光子晶体简介讲解

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1、光子晶体的发展光子晶体的发展 与应用与应用 第六组第六组 一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的发展历程 四、光子晶体的应用 五、光子晶体的发展前景 信息技术革命 标志：半导体技术 趋势：微型化和高度集成化 限制：纳米尺度的量子效应 摩尔定律 ：自从1970年以来，可以被放置 到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一 番的速度增长，这保证了计算机运算速度 在同时期随之翻番，价格减半。 光子时代的到来？ 光子 电子 传播速度 108 m/s 104-105 m/s 数据传播速率 光子远远大于电子 载体带宽 1012Hz 105Hz 载流子相互作用 弱 强 一、光子晶体简介 光子

2、晶体（光子晶体（photonic crystalphotonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。型光学微结构材料。 从晶体结构来说，晶体内部的原子是周从晶体结构来说，晶体内部的原子是周 期性有序排列的，正是这种周期势场的存期性有序排列的，正是这种周期势场的存 在，使得运动的电子受到周期势场的布拉在，使得运动的电子受到周期势场的布拉 格散射，从而形成能带结构，带与带之间格散射，从而形成能带结构，带与带之间 可能存在带隙。可能存在带隙。 光子晶体的结构简介光子晶体的结构简介 一一 光子晶体的能带结构光子晶体的能带结构 光子

3、在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似, ,因此光因此光 子晶体中介电函数的周期性变化能产生光子能带结构子晶体中介电函数的周期性变化能产生光子能带结构. . 当电磁波在周期性排当电磁波在周期性排 列的介电材料中传播时列的介电材料中传播时, ,由于在不同介质交界面处介质对电磁波的布拉格散由于在不同介质交界面处介质对电磁波的布拉格散 射射, ,电磁波将受到调制而形成能带结构电磁波将受到调制而形成能带结构, ,并导致在带与带之间光子能隙的出现并导致在带与带之间光子能隙的出现. . 光子能隙不仅与光子能量有关光子能隙不仅与光子能量有

4、关, ,而且与光波的传播方向有关而且与光波的传播方向有关. . 光子能隙可分为光子能隙可分为 两种两种: :一种不完全能隙一种不完全能隙, ,能隙只出现在某些特定的方向上能隙只出现在某些特定的方向上; ;另一种是完全能隙另一种是完全能隙, , 即在各个方向上都有能隙存在即在各个方向上都有能隙存在. . 如果光子落在完全能隙内如果光子落在完全能隙内, ,则此频率的光在该则此频率的光在该 光子晶体中沿任何方向都不能传播光子晶体中沿任何方向都不能传播, ,这就是所谓的这就是所谓的光子禁带光子禁带. . 由于光子禁带由于光子禁带 的存在的存在, ,光子晶体可以抑制自发辐射光子晶体可以抑制自发辐射. .

5、我们知道我们知道, ,自发辐射的几率是与光子所在自发辐射的几率是与光子所在 频率的态的数目成正比频率的态的数目成正比. . 当原子被放在一个光子晶体里面当原子被放在一个光子晶体里面, ,而它自发辐射的光而它自发辐射的光 频率正好落在光子禁带中时频率正好落在光子禁带中时, ,由于该频率的光子的态的数目为零由于该频率的光子的态的数目为零, ,自发辐射也自发辐射也 就被抑制就被抑制. . 反过来反过来, ,光子晶体也可增强自发辐射光子晶体也可增强自发辐射, ,只要增加该频率光子的态的只要增加该频率光子的态的 数目便可实现数目便可实现. . 如在光子晶体中加入杂质如在光子晶体中加入杂质, ,光子禁带中

6、会出现品质因子非常高光子禁带中会出现品质因子非常高 的杂质态的杂质态, ,具有很大的态密度具有很大的态密度, ,这样便可实现自发辐射的增强这样便可实现自发辐射的增强. . 二 光子晶体中自发辐射简介 当原子处于激发态时,如果不受外界影响,它们会自发 地回到基态, 从而放出光子,我们把这样一过程称为自发 辐射过程. 自发辐射过程并不是物质的固有性质,而是物 质与场相互作用的结果,也就是说它本质上是电磁振荡为 零时的受激辐射,即所谓的电磁真空. John 等人研究发现 在光子晶体中,由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止 而形成光的局域态,原子自发辐射所发出的光子就会被限 制在原子周围,而不是以光速

7、传播,原子与辐射场之间仍 存在能量交换,这样,辐射场对原子进行修饰而形成光子 原子束缚态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发辐 射具有不同于真空中指数衰减的性质,因此,对光子晶体 原子自发辐射性质的研究,为研制新型的低噪音,高相性 的激发,寻找奇异的光学材料等都具有十分重要的意义. John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489 Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062 光 子 晶 体 具有不同介电常数的介质材料随空间呈 周期性的变化时，在其中传播的光波的 色散曲线将成带状结构，当这种空间有 序排列的周期可与

8、光的波长相比位于同 一量级，而折射率的变化反差较大时带 与带之间有可能会出现类似于半导体禁 带的“光子禁带”(photonic band gap) 。 光子晶体-自然界中的例子 ButterflyOpalSea mouse 在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体 。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械 方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。 这种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面 的微波从任何方向传播出去。 光子晶体的特性 晶格类型， 光子材料的介电常数配比， 高介电常数材料的填充比。 点缺陷 线缺陷 面缺陷 2 光子局域 在光子晶体中引

9、入杂质和缺陷时 ，与缺陷态频率符合的光子会被 局限在缺陷位置，而不能向空间 传播。 1 光子带隙 在一定频率范围内的光子在 光子晶体内的某些方向上是 严格禁止传播的 光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集 成、光通信的一种关键性基础材料。 优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。 一般的光纤波导中 ，波导拐弯时，全内 反射条件不再有效 会漏掉部分光波能量 ，使传输效率降低。 而光子晶体弯曲波导 中，利用不同方向缺 陷模共振匹配原理。 原则上只要达到模式 匹配，不管拐多大弯 ，都能达到很高的传 输效率。 （二）能量传输基本无损失，也不会出现 延迟等影响数据传输率的现象。 （三）光子晶

10、体制成的光纤具有极宽的传 输频带，可全波段传输。 二、光子晶体中的量子理论 电磁波可表示为： 分别为角频率和波数，它们与周期T 和波长的关系为： 波的传播速度（相速）为： 对于非均匀介质，尤其是其介电常数 是周期性变化时，有 比较电子和光子（在晶体中）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处： 光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带 光子晶体制备方法 精密机械加工法 半导体微纳米制造法 胶体晶体自组装法 反蛋白石结构法 液晶全息法等 困难：制备足够小的周期性结构。 Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251 半导体微纳米制造法 由一维等距排列的棒逐层叠加而成

11、，层与 层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对 于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为 一个重复单元，构成面心四方结构。d为 每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示 一个重复单元的尺寸。 Layer by layer method Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797. Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238 当外加电场增大时，微球自组装形成体心立 方，柱內是有序的晶体排列；進一步加上磁 场后，內

12、部的晶体结构发生变化，由体心四 方结构转化为面心立方结构。由于小球只需 微小的运动即可以造成结构的转换，故这种 三维光子晶体的结构转换只需简单的变化外 加磁场的相对強度即可达到。 磁场 包覆球截面的SEM照 片 电场 体心立方 面心立方 结构可转换的三维光子晶体 反蛋白结构法 以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向球形胶体颗粒的 间隙填充高介电常数的材料，然后通过焙烧、化学腐蚀等方法将模板除 去，得到三维周期性的反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立 方的形式分布于高介电系数的介质中。如果基底为高介电系数材料的空 气孔面心立方结构，在第八个和第九个光子能带间将会产生空隙。 Alv

13、aro Blanco et al Nature 405, 437440; 2000 Milestone for photonic band-gap materials 光子晶体的应用光子晶体的应用 微波天线微波天线 高效率低反射透镜高效率低反射透镜 微谐振腔微谐振腔 高效率发光二极管和低阈值激光震荡高效率发光二极管和低阈值激光震荡 宽带带阻滤波器和极窄带滤波器宽带带阻滤波器和极窄带滤波器 非线性光子器件和光子存储器非线性光子器件和光子存储器 三、光子晶体的应用 -光子晶体光纤（PCF） 分类:实心光纤和空心光纤 实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石

14、英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤 根据固体物理理论，电子在晶体中的运动可 视为一个电子在周期势场中的运动，由薛定谔方 程描述为 PCF导光机理可以分为两类： 折射率导光机理 光子能隙导光机理 这里主要讲一下光子能隙导光机理： 在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中 的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条 件,其结果就是光子能隙导光理论。 空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是： 利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波 只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。包层中的 小孔点阵结构像一面镜子，使光在许多的空气小孔 和石英玻璃界面多次发生反射。 光子晶体光纤（PCF）

15、的特性 ： (1)无截止单模( Endlessly Single Mode) (2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应 此外，光子晶体还可用于制造各种性能优 良的光通讯器件，如光子晶体激光器。 利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理 想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。 未 来 展 望 探求光子晶体的新物理效应 设计有特定带隙结构的光子晶体 制作光子晶体的新方法 光子晶体在实际中的应用 四、光子晶体的发展前景 光子晶体被科学界和产业界称为“光半导 体”或“未来的半导体”。 可以预计，在五年之内，光子晶体的许 多基本应用将会在市场上体现出来，在这些 应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和 高亮度的发光二极管。 在十年内，应该制造出第一个光子晶体“ 二极管”和“晶体管”。 在二十年内，应该制造出第一个光子晶 体逻辑电路 。 再接下来，光子晶体驱动的光子计算机 可能会出现 。 由光子晶体制造的光通讯器件将会改变 光通讯的现状，光子晶体技术的发展必将对 光通信技术产生重大而深远的影响。