光子晶體發(fā)展

1、一、光子晶體簡介一、光子晶體簡介二、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，可以被放置年以來，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，這保證了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度番的速度增長，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？光子時(shí)代的到來？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、光子晶體簡介一、光子晶體簡介二 光子晶體中自發(fā)輻射簡介光子晶體中自發(fā)輻射簡介 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(chǎng)相互作用的結(jié)果,也就是說它本質(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相比位于同序排列的周期可與光的波長相比位于同一量級(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）能量傳輸基本無損失，也不會(huì)出現(xiàn)（二）能量傳輸基本無損失，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)換只需簡單的變化外三維光子晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換只需簡單的變化外加磁場(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(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

15、的光形成光子能隙，光波利用包層對(duì)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)無截止單模無截止單模( 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 來來 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“未來的半導(dǎo)體未來的半導(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，在這些多基本應(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)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