光子晶體發(fā)展

1、光子晶體發(fā)展第1頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一一、光子晶體簡介二、光子晶體中的量子理論三、光子晶體的發(fā)展歷程四、光子晶體的應用五、光子晶體的發(fā)展前景第2頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一信息技術革命標志：半導體技術趨勢：微型化和高度集成化限制：納米尺度的量子效應摩爾定律 ：自從1970年以來，可以被放置到微電子芯片的電子元件數(shù)量以18月翻一番的速度增長，這保證了計算機運算速度在同時期隨之翻番，價格減半。 第3頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一光子時代的到來？光子 電子傳播速度 108 m/s 104-105 m/s數(shù)據(jù)傳播速

2、率 光子遠遠大于電子載體帶寬 1012Hz 105Hz載流子相互作用 弱 強第4頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一一、光子晶體簡介光子晶體（photonic crystal） 是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學微結構材料。 從晶體結構來說，晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢場的存在，使得運動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結構，帶與帶之間可能存在帶隙。 第5頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一光子晶體的結構簡介 一 光子晶體的能帶結構 光子在光子晶體中的運動規(guī)律與電子在固體晶格的運動規(guī)律類似,因此光子晶體中介電函數(shù)的周期

3、性變化能產(chǎn)生光子能帶結構. 當電磁波在周期性排列的介電材料中傳播時,由于在不同介質(zhì)交界面處介質(zhì)對電磁波的布拉格散射,電磁波將受到調(diào)制而形成能帶結構,并導致在帶與帶之間光子能隙的出現(xiàn). 光子能隙不僅與光子能量有關,而且與光波的傳播方向有關. 光子能隙可分為兩種:一種不完全能隙,能隙只出現(xiàn)在某些特定的方向上;另一種是完全能隙,即在各個方向上都有能隙存在. 如果光子落在完全能隙內(nèi),則此頻率的光在該光子晶體中沿任何方向都不能傳播,這就是所謂的光子禁帶. 由于光子禁帶的存在,光子晶體可以抑制自發(fā)輻射.我們知道,自發(fā)輻射的幾率是與光子所在頻率的態(tài)的數(shù)目成正比. 當原子被放在一個光子晶體里面,而它自發(fā)輻射的

4、光頻率正好落在光子禁帶中時,由于該頻率的光子的態(tài)的數(shù)目為零,自發(fā)輻射也就被抑制. 反過來,光子晶體也可增強自發(fā)輻射,只要增加該頻率光子的態(tài)的數(shù)目便可實現(xiàn). 如在光子晶體中加入雜質(zhì),光子禁帶中會出現(xiàn)品質(zhì)因子非常高的雜質(zhì)態(tài),具有很大的態(tài)密度,這樣便可實現(xiàn)自發(fā)輻射的增強.第6頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一二 光子晶體中自發(fā)輻射簡介 當原子處于激發(fā)態(tài)時,如果不受外界影響,它們會自發(fā)地回到基態(tài), 從而放出光子,我們把這樣一過程稱為自發(fā)輻射過程. 自發(fā)輻射過程并不是物質(zhì)的固有性質(zhì),而是物質(zhì)與場相互作用的結果,也就是說它本質(zhì)上是電磁振蕩為零時的受激輻射,即所謂的電磁真空. John

5、 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)出的光子就會被限制在原子周圍,而不是以光速傳播,原子與輻射場之間仍存在能量交換,這樣,輻射場對原子進行修飾而形成光子原子束縛態(tài).現(xiàn)從實驗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),尋找奇異的光學材料等都具有十分重要的意義.第7頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489Yablonovitch E Phys.Rev.L

6、ett.,1987.58:2059-2062光 子 晶 體具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料隨空間呈周期性的變化時，在其中傳播的光波的色散曲線將成帶狀結構，當這種空間有序排列的周期可與光的波長相比位于同一量級，而折射率的變化反差較大時帶與帶之間有可能會出現(xiàn)類似于半導體禁帶的“光子禁帶”(photonic band gap) 。第8頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一光子晶體-自然界中的例子ButterflyOpalSea mouse第9頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一 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

7、的材料上用機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。 第10頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一光子晶體的特性晶格類型，光子材料的介電常數(shù)配比，高介電常數(shù)材料的填充比。點缺陷線缺陷面缺陷2 光子局域 在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷時，與缺陷態(tài)頻率符合的光子會被局限在缺陷位置，而不能向空間傳播。1 光子帶隙在一定頻率范圍內(nèi)的光子在光子晶體內(nèi)的某些方向上是嚴格禁止傳播的第11頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一 光子晶體可控制光子的運動，是光電集成、光子集成、光通信的一種

8、關鍵性基礎材料。 優(yōu)點：（一）光子晶體波導具有優(yōu)良的彎曲效應。 一般的光纖波導中，波導拐彎時，全內(nèi)反射條件不再有效會漏掉部分光波能量，使傳輸效率降低。而光子晶體彎曲波導中，利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原則上只要達到模式匹配，不管拐多大彎，都能達到很高的傳輸效率。 第12頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一（二）能量傳輸基本無損失，也不會出現(xiàn)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輸頻帶，可全波段傳輸。第13頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一二、光子晶體中的量子理論電磁波可表示為： 分別為角頻率和波數(shù)，它們與周期T和波長的關系

9、為：第14頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一波的傳播速度（相速）為：第15頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一 對于非均勻介質(zhì)，尤其是其介電常數(shù)是周期性變化時，有 第16頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一第17頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一比較電子和光子（在晶體中）的定態(tài)波動方程，可以看出兩式得相似之處：第18頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一 光子晶體中的光子能帶不同于半導體中的電子能帶第19頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一光子晶體制備方法精密機械加工法 半

10、導體微納米制造法 膠體晶體自組裝法 反蛋白石結構法 液晶全息法等困難：制備足夠小的周期性結構。第20頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251半導體微納米制造法由一維等距排列的棒逐層疊加而成，層與層間棒取向是垂直的，次相鄰層的棒相對于第一層均平移了1/2棒間距，以四層為一個重復單元，構成面心四方結構。d為每一層中棒的間距，w表示棒寬度，c表示一個重復單元的尺寸。Layer by layer method Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay e

11、t al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.第21頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238當外加電場增大時，微球自組裝形成體心立方，柱內(nèi)是有序的晶體排列；進一步加上磁場后，內(nèi)部的晶體結構發(fā)生變化，由體心四方結構轉(zhuǎn)化為面心立方結構。由于小球只需微小的運動即可以造成結構的轉(zhuǎn)換，故這種三維光子晶體的結構轉(zhuǎn)換只需簡單的變化外加磁場的相對強度即可達到。 磁場包覆球截面的SEM照片電場體心立方面心立方結構可轉(zhuǎn)換的三維光子晶體第22頁，共35頁，2022年，5月20日

12、，3點45分，星期一反蛋白結構法以膠體自組裝法生長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，然后通過焙燒、化學腐蝕等方法將模板除去，得到三維周期性的反蛋白石結構，其典型結構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)材料的空氣孔面心立方結構，在第八個和第九個光子能帶間將會產(chǎn)生空隙。第23頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一Alvaro Blanco et al Nature 405, 437440; 2000Milestone for photonic band-gap materials第24頁，共35頁，2022年

13、，5月20日，3點45分，星期一光子晶體的應用 微波天線 高效率低反射透鏡 微諧振腔 高效率發(fā)光二極管和低閾值激光震蕩 寬帶帶阻濾波器和極窄帶濾波器非線性光子器件和光子存儲器第25頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一三、光子晶體的應用 -光子晶體光纖（PCF）分類:實心光纖和空心光纖 實心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周圍的光纖 空心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖 第26頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一 根據(jù)固體物理理論，電子在晶體中的運動可視為一個電子在周期勢場中的運動，由薛定諤方程描述為第27頁，

14、共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一PCF導光機理可以分為兩類： 折射率導光機理 光子能隙導光機理這里主要講一下光子能隙導光機理： 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出實芯和空芯PCF 的傳導條件,其結果就是光子能隙導光理論。 第28頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一空芯PCF的光子能隙傳光機理的具體解釋是： 利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。包層中的小孔點陣結構像一面鏡子，使光在許多的空氣小孔和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。 第29頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一光子晶

15、體光纖（PCF）的特性 ：(1)無截止單模( Endlessly Single Mode) (2)不同尋常的色度色散 (3)極好的非線性效應 (4)優(yōu)良的雙折射效應 第30頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一此外，光子晶體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。 第31頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一利用光子晶體的帶隙特點，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。 第32頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一未 來 展 望探求光子晶體的新物理效應 設計有特定帶隙結構的光子晶體 制作光子晶體的新方法 光子晶體在實際中的應用 第33頁，共35頁，2022年，5月20日，3點45分，星期一四、光子晶體的發(fā)展前景 光子晶體被科學界和產(chǎn)業(yè)界稱為“光半導體”或“未來的半導體”。 可以預計，在五年之內(nèi)，光子晶體的許多基本