光子晶體在非線性光學器件中的專利技術綜述

李培培 國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心

光子晶體是一種能夠有效控制和操縱光波的產生和傳播的人工或天然材料，其折射率或介電常數周期分布具有能隙[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。光子晶體主要應用器件包括光子晶體波導、光子晶體光纖、光子晶體發光二極管、探測器、光子晶體非線性光學器件和光子晶體激光器。其中，光子晶體的負折射效應與二次諧波等非線性效應能夠使光子晶體材料在光波導、光電集成、光傳輸等方面發揮著重要的作用，可用來成像和做透鏡，以及光子晶體光開關。

一、專利技術應用

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

隨著準相位匹配技術以及光學超晶格的制備技術的不斷發展及成熟，專利申請中的光學超晶格結構主要分為兩種，一種為周期性排列的打孔的格點結構，另一種為將晶體設計成周期性反轉的鐵電疇結構。

2004 年，中國科學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；改變極化反轉柱子的半徑，可以調節晶體三個方向輸出的二次諧波強度；使用適當極化反轉柱子半徑的光子晶體，可以實現白光的合成。

光學超晶格結構的另一種主要結構為將晶體設計成周期性反轉的鐵電疇結構。2011年，南京大學的申請 CN102147293A 中公開了一種基于偏振無關頻率上轉換的單光子探測器，參見圖 25，設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 面上實現電光系數的周期性調制，從而使對應光波的偏振方向發生旋轉。鐵電疇結構的光學超晶格在器件中的應用已經從單一的二階非線性效應發展到與電光效應級聯的非線性效應，外加直流電場可以對非線性頻率轉換后的光波的振幅大小和偏振方向都進行調節。

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 波產生器。2007 年，WO2007149853A1 中公開了一種THz 輻射產生裝置，通過使用正方形格子的電解質點、二維或三維周期極化光子晶體，利用差頻效應產生THz 輻射，提高了THz 輻射產生效率。

在光開關方面，利用光子晶體來實現光開關的思想最早由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確定微腔間距的二維平面薄膜構成，改變泵浦光信號強度使光子帶隙移動從而實現對探測光信號的開關作用。CN103823276 A 公開基于一維光子晶體結構的液晶光開關，包括輸入光波導、一維光子晶體光柵薄膜結構和輸出光波導，其中一維光子晶體光柵薄膜結構用于通過調控整體一維光子晶體透射譜來調控由輸入光波導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節出射光的開和關的狀態。

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構的薄膜二維光子晶體構成，當以 Y 軸和 Z 軸為周期性方向時，入射光在 YZ 平面內與 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元件，并可符合具有大直徑的光通量，光子晶體內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，耦合上下端直波導中電磁場能量的由光子晶體自準直環形成諧振腔；光子晶體自準直工作頻率或波長范圍，應被上端波導工作區所覆蓋。上端直波導和下端直波導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元件，如CN104483803A 公開采用二維光子晶體交叉波導非線性腔實現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 準周期結構和2 個周期Thue-Morse 準周期結構級聯構成結構簡單、層數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光線射出效率的發光二極管，CN108761639A 公開由包含單層克爾非線性介質的不對稱的一維光子晶體構成的光子晶體全光二極管，非線性介質兩側為周期交替的常規薄膜介質和對外加磁場敏感的磁光介質。CN1702536 A 公開介質膜層由高低折射率材料交替排列呈周期結構分布或高低折射率材料呈空氣柱或介質柱型結構構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構的二維光子晶體慢光波導，實現超小型全光緩存器。CN101387763A 公開了一種基于光子晶體結構的光信號延遲器件，由輸入波導、微腔和輸出波導構成，在微腔內傳播數千至數萬個周期，實現信號延遲。

二、結論

經過國內外科學家和公司科研人員的不斷努力，光子晶體的理論和應用器件的設計原理已經比較完善，并且應用于多種類型的光學器件中，未來還將可能具有更多的應用領域及應用功能。目前我國光子晶體技術的專利布局主要在國內且大多數為高校申請，多停留在理論研究階段，可以充分發揮企業的主導作用，將高校的優質科研資源與企業的市場運作機制有機結合，在實現產業化方面實現突破。