光子晶体漫谈
光子晶体结构的频率特性与光子信息传输
光子晶体结构的频率特性与光子信息传输光子晶体是一种具有特殊结构的介质，它的周期性排列使得光子在其中受到禁带的限制，从而产生一系列频率特性。
光子晶体的研究不仅有助于扩展光学器件的应用，还可以用于光子信息传输。
光子晶体结构由周期性的介质构成，其中包含交替排列的高折射率和低折射率的材料。
这种结构可以在特定频率范围内形成禁带，使得该频率范围内的光子无法传播，而其他频率的光子可以自由传输。
这种禁带特性使得光子晶体在光学器件设计中具有广阔的应用前景。
光子晶体的频率特性主要与其结构形貌和周期有关。
根据光子晶体的结构形貌可以分为一维、二维和三维光子晶体。
一维光子晶体的结构由周期性的基底层构成，光子在垂直于基底层的方向上受到禁带的限制。
二维光子晶体的结构由周期性排列的圆柱体构成，光子在平面上受到禁带的限制。
而三维光子晶体则是在三个方向上都具有周期性排列的结构，能够实现更广泛的频率控制。
光子晶体的禁带特性使得它在光子信息传输中具有独特的应用。
光子晶体波导是一种光子晶体的结构，在其中光子可以沿着波导的方向传播，同时在垂直于波导的方向上受到禁带的限制。
这种波导结构可以用于制作光子晶体光纤，实现高效率、低损耗的光子信息传输。
此外，光子晶体还可以用于光子芯片中。
光子晶体的结构可以在芯片上制作微小的光子晶体阵列，通过控制不同阵列的周期和结构参数，可以实现对不同频率的光子的传输和控制。
光子晶体芯片可以在光子通信系统中实现高速率、低功耗的数据传输，为信息技术的发展提供了重要支持。
除了光子晶体的结构形貌和周期，还有其他因素会影响光子晶体的频率特性和光子信息传输的性能。
例如，光子晶体的材料的折射率和吸收特性对其频率响应有重要影响。
合适的材料选择可以实现更广泛的禁带范围和更低的损耗。
光子晶体结构的频率特性和光子信息传输的研究是近年来光学领域的热点课题。
通过对光子晶体结构的精确设计和优化，可以实现对光子的频率和传输的高度控制，为光学器件和光子通信系统的发展带来新的可能。
(完整word版)(整理)光子晶体讲稿
光子晶体一、发展背景及历史1.1 微电子的危机今天，人类进入了信息时代，电子信息产业已成为当今全球规模最大、发展最迅猛的产业，从日常生活的电视，电话等家庭用品到工作中的电子计算机，传感器以及各种电子测试设备，无处不渗透着半导体技术的影响，可以说半导体技术正日益成为我们工作和生活中不可缺少的组成部分。
微电子技术是电子信息产业的核心技术之一（另一个是软件技术），是在半导体材料上采用微米级线度加工处理的技术。
现在电子信息技术，尤其是计算机和通讯技术发展的驱动力。
来自于半导体元器件的技术突破，每一代更高性能的集成电路的问世，都会驱动各个信息技术向前跃进。
我们今天处在一个真正的技术革命时代，而微电子技术的突飞猛进是这个革命最基础的组成部分。
微电子技术所遵循的摩尔定律指出：芯片集成度每18-24个月增长一倍，价格不变。
目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。
12英寸硅片0.13微米应经批量生产。
当前，半导体技术正向着高速度，高集成化方向发展。
据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片0.035微米线宽。
当集成电路线宽达到0.1微米以下时，标志着半导体制造技术及器件、工艺理论随之全面进入纳米领域。
硅基芯片的微细加工技术将可能达到极限。
届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都将遇到极大的挑战：（1）首先是芯片的发热量随着工作频率的提高而迅速增加从而使芯片无法正常工作；（2）其次是现有的加工设备已经很难再继续减小芯片内部的线宽，因而通过减小线宽的方法来提高心片的工作效率和性能遇到了很大的困难；（3）最后也是最难克服的一点，随着芯片内部结构的减小，其量子效应会非常明显，电子在芯片内部的波动效应就不可以忽略，而电子的波动所造成的量子隧穿效应直接威胁着用“1”和“0”表示“开”和“关”状态的芯片最基本的结构。
导致这一结果的原因在于半导体器件的工作载体是电子，由于电子是一种费米子，具有静止质量，同时，电子之间具有库仑相互作用，当集成度很高时，产生热效应，相互干扰，这即是“电子瓶颈”效应产生的原因。
第七章光子晶体
s u b stra te
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A A A
A A
A A A
A A
A A
A A
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
A
A
A
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
A
A
A
3
2012/11/8
Making Rods & Holes Simultaneously
dig more holes offset & overlapping backfill
and waveguides (“wires”)
can trap in cavities 3D Pho to niclight C rysta l with De fe c ts
and waveguides (“wires”)
magical oven mitts for holding and controlling light with photonic band gaps: “optical insulators” 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
Periodic Surprises in Electromagnetism
Steven G. Johnson MIT 1887
Photonic Crystals
periodic electromagnetic media 1987
1-D 2-D 3-D
periodic in one direction
光子晶体：操控光的奇异材料
光子晶体：操控光的奇异材料光子晶体是一种具有周期性结构的材料，它能够有效地操控光的传播和特性。
光子晶体的研究和应用在光学领域具有重要的意义，不仅为我们深入理解光的行为提供了新的途径，还为光通信、光电子学等领域的发展带来了巨大的潜力。
一、光子晶体的基本原理光子晶体的基本原理是利用材料内部的周期性结构来调控光的传播。
光子晶体的周期性结构可以通过周期性的折射率分布来实现，这种分布可以通过控制材料的组成、形状和尺寸等参数来实现。
当光传播到光子晶体中时，由于周期性结构的存在，光子晶体会对光进行衍射和干涉，从而产生一系列特殊的光学效应。
二、光子晶体的特性光子晶体具有许多独特的特性，使其成为一种重要的光学材料。
首先，光子晶体可以实现光的完全禁带，即在某个频率范围内，光无法在光子晶体中传播。
这种禁带效应可以用来制备光学滤波器、光学隔离器等器件。
其次，光子晶体还可以实现光的反射、透射和散射等效应，这些效应可以用来制备光学镜子、光学波导等器件。
此外，光子晶体还具有色散调控、非线性光学效应等特性，这些特性为光子晶体的应用提供了更多的可能性。
三、光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要包括自组装法、光刻法和纳米加工法等。
自组装法是一种简单而有效的制备方法，通过控制溶液中颗粒的浓度和pH值等参数，可以使颗粒自发地排列成周期性结构。
光刻法是一种常用的微纳加工技术，通过光刻胶和光刻机等设备，可以将期望的结构图案转移到材料表面上。
纳米加工法是一种利用纳米级别的工具和技术来制备光子晶体的方法，如电子束曝光、离子束曝光等。
四、光子晶体的应用领域光子晶体的研究和应用涉及到多个领域，包括光通信、光电子学、光传感、光催化等。
在光通信领域，光子晶体可以用来制备高效的光纤耦合器、光开关等器件，提高光通信系统的传输效率和容量。
在光电子学领域，光子晶体可以用来制备高效的太阳能电池、光电探测器等器件，提高光电转换效率。
在光传感领域，光子晶体可以用来制备高灵敏度的光传感器、生物传感器等器件，实现对光、电磁波和生物分子等的高精度检测。
光子晶体的基础物理学研究
光子晶体的基础物理学研究一、引言光子晶体是一种具有周期性的微纳米结构，能够控制光的传播和波长选择性。
光子晶体的物理性质其独特和重要的应用已成为当前研究的热点之一。
本文将从光子晶体的基础物理学角度出发，介绍光子晶体在电磁学、光学、器件等领域的应用。
二、光子晶体的基本原理1. 光子晶体的周期性结构光子晶体的周期性结构由宏观结构和微观结构两部分组成。
微观结构主要是由不同的介质或反射率分布所构成。
在一定的条件下，它们能够把光子的波长压缩到晶格常数级别，从而产生光子带隙。
宏观结构是指光子晶体的形状和排列。
如球形、正方体和立方体等，它们的大小和排列密度对晶体的波长响应有影响。
2. 光子晶体的光传播特性光子晶体对于光的传播有良好的控制作用，主要表现在两个方面。
一是光束通过时必须满足布里渊条件，其要求入射角度等于等于衍射角度；二是波长能够在光子晶体内产生周期性损失，同时产生光子带隙，因此在带隙内光束不能传播。
3. 光子晶体的光学特性光子晶体因其介电常数的周期性变化，对于光的反射、折射、色散等光学现象有重要影响。
在光子晶体内，由于光构成波束在不同介质中传播时速度的不同，导致会发生折射、反射等现象，并且能够产生色散。
在光子晶体中，色散对于光的捕获、传播和选择具有重要意义。
三、光子晶体的应用及发展趋势1. 光子晶体在生物医学中的应用光子晶体在生物医学中获得广泛应用，如光子晶体制备的荧光探针、光子晶体纳米颗粒、光子晶体控制的微流控芯片、光子晶体生物传感等。
光子晶体通过其对生物分子的高灵敏度和选择性，优异的生物相容性，以及高度稳定性和可重复性使其在生物医学领域中的应用前景很广阔。
2. 光子晶体在制备光学器件中的应用晶格常数与光波长的比例成为光子晶体光学性质的决定性因素。
其独特的优异光学性质，使其成为制备光电器件的良好平台，如衍射光栅、光学滤波器、光子晶体放大器、光子晶体传感器等。
光子晶体与传统光学器件相比，优异的性能提高了其在光通信、传感和光电学等领域中的应用。
光子晶体是什么
光子晶体是什么？“光子晶体”是1987年提出的新概念和新材料。
这种材料有一个显著的特点.即它可以如人所愿地控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新概念和新材料，也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。
光子晶体的这一概念是同真实晶体的类比而来的。
我们知道，在固体材料中，由于原子核周期性势场的作用，电子会形成能带结构，带与带之间(如价带与导带)有能隙，称为“禁带”。
将这一思想应用于传输光的介质，如果介质中也存在周期性的结构，那么其中的光子有可能形成类似于电子能带的结构，在带与带之间也会出现“禁带”。
在固体中，能量处于禁带内的电子是不可能存在的。
与此类似，在具有禁带的介质结构中，频率对应于禁带的光不能在其中存在或传播‘把这种由于存在禁带而对频率有选择特性的周期性介质结构称为“光子晶体”，相应的光不能在其中存在或传播的频率范围称为“光子禁带”，或称“光子带隙’。
可见，光子晶体不是简单的晶体而是由不同晶体按特定方式排列而成。
自然界也有光子晶体的例子，如色彩斑斓的蝴蝶翅膀。
不过实验室中所用的光子晶体都是人工设计制作出来的。
光子晶体的最根本特征是具有光子带隙，落在带隙中的光是被禁止传播的。
光子带隙的存在会带来许多新物理和新应用。
Yablonovitch指出:光子晶体的周期性结构可以抑制自发辐射。
爱因斯坦曾经认为自发辐射是不可控制的，它必将不可避免地与受激吸收和受激发射共存。
现在利用光子晶体的思想有可能改变这一论断。
我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态密度成正比。
当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率的态密度为零，因此自发辐射几率为零，相应的自发辐射被抑制。
在现代的光电子技术应用中，抑制自发辐射具有十分重要的现实意义。
例如在半导体激光器中，由于自发辐射的存在而引起较大的附加电流损失，成为激光器闰值的主要原因。
光子晶体讲稿
S. Y. Lin et al.,Nature 394, 251 (1998)
(4) 反复以上环节以制得所需旳层数,然后再用酸将SiO2清洗掉, 即得三维周期性构造
四、光子晶体应用
1.微波领域中旳应用 2.电子计算机技术中旳应用 3.光电元件中旳应用 4. 其他方面应用
微波领域中旳应用—天线
一般天线
半导体制造技术旳措施:将电子束蚀刻,反应 离子束蚀刻,化学气相淀积等技术利用于堆积 式旳光子晶体制造.
(1) 利用电子束,激光束等在Si基上 进行蚀刻,留出一系列彼此平行旳 Si棒; (2) 再用水解等措施将Si棒之间旳 区域用SiO2进行填充,并进行表面 机械抛光; (3) 然后再用多晶Si沉积旳措施在 (2)中所得旳层上铺一层Si,以便蚀 刻与(2)中Si棒向垂直旳第二层Si 棒
r
和变动介电常数
' r
则有：k 2
r r '
2
c2
代入波动方程，可得：
2
E
r
2
c2
' r
E
r
2
c2
r
E
r
2
2
c2
' r
E r
2
c2
r
E
r
比较电子和光子（在晶体中）旳定态波动方程， 能够看出两式得相同之处：
2
c2
' r
rr
~ V r,即周期变化的介电常数相当于
一个周期势场；
都是起源于对自然界不同领 域存在类似现象旳假设开始 旳。因为宇宙万物遵照着相 同旳规律，虽然外表再怎样 旳千变万化，而内在旳规则 却是有着高度一致性。
科学家们在假设 光子也能够具有类 似于电子在一般晶 体中传播旳规律旳 基础上发展出来旳
光子晶体-课件【PPT讲稿】
比较电子和光子（在晶体中）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
' r
c
2
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
光子晶体简介
固体物理中的许多 其它概念也可以用在 光子晶体中，不过需 要指出的是光子晶体 与常规的晶体虽然有 相同的地方，也有本 质的不同，如右图
光子
服从方 程 对应波 麦克斯韦 （Maxwell）方 程 矢量波
电子
薛定谔方程
标量波
自旋
自旋为1的玻色 子 没有
自旋为1/2 的费米子 很强
相互作 用ห้องสมุดไป่ตู้
针对某微波频段可设 计出需要的光子晶体，并 让该光子晶体作为天线的 基片。因为此微波波段落 在光子晶体的禁带中，因 此基底不 会吸收微波，这 就实现了无损耗全反射， 把能量全部发射到空中。
光子晶体天线
第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功
微波领域中的应用—手机的辐射防护
利用光子晶体可以 抑制某种频率的微波传 播的原理，可以在手机 的天线部位制造维播放 护罩，从而避免对人体 有害的微波辐射直接照 射手机用户的头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一个美好的 前景。
三. 光子晶体制备
1. 一维光子晶体结构简单，制作简便，制备方法有 真空镀膜技术、溶胶－凝胶技术、MOCVD 、分子 束外延等 2. 二维光子晶体主要结构有周期性排列的介质棒阵 列和打孔的薄膜结构。排列方式一般为四边形和三 角形点阵，通过调节棒或孔的直径以及间距大小， 可以实现不同频率与带宽的光子禁带。一般采用激 光刻蚀、电子束刻蚀和外延生长法等制造二维光子 晶体
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光子晶体漫谈- 飞达光学网
光子能隙
早在半个世纪前，物理学家就已经知道，晶体(如半导体)中的电子由于受到晶格的周期性位势(periodic potential)散射，部份波段会因破坏性干涉而形成能隙(energy gap)，导致电子的色散关系(dispersion relation)呈带状分布，此即众所周知的电子能带结构(electronic band structures)。
然而直到1987年，E. Y ablonovitch 及S. John [1]才不约而同地指出，类似的现象也存在于光子系统中：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonic band structures)。
具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photonic crystals)。
自然界中的例子
光子晶体虽然是个新名词，但自然界中早已存在拥有这种性质的物质，盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)即为一例[2]。
蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。
图1.1 蛋白石是矿物界的光子晶体
在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。
以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果[3]。
几年前，科学家发现澳洲海老鼠的毛发也具有六角晶格结构[4]，为生物界的光子晶体又添一例。
图1.2 翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶[3]
人造多层系统
事实上，在三维光子能带结构的概念尚未问世前，层状介电系统──即一维的光子晶格──已被研究多年，电磁波在该系统中的干涉现象早已应用在各种光学实验中，做为波段选择器、滤波器或反射镜等。
例如光学中常见布拉格反射镜(Bragg reflector)[5]，乃是一种四分之一波长多层系统(quarter-wave-stack multi-layered system)，说穿了就是简单的一维光子晶体。
尽管如此，这方面的研究却停留在一维系统的光学性质上，物理界一直未能以"晶格"的角度来看待周期性光学系统，也因此迟迟未将固态物理上已发展成熟的能带理论运用在这方面。
一直到了1989年，Y ablonovitch及Gmitter首次尝试在实验上证明三维光子能带结构的存在[6]，该实验虽然功亏一篑，但物理界已注意到其潜力，于是开始大举投入这方面的研究。
第一个绝对能隙
Y ablonovitch及Gmitter在实验中采用的周期性介电系统是在三氧化二铝(Al2O3)块材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式钻了将近八千个球状空洞，这些空洞即所谓的"原子"，如此形成一个人造的巨观晶体。
三氧化二铝和空气的介电常数分别为12.5和1.0，面心立方体的晶格常数是1.27公分。
根据实验量得的透射频谱，所对应的三维能带结构如图1.3所示，其中左斜与右斜线分别代表两种不同的偏极化模。
由此图所求得的绝对能隙(absolute gap)位于15GHz的微波范围，宽度约有1GHz)。
遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之故，在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudo gap)[7]。
图1.3 第一个功败垂成的三维光子晶体[6]。
图1.4 第一个具有绝对能隙的光子晶体，及其经过特别设计的制作方式[8]。
两年之后，Yablonovitch等人卷土重来，这回他们调整制作方式，在块材上沿三个夹120度角的轴钻洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的"原子"(如图1.4所示)[8]，终于打破了对称的束缚，在微波波段获得真正的绝对能隙，证实该系统为一个光子绝缘体(photonic insulator)。
发展至今，无论是理论上或实验上都已有大量的成果出现[8]：在三维方面，光子能隙已在许多晶格结构不同的系统如面心立方、体心立方(body-centered cubic)及其它准晶格(quasi-crystal)结构中观察到；在二维方面，三角(triangular)、四角(square)、蜂巢(honey comb)及其它晶体结构也被证实具有光能隙的存在[9]。
缺陷：一线生机
虽然只有完美的光子晶体才可能拥有绝对能隙，但就应用的角色来看，科学家对不完美的光子晶体更感兴趣，原因就是杂质态(impurity state)。
实验上发现[10]，在二维或三维的光子晶体中加入或移去一些介电物质(如图1.5所示)，便可以产生杂质或缺陷(defect)。
图1.5 具有点状缺陷的光子晶体。
图1.6 出现在能隙中的缺陷态。
与半导体的情况类似，光子系统的杂质态也多半落在能隙内，这使原来为"禁区"的能隙出现了"一线生机" (如图1.6所示) 。
能隙给了人类局限电磁波的能力，而杂质所提供的一线生机则使我们有导引电磁波的可能，这点在光电上极具应用价值。
因此，在光子晶体相关领域内，杂质态是个重要的研究课题。
对于一个杂质态而言，由于杂质四周都是光子晶体形成的"禁区"，电磁波在空间分布上只能局限在杂质附近，因此一个点状缺陷(point defect)相当于一个微空腔(micro-cavity) 。
如果像图1.7一样接连制造几个点状缺陷，形成线状缺陷(line defect)，电磁波便可能沿着这些缺陷传递，就相当于一个波导(waveguide)，甚至有人以它设计成光子晶体光纤(photonic crystal fiber)。
以上只是杂质态在光电方面的几个应用，在后面的章节中我们还会做更深入的分析。
图1.7 光子晶体中的线状缺陷可以做为波导。
光学界的"半导体"
由于杂质态可以藉改变杂质的大小或其介电常数而加以调整，因此只要设计妥当，我们便可按需求制造出具有特定能量或位于特定空间的杂质态，与半导体藉由搀入杂质来调整载子性质非常相似，因此，光子晶体又经常被比喻成未来光学界的"半导体"[11]。
图1.8 整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图
以上是光子晶体的发展及特性的简介。
在接下来的第二章中，我们将透过电磁学与固态物理的语言，深入探讨光子能带结构形成的原理及其特性。
光子晶体最吸引人的条件之一，是它提供了人们按自己的需求，以人工方式设计、裁制订作(taylor)光学系统的可能性，因此，我们有必要了解一下光子晶体的制造。
现行的几种主要制造方法，无论是"由大缩小"(top-down)或是"由小做大" (bottom-up)，都各有它们的优点与限制。
由于实验上制作光晶体颇为费事费时，理论方面的仿真计算就显得格外重要。
除了辅佐实验外，理论计算本身也是研究光子晶体的重要一环，不论是数值或解析上的计算结果，对于改良甚至设计新系统都有不可或缺的贡献。
光子晶体由于提供了操控光的能力，因此光电工业对它特别感兴趣，许多相关应用也纷纷被提出来，虽然目前实际的应用还有限，但随着科技的加速发展与知识的累积，或许在不久的未来，我们就能目睹"集成光路"(integrated optical circuits)的实现。