光子晶體簡介

光子晶體簡介光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波---當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)光子晶體。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設(shè)計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。光子晶體（又稱光子禁帶材料）的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。背景微波波段的逞隙常稱為電磁帶隙（ElectromagneticBand-Gap,簡稱為EBG），光子晶體的引入為微波領(lǐng)域提供了新的研究方向。光子晶體完全依靠自身結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)帶阻濾波，且結(jié)構(gòu)比較簡單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景國外在這一方面的研究已經(jīng)取得了很多成果，而國內(nèi)的研究才剛剛起步，所以從事光子晶體的研究具有重要的意義。光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap,簡稱為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時也稱為PBG結(jié)構(gòu)。所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不光子晶體能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。這一概念最初是在光學(xué)領(lǐng)域提出的，現(xiàn)在它的研究范圍已擴展到微波與聲波波段。由于這種結(jié)構(gòu)的周期尺寸與“禁帶”的中心頻率對應(yīng)的波長可比擬，所以這種結(jié)構(gòu)在微波波段比在光波波段更容易實現(xiàn)。微波波段的逞隙常稱為電磁帶隙（ElectromagneticBand-Gap,簡稱為EBG），光子晶體的引入為微波領(lǐng)域提供了新的研究方向。光子晶體完全依靠自身結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)帶阻濾波，且結(jié)構(gòu)比較簡單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。國外在這一方面的研究已經(jīng)取得了很多成果，而國內(nèi)的研究才剛剛起步，所以從事光子晶體的研究具有重要的意義。應(yīng)用迄今為止，已有多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件被相繼提出，包括無閾值的激光器，無損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，低驅(qū)動能量的非線性開關(guān)和放大器，波長分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補償作用的光子晶體光纖，以及提高效率的發(fā)光二極管等。光子晶體的出現(xiàn)使光子晶體信息處理技術(shù)的"全光子化"和光子技術(shù)的微型化與集成化成為可能，它可能在未來導(dǎo)致信息技術(shù)的一次革命，其影響可能與當年半導(dǎo)體技術(shù)相提并論。光子晶體近期在國際上的應(yīng)用進一步深化，具體表現(xiàn)在：1,與納米技術(shù)相結(jié)合，用于制造微米級的激光，硅基激光；2，與量子點結(jié)合，使得原子和光子的相互作用影響材料的性質(zhì)，從而達到減小光速、減小吸收等作用3,光子晶體光纖應(yīng)用隨著社會的發(fā)展，顯赫一時的半導(dǎo)體器件已經(jīng)不能滿足信息技術(shù)發(fā)展的需要，必須尋找信息傳輸速率更高，效率更高的新材料。普遍認為，光子技術(shù)將續(xù)寫電子技術(shù)的輝煌，光子晶體將成為未來所依賴的新材料。光子晶體的制備光子晶體的制備有一定的難度，因為光子晶體的晶格尺度和光的波長具有相同的數(shù)量級，女口：對于光通信波段（波長1.55pm），要求光子晶體的晶格在0.5pm左右。近些年來，在人們不斷探索和試驗的過程中，出現(xiàn)了許多可行的人工制備方法，如：介質(zhì)棒堆積、精密機械鉆孔、膠體顆粒自組織生長、膠體溶液自組織長年和半導(dǎo)體工藝等。用這些方法，通過人工地控制光子晶體中介電材料之間介電常數(shù)的配比和光子晶體的微周期性結(jié)構(gòu)，可以制備出帶有各種帶隙的光子晶體。光子晶體的理論研究光子晶體的理論研究始于上世紀80年代末期。雖然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶體的概念，但直到1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在實驗上證實三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在，物理界才開始大舉投入這方面的理論研究。由于光子晶體有類似電子晶體的結(jié)構(gòu)，人們通常采用分析電子晶體的方法結(jié)構(gòu)電磁理論來分析光子晶體的特性，并取得了和試驗一致的結(jié)果。主要的方法有：平面波展開光子晶體法（planewaveexpansionmethod簡稱：PWM）、傳輸矩陣法（transfermatrixmethod簡稱：TMN）、有限差分時域法（finitedifferencetimedomain簡稱：FDTD）和散射矩陣法（scatteringmatrixmethod簡稱：SMM）等。平面波展開法是比較常用的一種方法，它的基本思想是：將電磁場以平面波的形式展開，可以將麥克斯韋議程組化成一個本征議程，求解該方程的本征值便得到傳播的光子的本征頻率。這種方法的不足之處是當光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜或處理有缺陷的體系時，可能因為計算能力的限制而不能計算或者難以準確計算。而且如果介電常數(shù)不是常數(shù)而是隨頻率變化，就沒有一個確定的本征方程形式，這種情況下根本無法求解。傳輸矩陣法是將磁場在實空間的格點位置展開，將麥克斯韋方程組化成傳輸矩陣形式，同樣變成本征值求解問題。傳輸矩陣表示一層（面）格點的場強與緊鄰的另一層（面）格點場強的關(guān)系，它假設(shè)在構(gòu)成的空間中在同一個格點層（面）上有相同的態(tài)和相同的頻率，這樣可以利用麥克斯韋方程組將場從一個位置外推到整個晶體空間。這種方法對介電常數(shù)隨頻率變化我金屬系統(tǒng)特別有效，而且由于傳輸矩陣小，矩陣元少，運算量小，同時在計算傳輸光譜時也是十分方便的。但是用該方法求解電磁場的分布較為麻煩，效率不是很高，因此對于光子晶體物理特性的理解沒有太大的幫助。有限差分時域法是電磁場數(shù)值計算的經(jīng)典方法之一。在這里將一個單位原跑劃分成許多網(wǎng)狀小格，列出網(wǎng)上每個結(jié)點的有限差分議程，利用布里淵區(qū)邊界的周斯條件同樣將麥克斯韋方程組化成矩陣形

光子晶體式的特征方程，這個矩陣是準對角化的，其中只有少量的一些非零矩陣元，計算最小但是由于有限差分時域法沒有考慮晶格的具體形狀，在遇到特殊形狀晶格的光子晶體時，很難精確求解。散射矩陣法假定光子晶體由各向同性的介質(zhì)組成，其中充滿了各種開頭和尺寸的沒有重疊的光學(xué)散射中心。通過對所有的散射中心的散射場應(yīng)用傅立葉－貝塞爾展開來求解亥姆霍茲方程，從而計算出在光子晶體中傳輸?shù)膱龇植肌?yīng)用這種方法對于求解場分布和傳輸光譜都是可行的，但是由于這種方法需要較長的運算時間，在有些情形下實際上是不可行的。實際理論分析中，還有很多其他的方法，如：有限元法、N階法等。這些方法各有優(yōu)缺點，在應(yīng)用時要根據(jù)實際場合合理地選用。在光子晶體的研究中這些分析方法是十分重要的，由于光子晶體的制備非常困難，通常是先應(yīng)用這些方法分析得出光子晶體的一些特性，再由試驗來驗證這些結(jié)論。光子晶體-未來展望預(yù)言總是很難實現(xiàn)。但是，光子晶體電路和裝置的未來看起來卻是確信無疑的。五年之內(nèi)，許多光子晶體的基本應(yīng)用將會在市場上出現(xiàn)。在這些應(yīng)用中，將會有高效光子晶體激光發(fā)射器和高亮度的發(fā)光二極管。而當每個家庭都連接到一個光纖網(wǎng)絡(luò)的時候，與如今"視頂盒"類似的解碼信號設(shè)備將使用光子晶體電路和裝置而不是笨重的光纖和硅回路。在五到十年的范圍內(nèi)，我們應(yīng)該制造出第一個光子晶體"二極管"和"晶體管"；在4.*?4.*?W光子晶體十到十五年里，我們能制造出第一個光子晶體邏輯電路并使之占有主要地位