光子晶体在非线性光学器件中的专利技术综述

李培培 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心

光子晶体是一种能够有效控制和操纵光波的产生和传播的人工或天然材料，其折射率或介电常数周期分布具有能隙[1]。光子带隙有不完全光子带隙和完全光子带隙两种，完全光子带隙只有在三维光子晶体中才能出现。光子晶体主要应用器件包括光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体发光二极管、探测器、光子晶体非线性光学器件和光子晶体激光器。其中，光子晶体的负折射效应与二次谐波等非线性效应能够使光子晶体材料在光波导、光电集成、光传输等方面发挥着重要的作用，可用来成像和做透镜，以及光子晶体光开关。

一、专利技术应用

非线性光子晶体是对非线性介电材料在空间范围内进行周期性调制而得到的光子晶体。非线性光子晶体的应用主要为光子开关、光束分束与合束、波长转换器等器件。

随着准相位匹配技术以及光学超晶格的制备技术的不断发展及成熟，专利申请中的光学超晶格结构主要分为两种，一种为周期性排列的打孔的格点结构，另一种为将晶体设计成周期性反转的铁电畴结构。

2004 年，中国科学院物理研究所申请的 CN1512637A 中公开了一种多波倍频的准相位匹配光子晶体，该多波倍频的准相位匹配光子晶体，为铁电晶体材料，其超晶格格点为高压极化工艺制成的极化反转柱子，超晶格形状为三角形，光子晶体包括三对平行的面，可同时对三束不同波长的光波进行倍频；改变极化反转柱子的半径，可以调节晶体三个方向输出的二次谐波强度；使用适当极化反转柱子半径的光子晶体，可以实现白光的合成。

光学超晶格结构的另一种主要结构为将晶体设计成周期性反转的铁电畴结构。2011年，南京大学的申请 CN102147293A 中公开了一种基于偏振无关频率上转换的单光子探测器，参见图 25，设有四部分周期迭合而成的周期极化的铌酸锂晶体，外部直流电源加到样品的第二部分与第三部分的 y 面上实现电光系数的周期性调制，从而使对应光波的偏振方向发生旋转。铁电畴结构的光学超晶格在器件中的应用已经从单一的二阶非线性效应发展到与电光效应级联的非线性效应，外加直流电场可以对非线性频率转换后的光波的振幅大小和偏振方向都进行调节。

近年来随着 THz 波的研究进展，周期极化晶体在专利申请中大多用作 THz 波产生器。2007 年，WO2007149853A1 中公开了一种THz 辐射产生装置，通过使用正方形格子的电解质点、二维或三维周期极化光子晶体，利用差频效应产生THz 辐射，提高了THz 辐射产生效率。

在光开关方面，利用光子晶体来实现光开关的思想最早由Scalora 等人于1994 年提出。CN1515926A 公开一种二维光子晶体，呈周期分布的微腔且由晶格常数确定微腔间距的二维平面薄膜构成，改变泵浦光信号强度使光子带隙移动从而实现对探测光信号的开关作用。CN103823276 A 公开基于一维光子晶体结构的液晶光开关，包括输入光波导、一维光子晶体光栅薄膜结构和输出光波导，其中一维光子晶体光栅薄膜结构用于通过调控整体一维光子晶体透射谱来调控由输入光波导引入的入射光的透射特性，进而选择入射光的透射波长，利用电场改变光子晶体中液晶材料在光传播方向的折射率张量来调节出射光的开和关的状态。

光波分割与合成方面，如GB2386205A中公开了一种光子晶体分束装置，由在相互垂直的两个方向上分别具有周期结构的薄膜二维光子晶体构成，当以 Y 轴和 Z 轴为周期性方向时，入射光在 YZ 平面内与 Z 轴成一定夹角的方式入射到光子晶体分束装置，从而将多波长的入射光进行分割，分成不同波长分布的光束。该光子晶体分束装置由薄膜的光子晶体制作，可以制作成大面积的光学元件，并可符合具有大直径的光通量，光子晶体内的吸收与散射被抑制，并且使光高度色散。

光子晶体可用于滤波器，如CN1016148 44A 公开基于二维光子晶体的超小型光分插滤波器，耦合上下端直波导中电磁场能量的由光子晶体自准直环形成谐振腔；光子晶体自准直工作频率或波长范围，应被上端波导工作区所覆盖。上端直波导和下端直波导可以由具有线缺陷的正方晶格晶体阵列组成。

光子晶体还可用于制作其他光学元件，如CN104483803A 公开采用二维光子晶体交叉波导非线性腔实现全光逻辑信号的自或变换逻辑门功能；CN105607184A 公开由 3 个周期的Fibonacci 准周期结构和2 个周期Thue-Morse 准周期结构级联构成结构简单、层数少和非常宽的全方位带隙宽度的全方位反射器；CN1670972A 公开了一种可增加自发光线射出效率的发光二极管，CN108761639A 公开由包含单层克尔非线性介质的不对称的一维光子晶体构成的光子晶体全光二极管，非线性介质两侧为周期交替的常规薄膜介质和对外加磁场敏感的磁光介质。CN1702536 A 公开介质膜层由高低折射率材料交替排列呈周期结构分布或高低折射率材料呈空气柱或介质柱型结构构成光子晶体变频装置。CN103018826A 公开了光子晶体定向耦合器。CN101995604A公开了 一种基于斜体蜂巢结构的二维光子晶体慢光波导，实现超小型全光缓存器。CN101387763A 公开了一种基于光子晶体结构的光信号延迟器件，由输入波导、微腔和输出波导构成，在微腔内传播数千至数万个周期，实现信号延迟。

二、结论

经过国内外科学家和公司科研人员的不断努力，光子晶体的理论和应用器件的设计原理已经比较完善，并且应用于多种类型的光学器件中，未来还将可能具有更多的应用领域及应用功能。目前我国光子晶体技术的专利布局主要在国内且大多数为高校申请，多停留在理论研究阶段，可以充分发挥企业的主导作用，将高校的优质科研资源与企业的市场运作机制有机结合，在实现产业化方面实现突破。