光子晶體簡(jiǎn)介

1、一、光子晶體簡(jiǎn)介一、光子晶體簡(jiǎn)介二、光子晶體中的量子理論二、光子晶體中的量子理論三、光子晶體的發(fā)展歷程三、光子晶體的發(fā)展歷程四、光子晶體的應(yīng)用四、光子晶體的應(yīng)用五、光子晶體的發(fā)展前景五、光子晶體的發(fā)展前景信息技術(shù)革命信息技術(shù)革命標(biāo)志：半導(dǎo)體技術(shù)標(biāo)志：半導(dǎo)體技術(shù)趨勢(shì)：微型化和高度集成化趨勢(shì)：微型化和高度集成化限制：納米尺度的量子效應(yīng)限制：納米尺度的量子效應(yīng)摩爾定律摩爾定律 ：自從：自從19701970年以來(lái)，可以被放置年以來(lái)，可以被放置到微電子芯片的電子元件數(shù)量以到微電子芯片的電子元件數(shù)量以1818月翻一月翻一番的速度增長(zhǎng)，這保證了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度番的速度增長(zhǎng)，這保證了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度在同時(shí)期隨之翻

2、番，價(jià)格減半。在同時(shí)期隨之翻番，價(jià)格減半。 光子時(shí)代的到來(lái)？光子時(shí)代的到來(lái)？光子光子 電子電子傳播速度傳播速度 108 m/s 104-105 m/s數(shù)據(jù)傳播速率數(shù)據(jù)傳播速率 光子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子光子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子載體帶寬載體帶寬 1012Hz 105Hz載流子相互作用載流子相互作用 弱弱 強(qiáng)強(qiáng)一、光子晶體簡(jiǎn)介一、光子晶體簡(jiǎn)介二 光子晶體中自發(fā)輻射簡(jiǎn)介光子晶體中自發(fā)輻射簡(jiǎn)介 當(dāng)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí),如果不受外界影響,它們會(huì)自發(fā)地回到基態(tài), 從而放出光子,我們把這樣一過(guò)程稱為自發(fā)輻射過(guò)程. 自發(fā)輻射過(guò)程并不是物質(zhì)的固有性質(zhì),而是物質(zhì)與場(chǎng)相互作用的結(jié)果,也就是說(shuō)它本質(zhì)上是電磁振蕩為零時(shí)的受激輻射,即所謂的電

3、磁真空. John 等人研究發(fā)現(xiàn)在光子晶體中,由于能隙能使某些頻率的光的傳播被禁止而形成光的局域態(tài),原子自發(fā)輻射所發(fā)出的光子就會(huì)被限制在原子周圍,而不是以光速傳播,原子與輻射場(chǎng)之間仍存在能量交換,這樣,輻射場(chǎng)對(duì)原子進(jìn)行修飾而形成光子原子束縛態(tài).現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)上已觀察到了光子晶體中自發(fā)輻射具有不同于真空中指數(shù)衰減的性質(zhì),因此,對(duì)光子晶體原子自發(fā)輻射性質(zhì)的研究,為研制新型的低噪音,高相性的激發(fā),尋找奇異的光學(xué)材料等都具有十分重要的意義.John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-206

4、2光光 子子 晶晶 體體具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料隨空間呈具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料隨空間呈周期性的變化時(shí)，在其中傳播的光波的周期性的變化時(shí)，在其中傳播的光波的色散曲線將成帶狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種色散曲線將成帶狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種空間有空間有序排列的周期可與光的波長(zhǎng)相比位于同序排列的周期可與光的波長(zhǎng)相比位于同一量級(jí)，而折射率的變化反差較大時(shí)一量級(jí)，而折射率的變化反差較大時(shí)帶帶與帶之間有可能會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁與帶之間有可能會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶的帶的“光子禁帶光子禁帶”(photonic band gap) (photonic band gap) 。光子晶體光子晶體-自然界中的例子自然界中的例子 Butte

5、rflyOpalSea mouse 在1991年，Yablonovich制作了第一塊光子晶體。他所采用的方法是在折射率為3.6的材料上用機(jī)械方法鉆出許多直徑為1mm的孔，并呈周期性分布。這種材料從此被稱為“Yablonovich”，它可阻止里面的微波從任何方向傳播出去。 光子晶體的特性光子晶體的特性晶格類型，晶格類型，光子材料的介電常數(shù)配比，光子材料的介電常數(shù)配比，高介電常數(shù)材料的填充比。高介電常數(shù)材料的填充比。點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷2 2 光子局域光子局域 在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷時(shí)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，與缺陷態(tài)頻率符合的光子會(huì)被局限在缺陷

6、位置，而不能向空間局限在缺陷位置，而不能向空間傳播。傳播。1 1 光子帶隙光子帶隙在一定頻率范圍內(nèi)的光子在在一定頻率范圍內(nèi)的光子在光子晶體內(nèi)的某些方向上是光子晶體內(nèi)的某些方向上是嚴(yán)格禁止傳播的嚴(yán)格禁止傳播的 光子晶體可控制光子的運(yùn)動(dòng)，是光電集成、光子集光子晶體可控制光子的運(yùn)動(dòng)，是光電集成、光子集成、光通信的一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。成、光通信的一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（一）（一）光子晶體波導(dǎo)具有優(yōu)良的彎曲效應(yīng)。光子晶體波導(dǎo)具有優(yōu)良的彎曲效應(yīng)。 一般的光纖波導(dǎo)中，一般的光纖波導(dǎo)中，波導(dǎo)拐彎時(shí)，全內(nèi)反波導(dǎo)拐彎時(shí)，全內(nèi)反射條件不再有效會(huì)射條件不再有效會(huì)漏掉部分光波能量，漏掉部分光波能量，使傳輸效

7、率降低。而使傳輸效率降低。而光子晶體彎曲波導(dǎo)中，光子晶體彎曲波導(dǎo)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。原則共振匹配原理。原則上只要達(dá)到模式匹配，上只要達(dá)到模式匹配，不管拐多大彎，都能不管拐多大彎，都能達(dá)到很高的傳輸效率。達(dá)到很高的傳輸效率。 （二）能量傳輸基本無(wú)損失，也不會(huì)出現(xiàn)（二）能量傳輸基本無(wú)損失，也不會(huì)出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。（三）光子晶體制成的光纖具有極寬的傳（三）光子晶體制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸輸頻帶，可全波段傳輸。二、光子晶體中的量子理論電磁波可表示為：zktieHHzktieEE00k和 分別為角頻率和波數(shù)，它

8、們與周期T和波長(zhǎng)的關(guān)系為：22kT波的傳播速度（相速）為：kT和初相位：的振幅和分別是，設(shè)HEHEHE00HEiieHHeEE00002002rrk ：代入波動(dòng)方程，即可得 0rE22rEk程為定態(tài)下的電磁波波動(dòng)方. 1r，則如果介質(zhì)為非磁性介質(zhì) 對(duì)于對(duì)于非均勻非均勻介質(zhì)，尤其是其介電常數(shù)介質(zhì)，尤其是其介電常數(shù)是周期性變化時(shí)，有是周期性變化時(shí)，有 nkrrrr和變動(dòng)介電常數(shù)平均介電常數(shù)兩個(gè)部分之和：可將相對(duì)介電常數(shù)寫(xiě)為 rEcrEcrEcrEcrEckrrrrrr2222222222222代入波動(dòng)方程，可得：則有：比較電子和光子（在晶體中）的定態(tài)波動(dòng)方程，可以看出兩式得相似之處： 能量本征值即

9、平均介電常數(shù)相當(dāng)于一個(gè)周期勢(shì)場(chǎng)；相當(dāng)于即周期變化的介電常數(shù),2222EcrVrcrr 光子晶體中的光子能帶不同于半導(dǎo)體中的電子能帶呈線性關(guān)系和系的特點(diǎn)是因此其色散關(guān)光子的能量kkcppEE光子晶體制備方法光子晶體制備方法精密機(jī)械加工法精密機(jī)械加工法 半導(dǎo)體微納米制造法半導(dǎo)體微納米制造法 膠體晶體自組裝法膠體晶體自組裝法 反蛋白石結(jié)構(gòu)法反蛋白石結(jié)構(gòu)法 液晶全息法等液晶全息法等困難：制備足夠小的周期性結(jié)構(gòu)。困難：制備足夠小的周期性結(jié)構(gòu)。Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251半導(dǎo)體微納米制造法半導(dǎo)體微納米制造法由一維等距排列的棒逐層疊加而成，層與由一維等距排列的棒逐層

10、疊加而成，層與層間棒取向是垂直的，次相鄰層的棒相對(duì)層間棒取向是垂直的，次相鄰層的棒相對(duì)于第一層均平移了于第一層均平移了1/21/2棒間距，以四層為棒間距，以四層為一個(gè)重復(fù)單元，構(gòu)成面心四方結(jié)構(gòu)。一個(gè)重復(fù)單元，構(gòu)成面心四方結(jié)構(gòu)。d d為為每一層中棒的間距，每一層中棒的間距，w w表示棒寬度，表示棒寬度，c c表示表示一個(gè)重復(fù)單元的尺寸。一個(gè)重復(fù)單元的尺寸。Layer by layer method Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.Shen Pi

11、ng et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238當(dāng)外加電場(chǎng)增大時(shí)，微球自組裝形成體心立當(dāng)外加電場(chǎng)增大時(shí)，微球自組裝形成體心立方，柱內(nèi)是有序的晶體排列；進(jìn)一步加上磁方，柱內(nèi)是有序的晶體排列；進(jìn)一步加上磁場(chǎng)后，內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由體心四場(chǎng)后，內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由體心四方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)。由于小球只需方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)。由于小球只需微小的運(yùn)動(dòng)即可以造成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，故這種微小的運(yùn)動(dòng)即可以造成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，故這種三維光子晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換只需簡(jiǎn)單的變化外三維光子晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換只需簡(jiǎn)單的變化外加磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度即可達(dá)到。加磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度即可達(dá)到。 磁場(chǎng)磁場(chǎng)包覆

12、球截面的包覆球截面的SEMSEM照照片片電場(chǎng)電場(chǎng)體心立方體心立方面心立方面心立方結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換的三維光子晶體結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換的三維光子晶體反蛋白結(jié)構(gòu)法反蛋白結(jié)構(gòu)法以膠體自組裝法生長(zhǎng)出的密堆積的膠體晶體為模板，向球形膠體顆粒的以膠體自組裝法生長(zhǎng)出的密堆積的膠體晶體為模板，向球形膠體顆粒的間隙填充高介電常數(shù)的材料，然后通過(guò)焙燒、化學(xué)腐蝕等方法將模板除間隙填充高介電常數(shù)的材料，然后通過(guò)焙燒、化學(xué)腐蝕等方法將模板除去，得到三維周期性的反蛋白石結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)是空氣小球以面心立去，得到三維周期性的反蛋白石結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)是空氣小球以面心立方的形式分布于高介電系數(shù)的介質(zhì)中。如果基底為高介電系數(shù)材料的空方的形式分布于

13、高介電系數(shù)的介質(zhì)中。如果基底為高介電系數(shù)材料的空氣孔面心立方結(jié)構(gòu)，在第八個(gè)和第九個(gè)光子能帶間將會(huì)產(chǎn)生空隙。氣孔面心立方結(jié)構(gòu)，在第八個(gè)和第九個(gè)光子能帶間將會(huì)產(chǎn)生空隙。Alvaro Blanco et al Nature 405, 437440; 2000Milestone for photonic band-gap materials三、光子晶體的應(yīng)用三、光子晶體的應(yīng)用 -光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCF）分類分類:實(shí)心光纖實(shí)心光纖和空心光纖空心光纖 實(shí)心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律實(shí)心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃排列在石英玻璃棒棒周圍的光纖周圍的光纖 空心光纖是將石

14、英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律空心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃排列在石英玻璃管管周圍的光纖周圍的光纖 根據(jù)固體物理理論，電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)可視為一個(gè)電子在周期勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，由薛定諤方程描述為 為周期的周期勢(shì)場(chǎng)是以nnTrVrVErVmT222PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類： 折射率導(dǎo)光機(jī)理折射率導(dǎo)光機(jī)理 光子能隙導(dǎo)光機(jī)理光子能隙導(dǎo)光機(jī)理這里主要講一下光子能隙導(dǎo)光機(jī)理： 在理論上,求解電磁波(光波) 在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF 的傳導(dǎo)條件,其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)光理論。 空芯空芯PCF的光子能隙傳光機(jī)理的具體解釋是：的光子能隙傳光機(jī)理的具體解釋是： 利用包層對(duì)一定波長(zhǎng)

15、的光形成光子能隙，光波利用包層對(duì)一定波長(zhǎng)的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。包層中的只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)像一面鏡子，使光在許多的空氣小孔小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)像一面鏡子，使光在許多的空氣小孔和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。 光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCF）的特性）的特性 ：(1)無(wú)截止單模無(wú)截止單模( Endlessly Single Mode) (2)不同尋常的色度色散不同尋常的色度色散 (3)極好的非線性效應(yīng)極好的非線性效應(yīng) (4)優(yōu)良的雙折射效應(yīng)優(yōu)良的雙折射效應(yīng) 此外，光子晶體還可用于制造各種性能優(yōu)此外，光子晶體

16、還可用于制造各種性能優(yōu)良的光通訊器件，如光子晶體激光器。良的光通訊器件，如光子晶體激光器。 利用光子晶體的帶隙特點(diǎn)，可以制造了出理利用光子晶體的帶隙特點(diǎn)，可以制造了出理想帶阻濾波器，獲得優(yōu)良的光波濾波性能。想帶阻濾波器，獲得優(yōu)良的光波濾波性能。 未未 來(lái)來(lái) 展展 望望探求光子晶體的新物理效應(yīng)探求光子晶體的新物理效應(yīng) 設(shè)計(jì)有特定帶隙結(jié)構(gòu)的光子晶體設(shè)計(jì)有特定帶隙結(jié)構(gòu)的光子晶體 制作光子晶體的新方法制作光子晶體的新方法 光子晶體在實(shí)際中的應(yīng)用光子晶體在實(shí)際中的應(yīng)用 四、光子晶體的發(fā)展前景四、光子晶體的發(fā)展前景 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“光半光半導(dǎo)體導(dǎo)體”或或“未來(lái)的半導(dǎo)體未來(lái)的半導(dǎo)體”。 可以預(yù)計(jì)，在五年之內(nèi)，光子晶體的許可以預(yù)計(jì)，在五年之內(nèi)，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(lái)，在這些多基本應(yīng)用將會(huì)在市場(chǎng)上體現(xiàn)出來(lái)，在這些應(yīng)用中，將會(huì)有高效光子晶體激光發(fā)射器和應(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。高亮度的