光子晶体

光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
(2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
此外，光子晶体还可用于制造各种性能优 良的光通讯器件，如光子晶体激光器。
利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理 想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。
' r

2
c
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
三、光子晶体的应用 --光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤



2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E ）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；


2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数相当于
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的应用－光子晶体光纤 四、光子晶体的发展前景
一、光子晶体简介
光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。 从晶体结构来说，晶体内部的原子是周 期性有序排列的，正是这种周期势场的存 在，使得运动的电子受到周期势场的布拉 格散射，从而形成能带结构，带与带之间 可能存在带隙。
优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。
一般的光纤波导中， 波导拐弯时，全内反 射条件不再有效．会 漏掉部分光波能量， 使传输效率降低。而 光子晶体弯曲波导中， 利用不同方向缺陷模 共振匹配原理。原则 上只要达到模式匹配， 不管拐多大弯，都能 达到很高的传输效率。
（二）能量传输基本无损失，也不会出现 延迟等影响数据传输率的现象。 （三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传 输频带，可全波段传输。
T k 设E 0，H 0， E， H 分别是E和H的振幅
和初相位： ~ E 0 E 0 e i E ~ i H H 0 H 0e




代入波动方程，即可得： k r 0 r 0
2 2
定态下的电磁波波动方程为 2 2 Er k E r 0
四、光子晶体的发展前景
光子晶体被科学界和产业界称为“光半 导体”或“未来的半导体”。 可以预计，在五年之内，光子晶体的许 多基本应用将会在市场上体现出来，在这些 应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和 高亮度的发光二极管。 在十年内，应该制造出第一个光子晶体 “二极管”和“晶体管”。
在二十年内，应该制造出第一个光子晶 体逻辑电路 。 再接下来，光子晶体驱动的光子计算机 可能会出现 。 由光子晶体制造的光通讯器件将会改变 光通讯的现状，光子晶体技术的发展必将对 光通信技术产生重大而深远的影响。
二、光子晶体中的量子理论
电磁波可表示为：
~ ~ E E e 0 ~ ~ i ωt k z H H e 0 i ωt k z



和k分别为角频率和波数，它们与周期T
和波长的关系为：
2 T 2 k

波的传播速度（相速）为：
如果介质为非磁性介质，则r 1.
对于非均匀介质，尤其是其介电常数 是周期性变化时，有
r r kn


可将相对介电常数写为两个部分之和： 平均介电常数 r 和变动介电常数
则有：k 2 r r '
' r

c
2
2
代入波动方程，可得： 2 2 r r rr r r 2 ' E r 2 rE r 2 r E r c c
折射率导光机理 光子能隙导光机理
这里主要讲一下光子能隙导光机理： 在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中 的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条 件,其结果就是光子能隙导光理论。
空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是： 利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波 只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。包层中的 小孔点阵结构像一面镜子，使光在许多的空气小孔 和石英玻璃界面多次发生反射。
根据固体物理理论，电子在晶体中的运动可 视为一个电子在周期势场中的运动，由薛定谔方 程描述为
h2 2 r 2m V r E r r r V r V r Tn 是以Tn为周期的周期势场


PCF导光机理可以分为两类：
参考文献： 《材料物理课件－－光纤》，孔勇发， 2006年，南开大学。 《光子晶体引发光通信的技术革命》，张 宁，2006年1月 《光子晶体光纤发展动向》，苏方宁， 2005年4月。
在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。 他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方 法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这 种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面 的微波从任何方向传播出去。
光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集 成、光通信的一种关键性基础材料。