光子晶體戴歡

1、光子晶體光子晶體戴歡戴歡引言引言光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體的研究方向光子晶體的研究方向光子晶體制備方法光子晶體制備方法光子晶體應(yīng)用光子晶體應(yīng)用引言引言微電子瓶頸微電子瓶頸 更小、更快、更冷 特征尺寸達(dá)到極限 庫(kù)侖力導(dǎo)致熱效應(yīng) 能量損耗大 信息傳輸慢引言引言光子的優(yōu)勢(shì)光子的優(yōu)勢(shì) 電中性，相互作用力弱 傳輸速度更快，傳輸帶寬大(1015HZ) 抗干擾性強(qiáng) 能量損耗低光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體簡(jiǎn)介什么是光子晶體？什么是光子晶體？ 1987年，E.Yablonovitch和S.John首次分別獨(dú)立提出 人工材料，屬于超材料的一種 由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料周期性的排列構(gòu)成 具有光子帶隙(光子禁帶phot

2、onic band gap)，光子晶體也叫光子帶隙材料 天然的光子晶體結(jié)構(gòu)，如蝴蝶翅膀，蟬翼，爬行動(dòng)物的外殼等。光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體簡(jiǎn)介光子帶隙光子帶隙 類似于電子在半導(dǎo)體中受原子周期勢(shì)場(chǎng)作用而出現(xiàn)的電子禁帶一樣，具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料周期排列的尺度與對(duì)應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)結(jié)構(gòu)具有光子帶隙(photonic band gap)。頻率落在光子帶隙內(nèi)的波將無(wú)法在光子晶體內(nèi)傳播。 完全光子帶隙：在一定頻率范圍內(nèi)，無(wú)論其偏振方向及傳播方向如何，光都禁止傳播。 不完全光子帶隙：只在特定方向上具有能隙。影響光子帶隙的因素影響光子帶隙的因素 光子帶隙的大小受介質(zhì)折射率之比(refractive in

3、dex contrast, RIC)或介電常數(shù)比、填充率以及晶格結(jié)構(gòu)的影響。 一般地，全向光子帶隙要求兩種介質(zhì)的折射率比大于2。 當(dāng)折射率之比小于2時(shí)，在某些特定的傳播方向或一定的偏振方向的光也會(huì)出現(xiàn)不完全光子帶隙。光子晶體的研究方向光子晶體的研究方向 自發(fā)輻射的控制，也是John在提出光子晶體概念時(shí)的初衷。 光子晶體缺陷態(tài)的研究 新型隱身技術(shù)的設(shè)想在光子禁帶中，光不能傳播，如果讓自發(fā)輻射的光子頻率位于適當(dāng)設(shè)計(jì)的光子禁帶中，則自發(fā)輻射就會(huì)被抑制。自發(fā)輻射是引起半導(dǎo)體激光器閾值電流升高的主要原因，所以利用光子晶體可以大大降低半導(dǎo)體激光器的閾值電流，提高半導(dǎo)體激光器的效率。光子晶體缺陷態(tài)指在光子晶

4、體的周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷，打破其周期性，這樣就在禁帶中引入了導(dǎo)帶，電磁波將被局域在導(dǎo)帶(缺陷)內(nèi)傳播，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子運(yùn)動(dòng)行為的控制。點(diǎn)缺陷(孤立，不連通的缺陷結(jié)構(gòu))，能夠構(gòu)建固有頻率為點(diǎn)缺陷本征頻率的高品質(zhì)因子的諧振腔，稱為光子晶體微腔。線缺陷(一維連通的缺陷結(jié)構(gòu))，在缺陷帶中能實(shí)現(xiàn)低損耗的波導(dǎo)功能，被稱為光子晶體波導(dǎo)。光子晶體可以控制光的傳播路徑，將光子晶體做成光子晶體罩的形狀，包光子晶體可以控制光的傳播路徑，將光子晶體做成光子晶體罩的形狀，包在物體周圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的隱身。在物體周圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的隱身。需要根據(jù)物體形狀確定光子晶體罩的電磁參數(shù)需要根據(jù)物體形狀確定光子晶體罩的電磁參數(shù)技術(shù)難點(diǎn)

5、，如何實(shí)現(xiàn)完美隱身技術(shù)難點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)完美隱身光子晶體的制備方法光子晶體的制備方法 自然生長(zhǎng)法 機(jī)械制備法 光刻法 化學(xué)刻蝕法 薄膜生長(zhǎng)法 自組長(zhǎng)密堆法拉光纖法拉光纖法 將空心玻璃棒堆積在一起，再把它們拉制成光纖，已經(jīng)成為另一種制備“無(wú)限深”光子晶體的新方法。 這種方法由Tonucci等于1992年首次提出。電子束光刻法電子束光刻法(EBL) 先將襯底置于精確移動(dòng)的載物臺(tái)上，然后通過(guò)電子束對(duì)圖形進(jìn)行曝光。電子束在襯底上的聚集斑點(diǎn)一般在0.010.1m的范圍內(nèi)。通過(guò)計(jì)算機(jī)精確控制電子束的掃描速度、頻率(MHz)以及掃描范圍(一般為1cm)，使襯底圖形化。重力自組裝法重力自組裝法 先配制一定濃度的S

6、iO2膠體顆粒懸浮液，并放入光滑容器中，然后將容器平穩(wěn)地放置在可控的恒溫環(huán)境中，以避免溫度和周圍擾動(dòng)對(duì)組裝過(guò)程的影響。 控制膠體顆粒的密度，尺寸，以及沉降速度。光子晶體的應(yīng)用光子晶體的應(yīng)用 光波導(dǎo)光波導(dǎo) 光子晶體光纖光子晶體光纖光波導(dǎo)光波導(dǎo) 傳統(tǒng)介質(zhì)光波導(dǎo)導(dǎo)光機(jī)制是應(yīng)用光的內(nèi)全反射原理，對(duì)光的束縛能力弱，在光波導(dǎo)有彎曲的情況下，光的輻射損耗非常大(在只有5o彎曲的情況下，損耗就達(dá)到50%)。 光子晶體光波導(dǎo)對(duì)光傳播有較強(qiáng)的，靈活的控制能力，即使在直角初，傳導(dǎo)效率也很高。利用光子晶體光波導(dǎo)可以任意彎曲的性質(zhì)，可以大大減少集成光學(xué)器件的體積，實(shí)現(xiàn)光路芯片化。光子晶體光纖光子晶體光纖 全內(nèi)反射光纖(TIR-PCF)中心有纖芯，外層為呈周期性排列的空氣孔。 光子晶體光纖(PBG-PCF)由中心空氣導(dǎo)孔和包層空氣孔排列形成的周期性