2012-10-18

研究者窺見光子晶體內部

Researchers glimpse the inside of a photonic crystal
http://phys.org/news/2012-10-glimpse-photonic-crystal.html

By Lisa Zyga, October 2, 2012

(Phys.org) -- 雖然今日的智慧手機、平板與其他小型電子裝置依賴的是電氣資料連接,不過在未來,它們可能使用光連接以便變得更快與更小。光子晶體(Photonic crystals)對此目的而言是理想的工具,因為它們能在奈米尺度上引導與曲折光線。迄今,研究者未能一窺光子晶體內部以測量光強度(light intensity)如何分佈。現在在一項新研究中,來自荷蘭 Twente 大學 MESA+ Institute 的研究團隊已開發出一種方法,能測光在量光子晶體內的強度分佈。

這項研究,那發表在最近一期的 Optics Express 上,也許導致對光子晶體的新洞見,能協助新應用的發展。

如研究者的解釋,光子晶體是具有複雜三維結構的材料,其對光的操縱類似半導體控制電子的方式。光子晶體具有週期性結構,其長度尺度近似光的波長。在自然界中可找到的光子晶體例子是寶石蛋白石(gem opal),那由微小的二氧化矽球狀物(silicate spheres)排列而成的規律陣列所組成,其排列次序如同晶格中的原子,不過長度尺度卻比光子晶體內的原子大數千倍。

此研究領域的主要目標是製造出與光交互作用的強烈成度足以達到「光子能隙(photonic band gap)」的光子晶體。光子能隙是在某一範圍內被禁止朝任何方向傳播的色光。能隙可起因於結晶體中的失序(disorder),因為失序導致局部態(localized states),那有效使光陷入籠中。此類型的控制能使研究者駕馭光束,並引領它們繞行微小的光晶片。

為了以這種方式控制光,搞清楚光子晶體內的電磁場分佈會很有幫助。到目前為止,測繪局部場的唯一光學方法是近場掃描式光學顯微術,那掃描晶體表面。然而,這種技術有幾項缺點,因為它無法探測結晶體內部,不過這裡所呈現新方法卻可以。

"我們首度證明,如何看透光子晶體內部," Twente 大學的第一作者 Thomas Denis 表示。"利用一種令人驚訝的簡單方法,我們能測繪一個光子晶體內個別場分量(field component)的絕對強度。這樣一種方法對新穎光子晶體裝置(例如電腦晶片上的快速光互連)的設計而言,應極為重要。"

為了測繪光子晶體內部不同地點的電磁場強度,研究者設置一項實驗,在其中,他們將一個光子晶體置於二面鋁鏡間。在這個共振腔內,光在二面鏡子間來回反射。因為光是一種波,只有波長與共振腔長度相符的波能夠累積。換言之,只有特定顏色能存在於腔內。

在測量晶體的共振色(resonating color),或頻率,研究者接著研究,當他們將光子晶體內,一個懸吊在尼龍繩上的 2mm 珠子降低時,頻率會有何變化。這顆珠子散射鄰近電磁波,以一種與該地點光強度成正比的方式,改變了晶體的頻率。當把珠子移動到不同地點時測量頻率偏移,研究者從而能測繪出光子晶體內部各處的電磁場強度。

"例如,在上面這張圖內(譯註:參見原站),共振腔限制光的累積成藍光," Denis 說。"把小珠置於光子晶體內時,這導致散射,那改變在腔內共振的光色。光波得要繞個小路繞過這個散射物體。因此,光共振之處的顏色改變了,那能被測量。在圖中,它從綠色到紅色的改變端視珠子的位置而定。藉由將珠子移動到腔內各處,這讓我們能透過測量所造成的色偏移,測繪出所有地點的光強度。"

研究者也解釋光子晶體內的電場有六個分量(components),而這六個分量中的每一個,可藉由選擇適當材質、形狀與方向(orientation)的珠子,僅使某個分量能影響其頻率偏移,從而個別測得各分量。

在未來,研究者也想要進行修改過的實驗,例如將珠子置於當作繩子的奈米碳管上。原子力顯微鏡能控制奈米管的位置並提供晶體內高空間解析度的場。最終,測繪光子晶體內部的能力,將會為這些裝置在未來應用中的使用,提供一種可貴的工具。

※ 相關報導:

* Method to map individual electromagnetic field components inside a photonic crystal
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-20-20-22902
T. Denis, B. Reijnders, J. H. H. Lee, P. J. M. van der Slot,
W. L. Vos, and K.-J. Boller
Optics Express, Vol. 20, Issue 20, pp. 22902-22913 (2012)
doi: 10.1364/OE.20.022902
arXiv:1207.2004 [physics.optics]
磁色微球體:新聚合物能回應外部磁場立即變色
測量奈米碳管電晶體中的聲子族群與電力消散
研究發現為何固體中的原子偏好某些結構
隨機雜訊可使訊號更清晰

新3D 光子晶體同時具光、電特性
石墨烯--矽光迴路中的超低功率光資訊處理與頻率生成
研究者製造出首個全光學奈米線交換器
以光控制光:放大訊號的光機械裝置

沒有留言: