述部件极其微小,为约10μm见方、厚150nm。该小组通过“MicroManipulation”电子显微镜进行手工作业,使用了25枚部件搭建制作而成。由于这些操作要求有相当高的手艺,因此,“1天制作1个已是竭尽全力了。而且,只有研究室的特定成员能够完成该工作”(荒川)。目前的定位误差为50nm。

3D光子晶体中心附近的各部件采用不具有周期构造的缺陷共振器,而且,由InAs构成的量子点在各部件上分3层进行植入。

荒川的小组观察到,当向制成的3D光子晶体照射激发用激光时,只有波长为1.2μm的光被封闭于其中。该小组透露,Q值约为4万,半幅值为0.031nm,封闭时间为数十ps。该Q值“以3D光子晶体来说为世界最高值”(荒川)。

当进一步加强受激光之后,其以1.2μm的波长产生振荡,并变成激光。

在理论上性能比2D光子晶体更高

2D光子晶体方面,已有Q值超过100万事例报告。然而,2D构造中“可实现完全封闭的仅仅是光的TE(TransverseElectric)偏波,而TM(TransverseMagnetic)偏波只能利用全反射(来实现完全封闭)”(荒川)。荒川表示,由于3D光子晶体理论上可封闭所有模式的光,因此,在原理上有可能实现大大超过2D光子晶体的封闭性能,例如Q=1000万以上。

作为应用领域,“可能包括3维光波导等等。虽然实现这些目标也许尚有待时日,但如果不断提高制作精度,通过电流激发的激光振荡估计也有望实现”。


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