光子晶體匯報(bào)

1、光子晶體匯報(bào)v一. 引言v二. 光子晶體的應(yīng)用v三. 光子晶體制備方法v四. 光子晶體的發(fā)展前景v五. 總結(jié)一、引言一、引言l光子晶體（光子晶體（photonic crystal） E. Yablonovitch 和S.John在 1987年分別獨(dú)立地提出了光子晶體的概念, 是一種介電常數(shù)在空間呈周期性排列的光學(xué)微結(jié)構(gòu)。分為一維、二維和三維光子晶體.E.Yablonovitch. Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062S.John . Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489 光子帶隙是一個(gè)頻率區(qū)域，當(dāng)入射光的頻率落在其中時(shí)，它被全反射，不能穿過

2、光子晶體。處于具有完全帶隙（所有方向的入射都被全反射）光子晶體中的原子自發(fā)輻射被禁 物理上，光子帶隙來源于：被周期性介電結(jié)構(gòu)強(qiáng)散射的光之間的干涉l 光子局域光子局域 在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷時(shí)，與缺陷態(tài)頻率符合的光子會(huì)被局限在缺陷位置，而不能向空間傳播。l 光子帶隙光子帶隙光子能帶和電子能帶光子能帶和電子能帶2( )2V rEm( )()V rV rR22102()( )EEr EEc 電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中薛定鄂方程：R為晶格矢量單頻光在介電常數(shù)周期性變化結(jié)構(gòu)中麥克斯韋方程:11()ra周期變化的介電常數(shù)1( )( )rV r202Ec在介電常數(shù)以光波長(zhǎng)周期變化的結(jié)構(gòu)中光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似于晶體

3、中電子的運(yùn)動(dòng)。l本質(zhì)上光子是自旋為1的玻色子,是矢量上的餓電磁波,而電子是自旋為1/2的費(fèi)米子,是標(biāo)量波;另外,普通晶體的能隙一般利用光電子能譜中的吸收邊測(cè)量出來,而光子晶體的帶隙則是通過透射系數(shù)的測(cè)量確定.在帶隙里,入射電磁波將完全反射,透射系數(shù)為零.二. 光子晶體的應(yīng)用l光子晶體的禁帶特性。光子晶體的最根本特性就是具有光子禁帶，一定頻率的光不能在光子晶體中傳播，可以用來實(shí)現(xiàn)濾波器以及微波天線。 l對(duì)自發(fā)輻射的控制。如果原子的自發(fā)輻射頻率落在光子禁帶內(nèi)，這種自發(fā)輻射就會(huì)被抑制；如果在光子晶體中加入雜質(zhì)，光子禁帶中就出現(xiàn)了雜質(zhì)態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)輻射的增強(qiáng)。對(duì)自發(fā)輻射的抑止或增強(qiáng)可用于無閾值激光器

4、和高效發(fā)光二極管。 l光子晶體的缺陷態(tài)。在光子晶體中引入點(diǎn)缺陷，就相當(dāng)于制作了一個(gè)可以捕獲光的微腔，可以實(shí)現(xiàn)高Q 值的諧振腔；而引入線缺陷，就相當(dāng)于在光子晶體中引入了光的傳播通道，可以作為光波導(dǎo)和光纖。 1.在波導(dǎo)中的應(yīng)用平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光子晶體結(jié)構(gòu)+全內(nèi)反射目的：避免在垂直方向光泄漏(a)(b)(c)光子晶體光纖光子晶體光纖(a)普通光纖, (b)-(c)光子晶體光纖l利用包層對(duì)一定利用包層對(duì)一定波長(zhǎng)的光形成光子波長(zhǎng)的光形成光子能隙，光波只能在能隙，光波只能在芯層形成的缺陷中芯層形成的缺陷中存在和傳播存在和傳播。l能量傳輸基本無能量傳輸基本無損失，也不會(huì)出現(xiàn)損失，也不會(huì)出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳延遲等

5、影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。輸率的現(xiàn)象。l光子晶體制成的光子晶體制成的光纖具有極寬的傳光纖具有極寬的傳輸頻帶，可全波段輸頻帶，可全波段傳輸傳輸。光子晶體LED左邊是傳統(tǒng)的 LED結(jié)構(gòu)，可以看到它的全反射，現(xiàn)有的 LED臨界度是比較小的，相對(duì)的，光子晶體藍(lán)色 LED所設(shè)計(jì)出來的 LED，由于衍射的關(guān)系，可以修正光的角度，修正后的光可以可進(jìn)入臨界角投射到外面，改善過去 LED的光會(huì)全部反射的問題。 日本松下電器第一個(gè)將光子晶體運(yùn)用導(dǎo)入藍(lán)色LED在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。光子晶體 LED的效率比一般的 LED高出 50。(a) top xie

6、w of PhC blue LED(b)Cross-section view of 2-D PhC 在光子晶體的設(shè)計(jì)上有一些重點(diǎn)，有一個(gè)指標(biāo)是周期這一部分，周期和衍射的距離有關(guān)，如果周期越小，衍射的距離就越大，縱使經(jīng)過修正后還是沒有辦法將光發(fā)射到外面去。相對(duì)的如果周期變大，衍射的距離越小，因?yàn)檫@樣的關(guān)系，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計(jì)上需要找到一個(gè)最適合的周期。 還有一個(gè)要點(diǎn)就是高度，高度跟衍射的效率有相當(dāng)緊密的相關(guān)聯(lián)性，實(shí)際上并不是所有的光都會(huì)受到衍射的影響，受到衍射影響的光都會(huì)跟衍射率產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)，所以這兩個(gè)重要指標(biāo)就是在開發(fā)光子晶體 LED時(shí)，需要計(jì)算出最適當(dāng)?shù)臄?shù)值光子晶體光子晶體LED

7、的設(shè)計(jì)重點(diǎn)的設(shè)計(jì)重點(diǎn):光子晶體LED有關(guān)文章Light extraction enhancement from nano-mprinted photonic crystal GaN-based blue light-emitting diodes Opt. Express 14, 8654-8660 (2006) Appl. Phys. Lett. 89,181109 (2007). Appl. Phys. Lett. 89,091116 (2006).三三. 光子晶體的制備方法光子晶體的制備方法1. 一維光子晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便，制備方法有真空鍍膜技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、MOCVD 、分子束外

8、延等2. 二維光子晶體主要結(jié)構(gòu)有周期性排列的介質(zhì)棒陣列和打孔的薄膜結(jié)構(gòu)。排列方式一般為四邊形和三角形點(diǎn)陣，通過調(diào)節(jié)棒或孔的直徑以及間距大小，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率與帶寬的光子禁帶。一般采用激光刻蝕、電子束刻蝕和外延生長(zhǎng)法等制造二維光子晶體(a)介質(zhì)棒陣列(b) 打孔的薄膜結(jié)構(gòu)三維光子晶體制備l精密機(jī)械加工法: Yablonovich等用打孔的方法在基體表面每一點(diǎn)沿著相差120度的方向往里打孔,在基底材料里留下了近橢球圓柱形結(jié)構(gòu)組成的面心立方光子晶體. 只能用于加工微波波段的光子晶體,對(duì)于更短波長(zhǎng)的光子晶體,顯得無能為力l半導(dǎo)體制造技術(shù)的方法:將電子束蝕刻,反應(yīng)離子束蝕刻,化學(xué)氣相淀積等技術(shù)運(yùn)用于堆積

9、式的光子晶體制造. S. Y. Lin et al.,Nature 394, 251 (1998)(1) 利用電子束,激光束等在Si基上進(jìn)行蝕刻,留出一系列彼此平行的Si棒;(2) 再用水解等方法將Si棒之間的區(qū)域用SiO2進(jìn)行填充,并進(jìn)行表面機(jī)械拋光;(3) 然后再用多晶Si沉積的方法在(2)中所得的層上鋪一層Si,以便蝕刻與(2)中Si棒向垂直的第二層Si棒(4) 重復(fù)以上步驟以制得所需的層數(shù),然后再用酸將SiO2清洗掉,即得三維周期性結(jié)構(gòu)l膠體自組織法l激光全息法 光子晶體被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界稱為光子晶體被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界稱為“光半導(dǎo)體光半導(dǎo)體”或或“未來的半導(dǎo)體未來的半導(dǎo)體”。 可以預(yù)計(jì)，光子晶體的許多基本應(yīng)用將會(huì)在市場(chǎng)上可以預(yù)計(jì)，光子晶體的許多基本應(yīng)用將會(huì)在市場(chǎng)上體現(xiàn)出來，在這些應(yīng)用中，將會(huì)有高效光子晶體激光發(fā)體現(xiàn)出來，在這些應(yīng)用中，將會(huì)有高效光子晶體激光發(fā)射器和高亮度的發(fā)光二極管。射器和高亮度的發(fā)光二極管。 在二十年內(nèi)，應(yīng)該制造出第一個(gè)光子晶體邏輯路在二十年內(nèi)，應(yīng)該制造出第一個(gè)光子晶體邏輯路