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东京大学利用3D光子晶体制造出激光 |
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| http://cn.newmaker.com
12/22/2010 10:30:00 AM
日经BP社
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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（Photonic Band Gap，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“Micro Manipulation”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（Transverse Electric）偏波，而TM（Transverse Magnetic）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”（荒川）。（记者：野泽 哲生）
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