美科學家利用光子晶體讓光速變慢

2020-11-23 千家智客

    美國的研究人員日前成功地使用兩種新式二維光子晶體(photonic crystal),將光的群速度(group velocity)降低了一百多倍。這項裝置未來可望被應用於各種光學系統及器件中,其中包括高功率、低閥值的光子晶體雷射器。

    光子晶體是一種微結構系統,因其介電常數呈周期性變化而具有光子能隙(photonic band gap)。波長落在此能隙中的光子無法通過系統,因而可藉由在光子晶體內植入缺陷,形成能循特定路徑引導光傳遞的波導,也可製造能將光局限於非常小空間的微空腔。現在史丹佛大學的Halice Altug及Jelena Vuckovic更證明光子晶體陣列能產生「慢速光」。

    科學家以相速度(phase velocity)及群速度來描述波在色散介質的傳遞。相速度是指單一波長移動的速度;然而光脈衝卻是由各種波長所組成,不同波長的分量以不同的速度傳遞,因此群速度被定義成脈衝本身的移動速度。對許多應用而言,群速度低是有利的,因為它意味著光與物質間的交互作用被加強了。Altug與Vuckovic在一塊100平方微米的矽板上製作了3600個微空腔(microcavities)的陣列,空腔直徑為400nm,晶格周期為500nm。實驗結果顯示雷射脈衝在通過該陣列時,群速度將降低了超過一百倍。

    這對研究搭擋目前正在測試此陣列在磷化銦物質中所產生的雷射。Vuckovic表示,通過大量微空腔的相耦合操作,再加上光與活性介質交互作用增強的結果,其雷射輸出功率已可媲美標準的半導體雷射器,但是所需的泵浦功率閥值更低而調製速度更快。這點有助於製造未來計算機中的光學互連(interconnect),因為操作速度一旦高於20 GHz,現行的電子互連便不敷使用了。
 

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