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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一、光子晶体简介一、光子晶体简介二、光子晶体中的量子理论二、光子晶体中的量子理论三、光子晶体的发展历程三、光子晶体的发展历程四、光子晶体的应用四、光子晶体的应用五、光子晶体的发展前景五、光子晶体的发展前景信息技术革命信息技术革命标志：半导体技术标志：半导体技术趋势：微型化和高度集成化趋势：微型化和高度集成化限制：纳米尺度的量子效应限制：纳米尺度的量子效应摩尔定律摩尔定律 ：自从：自从19701970年以来，可以被放置年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以到微电子芯片的电子元件数量以1818月翻一月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度番的
2、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。在同时期随之翻番，价格减半。光子时代的到来？光子时代的到来？光子光子 电子电子传播速度传播速度 108 m/s 104-105 m/s数据传播速率数据传播速率 光子远远大于电子光子远远大于电子载体带宽载体带宽1012Hz 105Hz载流子相互作用载流子相互作用 弱弱 强强一、光子晶体简介一、光子晶体简介光子晶体（光子晶体（photonic 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
3、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 一一 光子晶体的能带结构光子晶体的能带结构 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
4、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. .
5、 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. .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
6、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
7、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.Le
8、tt.1987.58:2486-2489Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062光光 子子 晶晶 体体具有不同介电常数的介质材料随空间呈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，当这种色散曲线将成带状结构，当这种空间有空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时一量级，而折射率的变化反差较大时带带与带之间有可能会出现类似于半导体禁与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的带的“光子禁带光子禁带”(pho
9、tonic band gap) (photonic band gap) 。光子晶体光子晶体-自然界中的例子自然界中的例子ButterflyOpalSeamouse 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。 光子晶体的特性光子晶体的特性晶格类型，晶格类型，光子材料的介电常数配比，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充比。高介电常数材料的填充比。点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷2 2 光子局域光子
10、局域 在光子晶体中引入杂质和缺陷时，在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传限在缺陷位置，而不能向空间传播。播。1 1 光子带隙光子带隙在一定频率范围内的光子在在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的严格禁止传播的 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。成、光通信的一种关键性基础材料。 优点：优点：（一）（一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。光子晶体波导具有优良的弯曲效应。 一般的光纤波导中，一
11、般的光纤波导中，波导拐弯时，全内反波导拐弯时，全内反射条件不再有效会射条件不再有效会漏掉部分光波能量，漏掉部分光波能量，使传输效率降低。而使传输效率降低。而光子晶体弯曲波导中，光子晶体弯曲波导中，利用不同方向缺陷模利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原则共振匹配原理。原则上只要达到模式匹配，上只要达到模式匹配，不管拐多大弯，都能不管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。达到很高的传输效率。 （二）能量传输基本无损失，也不会出现（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。延迟等影响数据传输率的现象。（三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传（三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波
12、段传输输频带，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： 对于对于非均匀非均匀介质，尤其是其介电常数介质，尤其是其介电常数是周期性变化时，有是周期性变化时，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光子晶体制备方法精密机械加工法精密机械加工法 半导体微纳米制造法半导体微纳米制造法 胶体晶体自组装法胶体晶体自组装法 反蛋白石结构法反蛋白石结构法液晶全息法等液晶全息法等困难：制备足够小的周期性结构。困难：制备足够小的周期性结
13、构。Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251半导体微纳米制造法半导体微纳米制造法由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对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于第一层均平移了1/21/2棒间距，以四层为棒间距，以四层为一个重复单元，构成面心四方结构。一个重复单元，构成面心四方结构。d d为为每一层中棒的间距，每一层中棒的间距，w w表示棒宽度，表示棒宽度，c c表示表示一个重复单元的尺寸。一个重复单元的尺寸。Layer by layer methodOzbay et al Appl.
14、 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；進一步加上磁方，柱內是有序的晶体排列；進一步加上磁场后，內部的晶体结构发生变化，由体心四场后，內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，故这种微小的运动即可
15、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。加磁场的相对強度即可达到。 磁磁场场包覆球截面的包覆球截面的SEMSEM照照片片电场电场体心立方体心立方面心立方面心立方结构可转换的三维光子晶体结构可转换的三维光子晶体反蛋白结构法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，
16、其典型结构是空气小球以面心立去，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。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。Alvaro Blanco et al Nature 405, 437440; 2000Milestone for photonic band-gap materials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
17、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、光子晶体的应用三、光子晶体的应用 -光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCF）分类分类:实心光纤实心光纤和空心光纤空心光纤 实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律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排列在石英玻璃棒棒周围的光纤周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律空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排列在石英玻璃管管周围的光纤周围的光纤 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
18、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： 折射率导光机理折射率导光机理 光子能隙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。 空芯空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：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小孔点阵结构像一面镜子，使光在许
19、多的空气小孔和石英玻璃界面多次发生反射。和石英玻璃界面多次发生反射。 光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCF）的特性）的特性 ：(1)无截止单模无截止单模( Endlessly Single Mode) (2)不同寻常的色度色散不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应优良的双折射效应 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。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。想带阻滤波器，获得优
20、良的光波滤波性能。 未未 来来 展展 望望探求光子晶体的新物理效应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设计有特定带隙结构的光子晶体制作光子晶体的新方法制作光子晶体的新方法 光子晶体在实际中的应用光子晶体在实际中的应用四、光子晶体的发展前景四、光子晶体的发展前景 光子晶体被科学界和产业界称为光子晶体被科学界和产业界称为“光半光半导体导体”或或“未来的半导体未来的半导体”。 可以预计，在五年之内，光子晶体的许可以预计，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。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在十年内，应该制造出第一个光子晶体“二极管二极管”和和“晶体管晶体管”。 在二十年内，应该制造出第一个光子晶在二十年内，应该制造出第一个光子晶体逻辑电路体逻辑电路 。 再接下来，光子晶体驱动的光子计算机再接下来，光子晶体驱动的光子计算机可能会出现可能会出现 。 由光子晶体制造的光通讯器件将会改变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。光通信技术产生重大而深远的影响。
