光子晶體發(fā)展課件

1、光子晶體的發(fā)展與應(yīng)用第六組一、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(yīng)用五、光子晶體的發(fā)展前景信息技術(shù)革命標(biāo)志：半導(dǎo)體技術(shù)趨勢：微型化和高度集成化限制：納米尺度的量子效應(yīng)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(jī)運(yùn)算速度在同時期隨之翻番，價格減半。 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)傳播速率 光子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子載體帶寬 1012Hz 105Hz載流子相互作用 弱 強(qiáng)光子晶體的結(jié)構(gòu)簡介 一 光子晶體的能帶結(jié)構(gòu) 光子在光子晶體中的運(yùn)動規(guī)律與電子在固體晶格的運(yùn)

2、動規(guī)律類似,因此光子晶體中介電函數(shù)的周期性變化能產(chǎn)生光子能帶結(jié)構(gòu). 當(dāng)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(jié)構(gòu),并導(dǎo)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(guān),而且與光波的傳播方向有關(guān). 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(dāng)原

3、子被放在一個光子晶體里面,而它自發(fā)輻射的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(qiáng)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(qiáng).二 光子晶體中自發(fā)輻射簡介 當(dāng)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(jié)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 等人研究發(fā)現(xiàn)在光子

4、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(jìn)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(xué)材料等都具有十分重要的意義.光子晶體-自然界中的例子ButterflyOpalSea 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

5、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(diǎn)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(yán)格禁止傳播的 光子晶體可控制光子的運(yùn)動，是光電集成、光子集成、光通信的一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。 優(yōu)點(diǎn)：（一）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，波導(dǎo)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(dǎo)中，

6、利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原則上只要達(dá)到模式匹配，不管拐多大彎，都能達(dá)到很高的傳輸效率。 （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。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(guān)系為： 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 光子晶體中的光子能帶不同于半導(dǎo)體中的電子能帶光子晶體制備方法精密機(jī)械加工法 半導(dǎo)體微納米制造法 膠體晶體自組裝法 反蛋白石結(jié)構(gòu)法 液晶全息法等困難：制備足夠小的周期性結(jié)構(gòu)。Lin S Y et al Nature 1998, 394, 2

7、51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(fù)單元，構(gòu)成面心四方結(jié)構(gòu)。d為每一層中棒的間距，w表示棒寬度，c表示一個重復(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 Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238當(dāng)外加電場增大時，微球自組裝形成體心立方，柱內(nèi)是有序

8、的晶體排列；進(jìn)一步加上磁場后，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)。由于小球只需微小的運(yùn)動即可以造成結(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加磁場的相對強(qiáng)度即可達(dá)到。 磁場包覆球截面的SEM照片電場體心立方面心立方結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換的三維光子晶體反蛋白結(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(jié)構(gòu)，在第八個和第九個光子能帶間將會產(chǎn)生空隙。Alva

9、ro Blanco et al Nature 405, 437440; 2000Milestone for photonic band-gap materials三、光子晶體的應(yīng)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(xì)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(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖 根據(jù)固體物理理論，電子在晶體中的運(yùn)動可視為一個電子在周期勢場中的運(yùn)動，由薛定諤方程描述為空芯PCF的光子能隙傳光機(jī)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)像一面鏡

10、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。 光子晶體光纖（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(yīng) (4)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)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)，可以制造了出理想帶阻濾波器，獲得優(yōu)良的光波濾波性能。 未 來 展 望探求光子晶體的新物理效應(yīng) 設(shè)計有特定帶隙結(jié)構(gòu)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(yīng)用 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“光半導(dǎo)體”或“未來的半導(dǎo)體”。 可以預(yù)計，在五年之內(nèi)，光子晶體的許多基本應(yīng)用將會在市場上體現(xiàn)出來，在這些應(yīng)用中