光子晶体光纤材料
掺Yb3+双包层光子晶纤激光器
光子晶体概念是1987年美国贝尔通信研究 中心的物理学家和加拿大物理学家分别提 出来的。虽然光子晶体是个新名词，但在 自然界中却早就存在天然的光子晶体结构， 比如蛋白石的表面、蝴蝶的翅膀以及丁虫 的身体表面等。举例一个现象：蝴蝶翅膀 在阳光下成美丽彩色，它正是由于在不同 的方向上，有不同频率的光被散射和透射。
20世纪90年代中期PCF诞生，由于这种光纤具有传统光纤无法 比拟的一系列优异特性，为研制新一代高功率光纤激光器创造 了有利条件。采用PCF的光纤激光器件一般可以分为以下两大 类:一类是利用小模面积PCF的高非线性效应研制的激光器件;另 一类是利用掺稀土元素大模面积PCF（尤其是双包层PCF)研制 的高功率、高光束质量近红外PCF激光器。在同等泵浦条件下， 小模面积PCF比一般光纤更容易产生非线性效应，适合于研制 低阈值、结构紧凑的拉曼光纤激光器和放大器，这样在研制激 光器时不仅可以节约光纤而且可以在很大程度上降低泵浦条件， 这对于激光器的实用化和商业化是十分有利的。另一方面，普 通光纤激光器提高功率往往是以牺牲光束质量为代价的，而在 高功率光子晶体光纤激光器中，大模面积PCF不仅可以提高光 纤激光器中泵浦光的耦合效率，而且在高泵浦功率下还能有效 地减少光纤中的非线性效应，实现高功率、高光束质量的激光 输出，这为高功率光子晶体光纤激光器的发展奠定了坚实的基 础。
二、光子晶体光纤激光器的发展
光纤激光器作为一种新型的光子源，以其阈值低、效率高、光 束质量好、全固化、超紧凑、免水冷等优异性能，在光通信、 光传感、光存储和光信息显示等信息科学领域以及激光美容、 激光医疗、防伪打标、激光排版和材料加工等新兴行业中都有 大规模的应用，已经成为当今激光技术及其应用领域的研究热 点。 20世纪60年代初就发明了第一台光纤激光器，然而受到低损耗 光纤制作工艺和泵浦光源的制约，在长达20多年时间里光纤激 光器的研究进展十分缓慢，一直没能得到实际应用。直到20世 纪80年代后期，由于掺稀土双包层光纤的成功研制，采用包层 泵浦(Clad Pumping)技术使光纤激光器的输出功率提高了几个量 级。目前，由掺Yb3+双包层石英光纤制成的激光器，己经获得 近千瓦的单横模激光输出。但是，由于常规单横模掺杂双包层 光纤的纤芯几何尺寸非常小，不仅限制了激光模体积的增大， 也容易带来各种非线性效应的干扰，使光纤中的激光增益难以 进一步提高。
传统光纤与光子晶体光纤比较
构光纤，以其独特的光学特性和灵活的 设计成为近年来的热门研究课题。这类 光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列 微小空气孔构成，通过这些微小空气孔 对光的约束，实现光的传导。
光子晶体光纤
折射率导光机理
光子能隙导光机理
按导光机理来说 , PCF 可以分为两类 : 折射率导光机理 光子能隙导光机理
传统光纤与光子晶体光纤比较
传统光纤与光子晶体光纤 比较
CONTENTS
1
传统光纤
4
光子晶体光纤
与光子晶体光纤比较
光子晶体应用
总结
传统光纤
传统光纤结构原理
玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微 米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。 一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。 根据光的折射和全反射原理,当光线射到 内芯和外层界面的角度大于产生全反射 的临界角时，光线透不过界面，全部反 射。
光子晶体的应用 2、人类应用 （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。
光子晶体光纤
光子晶体光纤是光子晶体一
个极为重要的应用 , 它较 传统光纤具有显著的优势。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
七芯光子晶体光纤 -回复
七芯光子晶体光纤-回复什么是七芯光子晶体光纤？七芯光子晶体光纤是一种新型的光纤传输介质，它具有七个不同芯层，每个芯层的折射率不同。
这种光纤的设计借鉴了自然界中的光子晶体结构，利用光的布拉格散射效应来实现光的传输。
通过控制光子晶体呈现不同的光波导模式，七芯光子晶体光纤能够实现多模式和单模式的光传输，且在不同波长范围内有较低的传输损耗。
七芯光子晶体光纤的结构特点七芯光子晶体光纤由七个同心圆环芯组成，每个环芯之间以特定的方式相互连接形成一个光波导结构。
这种特殊的结构使得七芯光子晶体光纤能够同时传输多个信号，从而具有较高的信号传输带宽。
此外，由于每个芯层的折射率不同，七芯光子晶体光纤还具有较低的模式色散和较高的非线性效应。
七芯光子晶体光纤的工作原理七芯光子晶体光纤的工作原理基于光的布拉格散射效应。
当光传输到光子晶体结构中时，它会被晶体中的周期性折射率变化所散射。
由于七芯光子晶体光纤的芯层折射率分别不同，光在不同芯层之间会发生不同的布拉格散射效应。
通过精确设计光子晶体结构，可以实现特定波长的光波导传输，并在特定方向上有效地控制光传播的路径。
七芯光子晶体光纤的应用领域七芯光子晶体光纤具有广泛的应用潜力。
它的主要应用领域包括光通信、光传感和光子集成等。
在光通信领域，七芯光子晶体光纤可以用于实现高容量的光纤传输。
通过设计不同的光波导模式，可以实现多通道的光传输，从而提高传输带宽和信号传输速率。
在光传感领域，七芯光子晶体光纤可以用于实现高灵敏度的光传感器。
通过对光波导模式的调控，可以让光纤对特定的物理量变化（如压力、温度等）更加敏感，从而实现高精度的光传感。
在光子集成领域，七芯光子晶体光纤可以用于实现复杂的光路结构。
通过与其他功能器件的集成，可以实现更加复杂、多功能的光子集成芯片，促进光子集成技术的发展。
总结七芯光子晶体光纤作为一种新型的光纤传输介质，具有多模式和单模式的传输能力，且具有较低的损耗和较高的非线性效应。
光子晶体光纤
光子晶体光纤110611106 周鹏摘要：本文主要介绍光子晶体光纤的分类及其导光机理，光子晶体光纤的材料和制作工艺，重点阐述了光子晶体光纤的特性和应用，并对它的前景进行展望。
关键词：光子晶体光纤导光机理制作工艺特性应用Abstract：This article describes the classification and light guiding mechanism materials and production processes of photonic crystal fibers, focusing on the features and applications of photonic crystal fibers and looking ahead its prospects.Key words: photonic crystal fiber producting process light guide mechanism feature application前言光子晶体光纤，简称PCF，具有光子晶体和光纤传输光波的双重特性，相对传统光纤而言，光子晶体光纤开创了完全不同的光波传输原理和传输特性，成为一类新型的光导纤维，开辟了一个新的应用领域，光子晶体光纤应经成为当今光纤领域的研究前沿和热点。
一．光子晶体光纤的分类及其导光机理光子晶体光纤的分类有很多种方法，根据导光机理，可将光子晶体光纤分为两类：折射率导光和光子带隙导光。
1.折射率导光型光子晶体光纤折射率导光型光子晶体光纤和普通光纤的结构相似，纤芯均为实心的石英。
差别是光纤的包层；普通光纤的包层是实心材料，其折射率稍低于纤芯；而折射率导光型的包层则是具有一定周期排列的多孔结构，如图1所示。
这类光纤包层的空气孔也可不是周期性排列，这类光纤也称多孔光纤。
这种结构的导光机理和常规的阶跃折射率光纤类似，即基于全反射原理，由于包层中的空气孔，降低了包层的有效折射率，使得纤芯折射率大于包层折射率，从而满足全反射条件，光波被束缚在芯区内传输。
光子晶体光纤特性及应用
光子晶体光纤特性及应用【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。
【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙1 概述光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。
频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。
这就是光子晶体概念的来源。
光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。
如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。
缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。
光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应。
2 光子晶体光纤的结构根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。
2.1全反射型光子晶体光纤的结构。
全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。
2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。
这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。
如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。
光子晶体光纤 (PCF)
•
2. 光子晶体波导
• 传统的介电波导可以支持直线传播光，但在拐角处会损失能量 • 光子晶体波导不仅对直线路径，而且对转角都有很高的效率 • 这对于光学器件的集成非常有意义
3. 光子晶体微腔
• 在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态 • 这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子，这种光子晶体制成 的微腔比传统的微腔优异得多 • 用它制作的微腔激光器的体积可以非常小
2.1 特性
• 将光纤和光子晶体的特性相结合，可以得到传统光纤达不到的一 系列独特性质 • 具有非常严格的设计原则：
• 为了得到单模运转，要受到限定芯径，模的截止波长，有限的材料选择 （芯材玻璃与包层材玻璃的热特性必须相同）等方面的限制
• 有两个基本特性与传统光纤十分不同
两个基本特性
1. 微结构的二维特性
• PCF的色散控制
• 由于石英和空气的折射率对比度很大，气孔的大小和排列方式可以灵活地变化，和普 通光纤相比，PCF能够在更大的范围内对色散进行控制 • 例如，小心控制光纤中的气孔大小和空间距离，可设计出令人惊异的色散曲线，使光 纤在通信频带中几百纳米波长范围内，色散D<0.5ps/(nm· km)，从而大大减小由色散造 成的脉冲展宽
光子晶体光纤 (PCF)
主要内容
• 光子晶体
• 结构 • 原理：光子带隙基础 • 优点
• 光子晶体光纤（PCF） • PCF激光器
1 光子晶体
• E. Yablonovitch 和 S.John 在1987年分别独立地提出了光子晶体的概念 • 光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。所谓晶体就是针 对这种“周期性”而言的。 • 根据“周期性”的维数，光子晶体也分为一维、二维和三维的
聚合物光子晶体光纤_王维彪
聚合物光子晶体光纤王维彪，陈明，夏玉学，梁静秋, 徐迈（中国科学院长春光机与物理所，长春 130033）甄珍，刘新厚（中国科学院理化所，北京 100101）摘要：本文在介绍光子晶体光纤的原理、性能的基础上，重点介绍了采用聚合物材料制备的聚合物光子晶体光纤如高双折射光子晶体光纤、多芯光子晶体光纤、带隙限制光子晶体光纤等。
这些光纤以其新的导光机理和新颖的特性引起人们的极大兴趣，希望开发出具有单膜特性、多种结构和特性、低损耗的的聚合物光子晶体光纤。
聚合物光子晶体光纤制备选材范围广、制备温度低、预制棒的制备方法多，具有成本低、损耗小、多性能等的优点，在传感器、光通讯、光学元件等方面具有很大的应用前景。
关键词：聚合物；光子晶体；光纤polymer photonic crystal fiberWANG Weibiao, CHEN Ming, XIA Yuxue, LIANG Jingqiu, XU MaiChangchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics.,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033ZHEN Zhen, LIU XinhouTechnnical Institute of Physics ang ChemistryChinese Academy of Sciences, Beijing 100101Abstract：The polymer photonic Crystal fiber(PPCF) based on principle of photonics crystal is introduced such as highly birefringent PPCF, twin-core PPCF and photonic band gap PPCF in thepaper. Polymer photonic crystal fibers have new guided light mechanism and lots of new performances than conventional polymer optical fibers and attract peoples’ interests. It is hoped todevelop new fibers with single mode and special performances. PPCF will be used in optical fibersensing, telecommunications and optical elements because of it with merits of low cost, low loss andmulti-performance.Keywords:Polymer; Photonic Crystal; Fiber一、引言――光子晶体和光子晶体光纤光子晶体光纤是在光子晶体的概念上发展起来的一种新型光纤。
光子晶体光纤
光子晶体的分类
PCF导光机制分为两种，一种光子带隙光纤（FBG-PCF）， 另外一种是全内反射光子晶体光纤（ TIR-PCF ）也称折射 率引导光子晶体光纤。
FBG-PCF的导光原理
它是通过布拉格衍射来限制光在纤芯中传播 要求包层空气孔比较大，而且要求空气孔排列精密，规则 的六角形晶格结构才存在有效的二维光子带隙，由于光只 能在缺陷中传播，可以实现在几乎无损耗的纤芯中传播。
高双折射特征
灵活的色散可调特征 易于实现多芯传输
以上特征都可以通过调节PCF的结构来实现和改变
光子晶体光纤的应用
PCF的高非线性效应和高度可调的色散特征，成为超连续光谱产生的理 论依据，这种特性可应用于光学频率测量、建立光学原子钟、生物医 学成像、多光子光谱显微镜领域等
基于PCF的大模场面积、单模宽带传输等特点，发展了光子晶体光纤激 光器
光子晶体光纤
photonic crystal fiber
光子晶体光纤的概念
光子晶体光纤又称多孔光纤，微结构光纤， 最早由Russe11等人在1992年提出的。
它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。包 层由规则分布的空气孔排列成六角形的微结构组 成，纤芯由石英或空气孔构成线缺陷，利用其局 域光的能力，将光限制在纤芯中传播。
预制棒的制作工艺的方法：毛பைடு நூலகம்管组合方法，（1）设计并制作出光子 晶体光纤的截面结构 （2）形成光子晶体结构（3）复制堆积拉丝过程
光子晶体光纤的制作
预制棒的制作工艺:溶胶-凝聚法—将溶胶浇注成设计成的结构使其凝 胶，空气孔结构可由适当的圆棒插入，待凝胶后移除即可形成。 化学腐蚀法—在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料， 将它们按设计要求排列好并融化成型后，利用酸腐蚀掉不需要的部分 形成的空气孔，这种方法形成的预制棒能拉出结构更完美、更符合要 求的光子晶体光纤。
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光子晶体光纤材料光子晶体的能带结构电子能带与光子能带在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。
完全光子能隙的产生光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。
FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。
人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。
由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。
能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。
利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。
光子晶体中的缺陷能级半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷尺寸的变化而移向空气带因此, 可以通过调节缺陷的结构、大小来控制缺陷能级在光子带隙中的位置由介电带顶到空气带底, 相应于此能级频率的光将只能够存在于缺陷处, 而不能向空间传播。
光子晶体的研究方法早期研究光子晶体的能带时, 采用的是标量波动方程,发现具有面心立方结构的光子晶体具有光子禁带. 但是光波是矢量波,满足的是麦克斯韦方程组. 解麦克斯韦方程组得到的结论是:面心立方结构的光子晶体没有光子禁带.这些年来,光子晶体的理论研究也取得了令人瞩目的进展. 下面列举几种用得比较广泛的基本计算方法.1、平面波方法这是在光子晶体能带研究中用得比较早和用得最多的一种方法. 主要是将电磁场以平面波的形式展开,何启明等人在预言光子禁带的存在的文章中便是用的这种方法. 电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开,可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程,求解本征值便得到传播的光子的本征频率. 但是,这种方法有明显的缺点:计算量与平面波的波数有很大关系,几乎正比于所用波数的立方,因此会受到较严格的约束,对某些情况显得无能为力. 如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时,需要大量平面波,可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算. 如果介电常数不是恒值而是随频率变化,就没有一个确定的本征方程形式,而且有可能在展开中出现发散,导致根本无法求解.2、转移矩阵方法由磁场在实空间格点位置展开, 将麦克斯韦方程组化成转移矩阵形式,同样变成本征值求解问题. 转移矩阵表示一层(面) 格点的场强与紧邻的另一层(面) 格点场强的关系, 它假设在构成的空间中在同一个格点层(面) 上有相同的态和相同的频率,这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间. 这种方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效,由于转移矩阵小,矩阵元少,计算量较前者大大降低,只与实空间格点数的平方成正比,精确度也非常好. 而且还可以计算反射系数及透射系数.3、差分或有限差分法将一个单位原胞划分成许多网状小格, 列出网上每个结点的有限差分方程,利用布里渊区边界的周期条件,同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程,这个矩阵是准对角化的,其中只有为数不多的一些非零矩阵元,明显地减少了计算量,节省了计算机内存. 但是, 有限差分法没有考虑晶格格点的形状,遇到具有特殊形状格点的光子晶体时,要求得精确解就比较困难.4、N 阶(Order2N) 法这是引自电子能带理论的紧束缚近似中的一种方法,是由Yee 在1966 年提出的时域有限差分法(FDTD) 发展来的. 基本思想是:我们从定义的初始时间的一组场强出发,根据布里渊区的边界条件,利用麦克斯韦方程组可以求得场强随时间的变化,从而最终解得系统的能带结构. 具体作法:通过傅里叶变换先将麦克斯韦方程组变换到倒空间,用差分形式约简方程组,然后再作傅里叶变换,又将其变换回到实空间,得到一组被简化了的时间域的有限差分方程,这样,原方程可以通过一系列在空间和时间上都离散的格点之间的关系来描述,计算量大大降低,只与组成系统的独立分量的数目N 成正比. 但是在处理Anderson局域和光子禁带中的缺陷态等问题时,计算量剧增,这种情况下用转移矩阵方法比较方便.引入缺陷的光子晶体在激光或光学回路中有广泛的应用,计算有单点缺陷、多点缺陷、线缺陷以至表面态的光子晶体能带可以用超元胞法进行平面波展开; 当混有多种缺陷时,可采用格林函数法.光子晶体制备光子晶体是一种人造微结构,它的晶格尺寸与光波的波长相当,是晶体晶格尺寸的1000倍。
光子晶体的制作具有相当大的难度,根据适用的波长范围,制作技术也不同。
此外,还需要引入缺陷态,因此,制作过程往往需要采用多种技术才能成。
1.精密加工法Ames实验室证实了金刚石结构的光子晶体具有很大的带隙后, Yablonovitch等人便采用活性离子束以打孔法制造了第一块具有完全光子带隙(photonic band gap, PBG)的三维光子晶体。
他们采用反应离子束刻蚀技术在一块高介电常数的底板表面以偏离法线35.26°的角度从3个方向钻孔,各方向的夹角为120°。
但是,当孔钻得较深,并彼此交叉时,孔会产生位置偏离,从而影响其周期性结构。
Ho等提出了木堆结构(Woodpile Structure) ,即用介电柱的多层堆积形成完全带隙的介电结构。
Ozbay等用铝棒堆积成Woodpile结构,其缺点是工艺比较繁琐,且结构的周期准确性难以保证。
Ozbay等又发展了逐层叠加结构(Layer-by-layer Structure) ,即先制造出各向异性的二维Si/SiO2 层状结构,然后以Woodpile结构的周期结构形式进行逐层叠加,即四层形成一个周期。
通过层叠法和半导体工艺的结合,使得设计出的光子晶体具有禁带宽、带隙可达到红外及近红外区的优点。
由于是以半导体工业成熟的技术为基础,精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。
然而其工艺复杂、造价昂贵,并且受现有半导体技术水平的限制,若要制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面却存在着很大的挑战。
2.胶体晶体法早在1968年, Kriger等人就发现了由乳液聚合得到的聚苯乙烯胶乳(50～500nm)在体积分数超过35%时出现蛋白石特有的颜色。
蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。
由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。
在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。
在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。
当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方( FCC)点阵堆积; 当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。
目前,已经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。
遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构,因而并不能产生完全光子带隙。
为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。
3.反蛋白石结构法反蛋白石结构是指低介电系数的小球(通常为空气小球)以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中,这种结构将有望产生完全能隙。
1997年Velev等人首先用经阳离子表面活性剂CTAB浸泡过的聚苯乙烯颗粒形成的胶体晶体为模板,合成了含三维有序排列的空气球的二氧化硅反蛋白石材料。
主要采用模板法,具体操作为:以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板,向小球间隙填充高介电常数的Si, Ge, TiO2等材料,然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去,得到三维空间的周期结构。
Vlasov等人以SiO2胶体晶体为模板,制得了硒化镉有序大孔量子点阵固体材料。
Blanco等人以SiO2胶体晶体为模板,用化学气相沉积法向其空隙填入硅,形成纯硅反蛋白石结构的光子晶体。
4.其他方法(1)飞秒激光干涉法利用飞秒激光干涉法已实现了一维、二维和三维近红外波段的光子晶体制作。
该方法利用衍射分束器将飞秒脉冲分为多束,然后用两个透镜会聚叠加。
搭建的实验装置可实现较高的调整精度,以实现飞秒脉冲的瞬态叠加。
采用二倍频的飞秒激光, 波长为380nm, 脉宽80fs, 重复频率82MHz,一次照射制作, 照射功率约100μW,时间20 s。