光子晶体介绍
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。
光子晶体的制备及其在光学中的应用
光子晶体的制备及其在光学中的应用光子晶体又叫做光子带隙材料，是指具有光学带隙的人工纳米结构材料。
光子晶体在光学、电子、能源、材料科学等领域中都有广泛应用。
本文将对光子晶体的制备和在光学中的应用进行简单介绍。
一、光子晶体的制备光子晶体的制备方法主要有溶胶-凝胶等离子体共振等离子体化学气相沉积、自组装、电子束和离子束雕刻、原子层沉积等多种方法。
其中最常用的是自组装法。
自组装法是指通过静电作用、疏水亲和性、亲疏水等分子间相互作用，自发地形成有序的纳米结构的复合材料。
这种自组装制备光子晶体的方法比传统方法更简单，能够大规模制备，具有可重复性好等特点。
二、光子晶体在光学中的应用1. 光学滤波器光子晶体具有光学带隙的特点，因此可以通过调整光子晶体的结构，实现光的选择性反射、透射和折射。
这种特性被广泛应用于光学滤波器中。
光学滤波器可以选择性地过滤掉某些波长，用于光学信号处理、光通信等领域。
2. 光学传感器光子晶体在光学传感器领域中也有很好的应用。
当光学传感器需要对某一特定波长的光信号进行检测时，可以利用光子晶体的光学带隙来实现选择性光信号反射或透过。
通过检测反射或透射的光功率变化，可以实现对物理量的测量。
3. 光子晶体光纤利用光子晶体的带隙性质，可以实现光的纵向传输。
通过制作光子晶体光纤，可以实现光功率在波长范围内的选择性传输。
这种光子晶体光纤具有优异的光学性能，可以用于高速光通信、激光器输出耦合和光学信号处理等领域。
4. 光子晶体光阻光子晶体光阻是一种新型的光电材料，川合成光子晶体的方法与普通光阻有很大的差别。
使用这种光子晶体光阻制作光学器件时，可以通过变化光子晶体的结构和纳米粒子的形状来调节相关器件的光学性能。
由于光子晶体光阻的光学特性可编程性较高，因此在光通信、可穿戴电子等领域中有良好的应用前景。
结语光子晶体具有非常广泛的应用前景，在光学、电子、材料科学等领域都得到了广泛的应用。
本文简单介绍了光子晶体的制备方法和在光学中的应用，并说明了这种材料的重要性。
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
光子晶体
1
光子晶体简介
散射矩阵法：
散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和 尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅 立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的
三 维 金 刚 石 结 构 禁 带 计 算 结 果
光子晶体由折射率为 3.6 的球形介 质构成金刚石结构 ,分布在空气中 , 介质的填充比( 所占空间体积的比) 为 0.34。
研究指出：光子晶体可以抑制自发辐射，我们知道，自发辐射的几率与光子所在 频率的态的数目成正比。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 ，由于该频率光子的态的数目为零 , 因此自发辐射几率为零，自 发辐射也就被抑制. 反过来 , 光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子的态 的数目便可实现。如在光子晶体中加入杂质 ,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质 态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。
为解决这一问题，人们发明了反蛋白石结构,又称为模板法,即利用二氧化硅、 聚苯乙烯等生长出的胶体晶体作为模板，再往其空隙中填充高折射率材料的有机或 无机材料,如染料、金属纳米粒子、硅等, 多次填充后通过高温煅烧 或刻蚀除去模板,留下反蛋白石三维周期结构。
4
光子晶体的应用
1. 光电元件中的应用—光子晶体发光二极管
构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者
难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个 确定的本征方程形式，这种情况下
传输矩阵法：
传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传
光子晶体的应用及原理
光子晶体的应用及原理1. 光子晶体的概述光子晶体，又称光子晶格，是一种具有周期性介质结构的材料。
其结构可以通过控制折射率或介电常数的分布来实现光子的禁带和光子能级的形成。
光子晶体可以有效地控制光的传播和衍射，因此在光学领域有着广泛的应用。
2. 光子晶体的原理光子晶体的原理基于布拉格衍射理论和克劳修斯-莫塞利拓扑定理。
布拉格衍射理论指出，当入射光与周期性结构的晶格参数相符合时，将会出现衍射现象。
而克劳修斯-莫塞利拓扑定理则描述了光子禁带的形成和光子晶体的特殊光学性质。
通过调控晶格参数和物质的折射率，光子晶体能够产生光子禁带并实现光的定向传输、波导效应等特性。
3. 光子晶体的应用3.1 光子晶体的传感应用光子晶体具有对特定波长的光进行选择性反射或传输的特性，因此可以用于光传感器的制备。
光子晶体传感器能够实现对特定物质的浓度、温度、压力等参数的测量，具有高灵敏度、快速响应和稳定性的优点。
3.2 光子晶体的光学器件应用光子晶体的周期性结构使其具备光学功能，常被用于制备光学滤波器、光学波导、光学反射镜等器件。
光子晶体的光学器件具有高透过率、低损耗和调制性能好的特点，被广泛应用于光通信、激光器、显示器件等领域。
3.3 光子晶体的光学传感应用光子晶体可通过微小结构的调节来实现对自然界中的光学信号的响应。
通过改变晶格参数或替换晶体中的物质，可以实现对光学信号的调控和检测。
光子晶体的光学传感应用在生物医学、环境监测、光子计算等领域具有潜在的应用前景。
3.4 光子晶体的光子学研究光子晶体的结构和光学性质具有很大的可调性，因此被广泛应用于光子学研究中。
通过改变晶体中的物质、形状和晶格参数等因素，可以实现光子禁带的调控、光子缺陷模式的控制以及非线性光学效应的调制等。
光子晶体为理解和探索光子学的基础原理提供了重要的实验平台。
4. 光子晶体的发展趋势随着制备技术的不断发展，光子晶体的结构和性质得到了进一步的优化和调控。
未来，光子晶体有望在光通信、传感器、光电器件等领域发挥更加重要的作用。
光子晶体的特性及制备技术
光子晶体的特性及制备技术光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其结构具有质量影响光的性质。
其基本结构单元是孔隙和介质，用于控制光子的传输。
这种材料的一些特殊属性和结构，以及它被制造出来的方法，使得它在传感、通信、光学和电子学等领域具有广泛的应用。
光子晶体的特性1. 禁带一般来说，光子晶体具有禁带现象，这意味着其光学性质中存在某些范围的光波不能通过。
禁带的位置和宽度可以根据特定的设计进行调整，从而能够在特定的波长范围内控制光传输。
2. 光子导电光子晶体具有极好的光子传输性能。
当光穿过这种材料时，可以选择将光传输到材料的特定部分。
这种选择性传输现象被称为光子导电。
光子导电有助于制造微型光子学元件和光电/光学器件。
3. 玻色凝聚光子晶体可以像溶液一样被受压缩而形成玻色凝聚体。
在这个过程中，通过控制禁带的大小和位置，光可以被压缩到极小的空间中，形成高密度、高度相干的光束。
此外，光子晶体还可以用来制造用于光通信的光学器件，如振荡器和无源筛。
光子晶体的制备技术1. 自组装法自组装法是一种非常有前景的制备光子晶体的方法。
这种方法利用生物有机体化学的特性，通过自组装形成有序介质。
这种方法可以通过简单的化学反应实现。
2. 压印法压印法是一种快速、高效的制备光子晶体的方法。
这种方法利用特殊的麦克斯韦场的影响，在介质表面上形成周期性的结构。
这种方法可以实现大规模生产和低成本制造。
3. 光刻法光刻法是一种利用光学景深和光学栅技术的制备光子晶体的方法。
这种方法可以使用常规光刻技术来制备高质量的介质结构。
同时，这种方法可以结合其它制备技术进行更加复杂的光子晶体结构的制造。
结论光子晶体是一种新型的材料，具有很多有用的特性。
它可以应用于通信、光学、传感器等领域，并且可以通过各种方法进行制备。
这种新型材料的出现，将为光电子学领域带来更广阔的应用前景。
光子晶体材料
光子晶体材料光子晶体材料是一种新型的光学材料，具有优异的光学特性和广泛的应用前景。
本文将介绍光子晶体材料的原理、制备方法和应用领域。
一、光子晶体材料的原理光子晶体材料是一种具有周期性结构的材料，其结构中的周期性阵列会对光波的传播和能带形成产生调控作用。
通过调控光子晶体材料的结构，可以实现对光波的反射、吸收、散射等特性的精确控制。
其基本原理是利用晶格常数与光波波长之间的相互作用，形成能带结构，控制光的传播特性。
二、光子晶体材料的制备方法1. 自组装法：利用溶液中的光子晶体颗粒自发排列形成有序结构。
例如，可以利用胶体颗粒在溶液中的沉降过程，通过调节颗粒浓度、粒径和溶液pH值等参数来实现自组装。
2. 模板法：利用微米或纳米级模板来制备光子晶体材料。
例如，可以利用多孔材料模板或光刻技术制备具有所需结构的光子晶体材料。
3. 非球形颗粒组装法：利用非球形颗粒通过絮凝、沉积或压缩等方式来形成光子晶体材料。
例如，可以利用纳米棒、多面体颗粒等非球形颗粒来制备具有多样化结构的光子晶体材料。
三、光子晶体材料的应用领域1. 光子晶体传感器：由于光子晶体材料对不同波长的光具有高度选择性吸收或散射，因此可以应用于传感器领域。
通过改变光子晶体材料的结构，可以实现对特定化学物质、生物分子等的高灵敏度检测。
2. 光子晶体光伏材料：光子晶体材料对光波的调控能力使其在太阳能电池领域具有广阔应用前景。
通过调节光子晶体材料的能带结构，可以提升光伏转换效率。
3. 光子晶体显示器件：光子晶体材料的结构调控特性使其在显示器件领域具有潜在应用。
通过改变光子晶体材料的结构，可以实现光波的频率调制，从而实现对显示器件的图像增强或色彩调节。
4. 光子晶体光纤：光子晶体材料在光纤领域的应用也具有广泛的前景。
其特殊的光学性质可以实现对光波的调控和传输，提高光纤通信的速率和稳定性。
综上所述，光子晶体材料是一种具有非常广阔应用前景的光学材料。
通过调控光子晶体材料的结构，可以实现对光波的精确控制，从而应用于传感器、光伏材料、显示器件和光纤等领域。
光子晶体的结构和光学特性
光子晶体的结构和光学特性光子晶体，又称为光子带隙材料，是指具有周期性的折射率分布的材料，能够通过控制光子的行为，实现对光的操作和调控。
它的折射率分布几乎彻底地阻止了某些波长的光在材料内的传播。
光子晶体的特殊结构使得它具有独特的光学特性。
首先，光子晶体可以形成光子带隙。
光子带隙是指光子不能通过的频率范围，这就像晶体带隙，阻止电子通过一般，光子带隙也阻止了某些频率的光子通过光子晶体。
其次，光子晶体的禁带宽度取决于材料的周期和折射率差异，可以通过改变材料的周期和折射率等参数来控制光子带隙的宽度和位置。
最后，光子晶体的光学特性还包括正常衍射和负常衍射，以及光子晶体的非线性光学行为等。
光子晶体的结构主要有两种：一是一维光子晶体，它由多层纵向分布的周期性结构组成，其周期和布拉格衍射中的禁带的宽度和位置密切相关；二是三维光子晶体，它是一种由周期性排列的孔洞或球体组成的晶体材料，与一般的立体晶体类似。
与一维光子晶体不同的是，三维光子晶体拥有三个中等禁带和两个大禁带，同时，它可以产生不同的光子能带和非线性光学性质。
光子晶体在实际工业应用中具有广泛的用途。
例如，光子晶体可以作为光学传感器，可以测量物质的折射率变化；它可以用来增强光子定向发射，从而提高光通信的速度；还可以应用于太阳能电池、LED灯、激光器等光电器件的优化设计中，以提高能量转化效率。
除此之外，光子晶体还可以应用于微纳光学器件、光子晶体慢光器、光子晶体超透镜和光子晶体光波导等，这些器件具有极高的性能，有助于提升光学器件的性能和效率。
在未来，随着科技的不断发展和进步，光子晶体的应用将会更加广泛和重要。
人们正在研究和探索光子晶体的新领域和新应用，如光子晶体传感、光子晶体数据传输信道、光子晶体太阳能电池等，这些领域具有广阔的前景和多样的应用需求。
总而言之，光子晶体是一种具有独特结构和光学特性的新型材料，在光电子学、新材料、信息技术等领域中拥有广泛应用前景和巨大的发展潜力。
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1、平面波展开法的二维形式及其应用（2）
(a)
(b)
(a)
(b)
(c)
(d)
(c)
(d)
图（（2bd.））2 正rr==方00..43格aa时 时结的 的构TT能MM带模 模图式 式（能；a带c））图rr==.00.4.3aa时时的的TTEE模模式式；；图（（2bd.））4六rr==边00..形43aa结时时构的的能TTMM带模模图式 式（（ 能a）c带）r图=r=0..04.a3时a时的的TTEE模模式式；；
5
一、引言（1）
2、光子晶体基本特征 （1）带隙特征：
光子禁带是指在一定频率范围内，任何偏振与传播方向 的光都被严格地禁止传播。 （2）光子局域：
如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，将会在光子禁 带中引入新的电磁波模式，与缺陷态频率吻合的光子有可能 被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处，光将迅速衰减。
12
一、引言 （3）
8、本研究的主要内容： 两种方法实验制作和分析表征： （3）合成SiO2微球和PS微球； （4）单一材料的光子晶体薄膜的制备和表征； （5）复杂胶体结构和带有功能缺陷结构的制备和表征； （6）采用高阻抗的硅片，用微加工方法制作太赫兹频域的光子
晶体，并对其光学性能进行分析。 （材料/频率/方法）
10
一、引言（1）
7、光子晶体的应用 （1）光子晶体在光学方面的应用： 光子晶体反射镜、高效率发光二极管、低阈值的激光器、 光子晶体谐振腔、光子晶体波导，等等 （2）光子晶体在微波领域的应用： 微波天线、微波光子晶体传输系统、光子晶体在微波电路中的 应用，等等
11
一、引言 （2）
8、本研究的主要内容： 理论研究：
（1）用平面波展开法，对二维情况下TE模式和TM模式的波矢量 进行了的表征，并对三维情况下的一般矩阵进行推导。用有限时域 差分方法，对电磁场的分布规律和能带分布进行分析。
（2）分别设计了圆弓形和扇面形两种新型散射元，通过禁带计 算，比较两种散射元TE模式和TM模式禁带的不同，其中扇面形又 分成等角扇形和等边扇形。
4、光子晶体的能带
结构 研究对象
本征方程 本征矢 特征
能带形成 原因 尺度
光子晶体
不同介电常数介质的周期分布
电磁波（光）在晶体中的传播 玻色子
2
2m
2
V
(r
) (r )
E(r )
电场强度、磁场强度：矢量
光子禁带 在缺陷处的局域模式
在不同介质分界面出电磁场 相干散射的结果
电磁波（光）波长
半导体
6
一、引言（1）
3、光子晶体的场方程
D
B 0
E
B
H
J
t
D
t
0r
E
0
0
E
H
0
0 H t
H
0
r
0
E
t
0
考虑空间无自由电荷和电流时，
HE00HrrrrEiir000H0rrEr0
0
单色电磁波：
1r
H r
c
2
H
r
Er
icr
H
r
7
一、引言（1）
VW
图2.1 二维正方晶格结构的示意图
（1）TM模式 （2）TE模式
[Gx ]
ITM
0
G
,G
'
EG
',
z
1
0
[k
2 G,
y
]
0G.G'
[Gx ]
ITE
[Gx
]
0 G ,G ' z
1 0
[kG,y ]G,G'[k
G
',
y
]
0 G,G'
[Gx ]
15
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
光子晶体的禁带机理及不同结构晶体薄 膜的制备和光学性质 研究
1
主要内容
一、引言 二、理论研究 三、实验制作和分析表征 四、总结
2
一、引言
3
一、引言（1）
1、光子晶体概念； 2、光子晶体基本特征； 3、光子晶体的场方程； 4、光子晶体的能带； 5、光子晶体的研究方法； 6、光子晶体的制作方法和最新进展； 7、光子晶体的应用。 8、本研究的主要内容。
13
二、理论研究 第二章 平面波展开法和有限时域
差分法及其应用 第三章 光子晶体散射元研究
14
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
1、平面波展开法的二维形式及其应用（1）
光子晶体介电常数的表述：
1 (r)Βιβλιοθήκη (G) Gexp(iG
r
)
(G) 1 1(r ) exp(iG r )d 3r
Frequency (a/2c)
0.6
0.5 0.4
CPWE method PWTMM method
0.3
0.2
0.1
0.0
XT
L U Z
9
一、引言（1）
6、光子晶体的制作方法和最新进展 （1）物理方法称为“由上到下（top-down）”的方法： 传统的机械加工方法、逐层叠加法、光束干涉法、 双(多)光子聚合技术，等等 （2）化学自组装方法为是“由下到上（bottom-up）”的方法： 自然沉淀、电泳辅助沉淀、垂直沉淀等方法。。。
周期性势场
电子的输运行为 费米子
1 (r
)
H
(r
)
c
2
H
(r
)
波函数：标量
电子禁带 缺陷态
在不同势场中电子波相干散射 的结果
原子尺寸
8
一、引言（1）
5、光子晶体的研究方法；
目前主要的光子晶体的理论分析方法有： 平面波展开法 (PWM)、有限差分时域法 (FDTD)、 传输矩阵法 (TMM)、散射矩阵法 (SMM)和N阶法(Order—N)等 。
2、平面波展开法的三维形式及其应用（2）
I12
1
0
[kx ]G,G' [ky ]
0 G ,G '
0 G ,G '
1
0
[kx
]
1 G
,G
'[kx
]
1
0
[ky
]
1 G,G
'[kx
]
I 21
1
0
[kx
][k
y
]
1
0
[ky
]2
0G,G '
1
0
[kx
]2
0G,G '
1
0
[k
y
]
1 G ,G
'[kx
]
17
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
结论：TE/TM不同，能带不同；结构不同，能带不同。 16
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
2、平面波展开法的三维形式及其应用（1）
Ex Ex
I
Ey Hx Hy
k
z
Ey Hx Hy
,
I
I11
I
21
I12
I
22
I11
I 22
[Gz
0
] 0
[Gz
]
4
一、引言（1）
1、光子晶体概念
光子晶体：是折射率（或者说 介电常数）周期变化的材料，这种周期性的变化要求传 输的电磁波波长数量级相当。
1-D
2-D
3-D
periodic in one direction
periodic in two directions
periodic in three directions