科學家發現在由含特殊載子濃度的矽晶片所製成的光學晶體中﹐若以短脈衝雷射來照
射﹐其反(折)射率會隨著雷射光強度而改變。
所謂的光學晶體﹐乃是利用磊晶或蝕刻的方式﹐在具有高折射係數的物質(通常為
單晶結構的半導體﹐如矽﹑砷化鎵等) ﹐製造出折射係數較原組成物質低﹐大小﹑週期在
數十至數百奈米的週期性結構(如以蝕刻製造出空隙﹐或是結合磊晶技術製造彼此交錯的層疊
結構)。由於在光學晶體中﹐其對於光的折射係數會隨著結構而有週期性的改變﹐在它的光
頻譜上將出現類似於單晶固體的能帶-能隙結構。也就是說﹐若入射光的波長(頻率) 位於
能隙區域中﹐將會被反射而無法通過﹔若入射光的波長(頻率)不在能隙區域中﹐則光就可
在光學晶體中傳播。
上述的光學晶體一旦製成﹐其對於光傳播的頻譜函數將是固定的。也就是說﹐具某種
特殊結構的光學晶體﹐其頻譜僅涵蓋某些波長的光。如果想要針對其它波長的光來研究﹐
就必須將製造新的光學晶體﹐增加了實驗效率上的不便。有鑒於此﹐有人嘗試在光學晶體
所含的空隙中加入液晶﹐期望以外加電場來控制液晶分子方向(如此空隙中的折射係數會
隨著改變)﹐進而達成整個光學晶體中折射係數能帶-能隙的調制。這樣的方法﹐雖然可以
達成前述的目的﹐但是由於液晶分子對於外加電場的反應速率不夠快﹑且容易受環境溫度
的影響﹐對於應用在光通訊系統上﹐仍不最是理想的方式。
法國的Leonard與其研究小組﹐在2002年十一月份的Physical Review B上﹐發表了
能對光學晶體的折射係數達到極快調制的研究結果。他們所研究的光學晶體﹐是在矽晶片
中﹐利用蝕刻製成深100um﹑半徑206﹑週期500nm的空隙陣列。其實驗是用波長800nm的
鈦-藍寶石(Ti:sapphire)雷射以250千赫的頻率反複照射﹐然後以波長1.9um的光來觀察光
學晶體中折射係數的改變。實驗設計的構想﹐是根據Drude model所述﹐半導體中載子濃度
的改變將影響其介電函數﹐進而影響其折射率或光吸收。
Leonard等人發現光學晶體在短脈衝雷射的照射下﹐其對於某些波長的光的其反(折)射
率的確有顯著的改變﹐並且改變的速率基本上能與所使用雷射同步。他們的解釋是當短脈
衝雷射照射在光學晶體時﹐在其中激發了額外的電子-電洞對(electron-hole pair)﹐
這些額外的載子會分別聚集在導帶(conduction band)及價帶(valence band)的底部﹐使得
光學晶體的能帶-能隙結構產生改變。他們在頻譜上也觀察到藍位移(blue shift)
的現象﹐代表能隙的變窄﹐這也證實前述了額外載子的激發。除此之外﹐Leonard等人也
發現﹐光學晶體折射率的改變程度﹐會隨著脈衝雷射強度的不同而有所差異﹐這是因為所
激發的額外載子濃度不同﹐造成能帶-能隙也隨著改變。
此外﹐Leonard等人發現﹐脈衝雷射所激發的額外載子濃度﹐會隨著照射區域以及
光波長的不同而有所差異。根據他們的推論﹐可能的原因分別是﹕
一﹑即使採用精確的磊晶及蝕刻技術﹐所製成的光學晶體仍含有缺陷(defect)；
二﹑雷射在光學晶體的穿透程度﹐是波長的函數﹐短波長的光穿透較深﹐可以激發較多的
額外載子。前者的改進﹐有賴於實驗技術的更精確控制。至於後者﹐則不一定是缺點
。若是能利用這種特性﹐以多波長的光入射在光學晶體的不同區域﹐也許可以達成在
單一的光學晶體中﹐同時產生數種折射率的改變﹐作為光學多工器的應用。
Leonard等人的實驗結果﹐可說為光學晶體折射率的調制﹐提供了一個新的研究方向。
至於日後是否能作為高精度主動元件(如light emitter)﹐與光纖通訊系統整合﹐還有待
更多的科學家努力。
原始論文：
S. W. Leonard et al.,
Ultrafast band-edge tuning of a two-dimensional silicon photonic crystal
via free-carrier injection,
Physical Review B 66, 161102 (2002).
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※ 來源:‧南十字 crux.chem.nsysu.edu.tw‧[FROM: 202.159.143.208]