東京大學教授荒川泰彥的研究小組宣布，利用具備3維（3D）構造的光子晶體（Photonic Crystal）構成的共振器成功地實現(xiàn)了激光振蕩。有關詳情已刊登在2010年12月19日的“Nature Photonics”在線版上。

　　光子晶體是一種可稱為“光學版”半導體的人工構造體。普通半導體由10nm左右的原子列以及在其中運動的電子等構成，與此不同，光子晶體則由人工方式按數(shù)百nm的間隔構成的周期性構造以及管線構成。相當于半導體的帶隙的結構，在光子晶體中被稱為“光子帶隙（Photonic Band Gap，PBG）”。

　　此前，光子晶體以二維構造光子晶體的研發(fā)為主體。此次，荒川的小組制作了3D光子晶體，并確認其可封閉激光，并可實現(xiàn)激光振蕩。

　　制作得像塑料模型

　　荒川表示，此次的3D光子晶體“制作得像一個塑料模型”。具體來說，就像普通塑料模型一樣是從名為“澆口（Runner）”的框架上切下各部件（Parts）制作而成的，此次的3D光子晶體也是在澆口中制作二維部件，然后拆下這些二維部件，經(jīng)過搭建而成。

　　與普通塑料模型不同的是，上述部件極其微小，為約10μm見方、厚150nm。該小組通過“Micro Manipulation”電子顯微鏡進行手工作業(yè)，使用了25枚部件搭建制作而成。由于這些操作要求有相當高的手藝，因此，“1天制作1個已是竭盡全力了。而且，只有研究室的特定成員能夠完成該工作”（荒川）。目前的定位誤差為50nm。

　　3D光子晶體中心附近的各部件采用不具有周期構造的缺陷共振器，而且，由InAs構成的量子點在各部件上分3層進行植入。

　　荒川的小組觀察到，當向制成的3D光子晶體照射激發(fā)用激光時，只有波長為1.2μm的光被封閉于其中。該小組透露，Q值約為4萬，半幅值為0.031nm，封閉時間為數(shù)十ps。該Q值“以3D光子晶體來說為世界最高值”（荒川）。

　　當進一步加強受激光之后，其以1.2μm的波長產(chǎn)生振蕩，并變成激光。

　　在理論上性能比2D光子晶體更高

　　2D光子晶體方面，已有Q值超過100萬事例報告。然而，2D構造中“可實現(xiàn)完全封閉的僅僅是光的TE（Transverse Electric）偏波，而TM（Transverse Magnetic）偏波只能利用全反射（來實現(xiàn)完全封閉）”（荒川）。荒川表示，由于3D光子晶體理論上可封閉所有模式的光，因此，在原理上有可能實現(xiàn)大大超過2D光子晶體的封閉性能，例如Q＝1000萬以上。

　　作為應用領域，“可能包括3維光波導等等。雖然實現(xiàn)這些目標也許尚有待時日，但如果不斷提高制作精度，通過電流激發(fā)的激光振蕩估計也有望實現(xiàn)”（荒川）。