光子晶體研究進(jìn)展

光子晶體研究進(jìn)展第1頁/共44頁信息技術(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(jì)算機(jī)運(yùn)算速度在同時(shí)期隨之翻番，價(jià)格減半。

第2頁/共44頁光子相比電子的優(yōu)點(diǎn)光子

電子傳播速度

108m/s104-105m/s數(shù)據(jù)傳播速率光子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子載體帶寬

1012Hz105Hz載流子相互作用弱強(qiáng)第3頁/共44頁操控電子的流動(dòng)ICSemiconductorlaser...我們能否控制光子的流動(dòng)？半導(dǎo)體-電子的晶體導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)態(tài)禁帶第4頁/共44頁電子能帶原子勢場的周期排列單原子勢場能級Ek能帶第5頁/共44頁GLXGeGLXSiEgEg[111][100][111][100]Electronicbandstructures第6頁/共44頁全光通訊二十一世紀(jì)：internetera光纖電子器件全光器件能否控制光子的流動(dòng)？第7頁/共44頁InhibitedSpontaneousEmissioninSolid-StatePhysicsandElectronics

Thespontaneousemissionbyatomsisnotnecessarilyafixedandimmutablepropertyofthecouplingbetweenmatterandspace,butthatitcanbecontrolledbymodificationofthepropertiesoftheradiationfield.Ifathreedimensionalperiodicdielectricstructurehasanelectromagneticbandgapwhichoverlapstheelectronicbandgap,thenspontaneousemissioncanberigorouslyforbidden.

PhysicalReviewLetters,58,2059(1987)EliYablonowitch

第8頁/共44頁StrongLocalizationofPhotonsinCertainDisorderedDielectricSuperlattices

StrongAndersonlocalizationofphotonsmayoccurincertaindisorderedsuperlatticemicrostructuresofsufficientlyhighdielectriccontrast.Inthreedimension,twophotonmobilityedgesseparatehigh-andlowfrequencyextendedstatesfromanintermediate-frequency

pseudo-gapoflocalizedstatesarisingfromremnantgeometricBraggresonances.PhysicalReviewLetters,58,2486(1987)SajeevJohn

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自1987年光子晶體的概念被提出后，光子晶體的發(fā)展與應(yīng)用逐漸受到重視，其學(xué)術(shù)論文數(shù)量增加的速度約每2年成長一倍，藉由操縱電子的能力，半導(dǎo)體已經(jīng)促成通訊及計(jì)算機(jī)上的工業(yè)革命，正如半導(dǎo)體操控電子般操控光子，然而是以光的速度。

因此，光子晶體也被稱為光子半導(dǎo)體。光子晶體學(xué)術(shù)論文數(shù)量成長圖

美國《Science》雜志在98年底預(yù)計(jì)對人類產(chǎn)生重大影響的六大研究方向之一有光子晶體（其余為衰老、對付生化武器、吸熱池、哮喘治療、全球氣候走向）。第10頁/共44頁

在光電子領(lǐng)域中我們通常希望藉由物質(zhì)改變光的行為，偏振光、電激發(fā)光、光學(xué)導(dǎo)波，而達(dá)到對光的應(yīng)用，如液晶顯示器、發(fā)光二極管、光纖通訊等。而大部分的這些特性都是以改變物質(zhì)分子尺度內(nèi)在物理或者化學(xué)結(jié)構(gòu)達(dá)成，但光波在物質(zhì)中的電磁特性也可以藉由在波長尺度上(100nm~1mm)特定的物理結(jié)構(gòu)加以改變。相對于電子在半導(dǎo)體晶體的特性，在這種光子晶體中，也可以制造出一種光子能隙，使具有特征波長的光子無法在此晶體中傳播，形成一種光子的絕緣體。在目前電子工業(yè)因?yàn)樗俣扰c容量關(guān)系愈來愈需要使用光波器組件，這種光子晶體在制造光波組件上可能有很大的應(yīng)用范圍，被視為是相當(dāng)嶄新且重要的新一代光電材料。

光子晶體簡介第11頁/共44頁

光子晶體是由2種或者2種以上不同折射率(或介電常數(shù))的介電材料，在空間上做周期性變化的微結(jié)構(gòu)。依照它在空間上周期性分布的維度，可分一維光子晶體、二維光子晶體、三維光子晶體，如下圖：3種不同維度光子晶體示意圖第12頁/共44頁光子晶體的物理特性光子禁帶：電磁波受周期性勢場的調(diào)制而形成能帶，能帶之間可能出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙或光子禁帶。光子局域：如果在光子晶體中引入某種程度的缺陷，和缺陷態(tài)頻率吻合的光子就會(huì)被局域在缺陷位置，一旦其偏離缺陷處光將迅速衰減。第13頁/共44頁光子晶體和半導(dǎo)體特性的對比光子晶體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不同介電常數(shù)介質(zhì)的周期性分布周期性場的分布研究對象電磁波（光）在晶體中的傳播光子（玻色子）電子的輸運(yùn)電子（費(fèi)米子）滿足的本征方程本征矢電場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度：矢量波函數(shù)：標(biāo)量特征光子禁帶在缺陷處的局域模式能帶缺陷態(tài)尺度電磁波（光波長）原子尺寸材料特性第14頁/共44頁透明金屬(transparentmetals)結(jié)構(gòu)一維光子晶體結(jié)構(gòu)圖通常是由薄金屬膜與厚的介質(zhì)膜交替構(gòu)成構(gòu)成的一維光子晶體第15頁/共44頁透明金屬(transparentmetals)結(jié)構(gòu)EachMgF2layer:

110nmthick通常是由薄金屬膜與厚的介質(zhì)膜交替構(gòu)成構(gòu)成的一維光子晶體EachMgF2layer:140nmthick第16頁/共44頁一維全向反射鏡一維光子晶體結(jié)構(gòu)圖一維光子晶體是由兩種不同折射率的材料在一個(gè)方向上交替排列而成的周期結(jié)構(gòu)。Science282,1679(1998)第17頁/共44頁Heterostructure-basedopticalabsorbers56.97nm第18頁/共44頁Heterostructure-basedopticalabsorbers56.97nm第19頁/共44頁光子晶體光纖(photoniccrystalfiber,PCF)的導(dǎo)光機(jī)制反射定理：入射角等于反射角折射定理：在傳播中是常量傳播常量決定光在光纖中是傳播還是消逝傳播

消逝光子晶體光纖的基本理論第20頁/共44頁

金屬同軸光纜傳統(tǒng)光纖介質(zhì)波導(dǎo)全內(nèi)反射原理

TIR-PCF光子晶體光纖

PBG-PCF光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光原理Bragg反射光子帶隙導(dǎo)光機(jī)制抑制共振光子帶隙導(dǎo)光機(jī)制第21頁/共44頁三、光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法全內(nèi)反射導(dǎo)光型PCF光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光型PCF全內(nèi)反射和光子帶隙聯(lián)合導(dǎo)光型PCF第22頁/共44頁全內(nèi)反射導(dǎo)光型PCF

全內(nèi)反射導(dǎo)光型PCF也被稱為折射率引導(dǎo)型PCF，其導(dǎo)光機(jī)制是和普通的階躍光纖類似的全內(nèi)反射。特性：無休止單模傳輸?shù)蛽p耗零色散可調(diào)第23頁/共44頁光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光型PCF二維光子帶隙導(dǎo)光型PCF蜂窩型PBG-PCF空芯PBG-PCF全實(shí)芯PBG-PCF第24頁/共44頁準(zhǔn)一維光子帶隙導(dǎo)光型PCF

——全向波導(dǎo)(Omniguide，OG)或Bragg光纖第25頁/共44頁光子晶體光纖損耗的研究進(jìn)展彎曲損耗

PCF的彎曲損耗隨填充比的增大而減小，隨彎曲半徑的增大而減小，并且PCF在彎曲超過臨界半徑時(shí)損耗會(huì)明顯增大。臨界半徑與光纖結(jié)構(gòu)參量的關(guān)系

PBG-PCF與傳統(tǒng)單模光纖(SingleModeFiber，SMF)彎曲損耗的比較。

TIR-PCF(多模光子晶體光纖)與傳統(tǒng)的多模光纖(MultimodeFiber，MMF)彎曲損耗的比較

說明PCF具有很好的抗彎曲損耗的能力。第26頁/共44頁傳輸損耗報(bào)道時(shí)間折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖最低損耗（dB/km）光子帶隙型光子晶體光纖最低損耗（dB/km）199950（英國南安普頓大學(xué)）20020.58（英國BlazePhotonics公司）13（美國康寧公司）20030.37（NTT公司）20041.72（英國BlazePhotonics公司）20050.28（NTT公司）1.2（英國BlazePhotonics公司）20070.18（NTT公司）

目前最好的純硅芯光纖的最低損耗為0.148dB/km.TIR-PCF和PBG-PCF損耗的研究進(jìn)展

全內(nèi)反射導(dǎo)光型光子晶體光纖損耗降低趨勢

第27頁/共44頁自然中的結(jié)構(gòu)色結(jié)構(gòu)色，可以從字面上理解，是由于物理結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的顏色，是一種永恒的顏色。自然中的結(jié)構(gòu)色

導(dǎo)致生物結(jié)構(gòu)色的是一種被稱為光子晶體的微結(jié)構(gòu)。第28頁/共44頁蝴蝶結(jié)構(gòu)色研究進(jìn)展紫斑環(huán)蝶是我國云南常見的蝶類，其前翅邊沿有閃亮的藍(lán)色，藍(lán)色就是一種結(jié)構(gòu)色鱗片的整體排列井然有序，每個(gè)鱗片的上表面都有平行的脊脈結(jié)構(gòu)第29頁/共44頁鱗片橫截面結(jié)構(gòu)

每個(gè)脊脈包含5～6個(gè)殼質(zhì)薄片層，彼此由空氣層隔開。每個(gè)周期由一殼質(zhì)層和空氣層組成第30頁/共44頁一維光子晶體模型和顯色機(jī)理整個(gè)鱗片的模型可以簡化成一維光子晶體結(jié)構(gòu)，即由兩種各向同性介質(zhì)交替組成的周期性結(jié)構(gòu)，其中一層是殼質(zhì)層，另外一層是等效空氣層的各向同性介質(zhì)層。一維光子晶體的禁帶結(jié)構(gòu)和反射譜第31頁/共44頁孔雀羽毛結(jié)構(gòu)色的研究進(jìn)展孔雀尾羽上眼斑部分具有隨不同觀察角度顏色發(fā)生變化的特點(diǎn)，并且顏色艷麗明亮，長久不褪色。這也是一種由結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的顏色第32頁/共44頁孔雀尾羽的顯色機(jī)理

羽毛的結(jié)構(gòu)示意圖綠色小羽支的光學(xué)顯微鏡照片第33頁/共44頁孔雀尾羽微結(jié)構(gòu)小羽支剖面電鏡照片小羽支橫截面SEM電鏡照片第34頁/共44頁結(jié)構(gòu)色應(yīng)用舉例1制作防偽紙幣2人工合成光子晶體，制作仿生光子化妝品3制作隱身材料第35頁/共44頁半導(dǎo)體~光子晶體半導(dǎo)體光子晶體1930年代電子能帶論（電子帶隙）1987年光子能帶（光子帶隙）1948年發(fā)明晶體管1991年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1990年代原型器件1958年發(fā)明集成電路目前探索集成光路1960年代以后微電子革命21世紀(jì)光子技術(shù)革命光半導(dǎo)體未來的半導(dǎo)體NobelNobelNobel?第36頁/共44頁國際上激烈競爭基于光子晶體的光子集成線路計(jì)劃基于蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體波長尺度的通訊用光子部件超快光子學(xué)計(jì)劃重組天線計(jì)劃可調(diào)光子晶體計(jì)劃毫米和亞毫米波段的集成天線技術(shù)日美歐第37頁/共44頁我國研究情況單位：香港科技大學(xué)、中山大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、南京大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、南開大學(xué)、中科院物理所和半導(dǎo)體所、清華大學(xué)、北京大學(xué)等。舉例：國家自然科學(xué)基金委將左手材料和負(fù)折射效應(yīng)的研究列入了2005年重點(diǎn)交叉項(xiàng)目指南：

在數(shù)理部和工程與材料學(xué)部聯(lián)合的“準(zhǔn)相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關(guān)基礎(chǔ)性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一；在數(shù)理部和信息科學(xué)部聯(lián)合的“周期和非周期微結(jié)構(gòu)的新光子學(xué)特性”主題中將“周期及非周期微結(jié)構(gòu)中在太赫茲、近紅外及可見波段的負(fù)折射效應(yīng)研究”列為主要探索內(nèi)容之一