光子晶体的制备方法
光纤通信中的光子晶体光纤设计与制备
光纤通信中的光子晶体光纤设计与制备光纤通信是现代通信技术中的重要组成部分，它以光信号的传输为基础，具有高速率、大容量和低损耗等优势。
而在光纤通信系统中，光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）作为一种新型光传输介质，由于其独特的结构和优异的光学性能，受到了广泛的关注与研究。
光子晶体光纤的设计与制备是实现其优异性能的关键。
在设计光子晶体光纤时，首要任务是选择合适的光子晶体结构。
光子晶体结构是指具有周期性调制折射率的光导波结构。
常用的结构包括周期性空气孔径的光子晶体光纤和光子晶体光纤的背腔结构等。
这些结构的设计需要考虑到希望实现的光学性能，例如传输带宽、波导色散特性和波导模式等。
设计合适的光子晶体结构可以在光纤中实现弥散调制、非线性光学和光谱限制等功能。
而在制备光子晶体光纤时，主要有两种方法：传统的拉制法和堆叠法。
拉制法是将预先制备好的光子晶体玻璃棒拉长成光纤的方法。
这种方法需要精确控制光子晶体结构中的孔径大小和填充材料的组成，以实现预期的光学性能。
拉制法制备的光子晶体光纤具有高组织完整性和直径可控性等优点。
而堆叠法是通过将多层光子晶体玻璃片堆叠在一起，再将其熔合成整体光纤的方法。
堆叠法相对较简单，然而由于其制备过程中的不完整性和结晶缺陷，所制备的光纤表现出较高的损耗和波导色散。
在光子晶体光纤的制备过程中，材料选择也是非常重要的一环。
通常，用于制备光子晶体光纤的材料包括玻璃、聚合物和硅等。
玻璃材料在光子晶体光纤制备中具有较好的热稳定性和光学性能，然而其制备工艺复杂且成本较高；聚合物材料则具有较高的制备灵活性和低制备成本，但其热稳定性较差；硅材料则可以通过现代微纳加工技术进行制备，具有优异的光学性能和热稳定性，但其制备工艺较为复杂。
除了设计和制备光子晶体光纤外，其它一些关键问题也值得关注。
例如，对于光子晶体光纤中的非线性效应，如自相位调制和频率倍增等，需要认真研究其对光信号传输的影响。
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三、光子晶体制备
• 光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的乙烯（折 射率为1.59）,理论计算表明由这些材料构成的面心立 方结构的胶体晶体没有光子带隙.对于相对低于空气折 射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成 三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难使 用TiO2来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2有较高的折射 率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2包围的球状空 气空穴.这样就可以形成三维的光子禁带了.但是这种方 法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多 的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用 。
二、光子晶体应用
1.利用光被禁止出现在光子晶体带隙中作面发射的 激光器 • 可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰 好落于光子晶体的禁带之中.由于这些波长的光是 禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射.而如果通 过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允 许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以 用来制备面发射的激光器
光子晶体简介
目录
光子晶体原理
光子晶体应用 光子晶体制备
一、光子晶体原理
• 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我 们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性 的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.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衍射, 从而形成能带结构,带与带之间可能存在带隙.电子波的 能量如果落在带隙中,就无法继续传播。 • 与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了 光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中 的运动.光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性 的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。
3.制备低阈值的激光器
• 当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷 模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭 而被扩增. • 在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而 形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射 从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集 中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收 而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄波 长范围内的激光发射器.
ZnO光子晶体的制备和光学特征
[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2007,23(11)：1667-1670November Received:June 29,2007;Revised:July 19,2007;Published on Web:September 6,2007.∗Corresponding author.Email:qfzhang@;Tel:+8610⁃62761333.国家自然科学基金(60471007,90406024,50672002)资助项目ⒸEditorial office of Acta Physico ⁃Chimica SinicaZnO 光子晶体的制备和光学特征王全张琦锋∗孙晖张俊艳邓天松吴锦雷(北京大学信息科学技术学院,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京100871)摘要：通过制备过程中严格分离晶核的形成和生长两步骤,成功获取了直径一致的单分散ZnO 胶体球,并通过控制晶核的数量来调节胶体球大小.利用扫描电子显微镜和X 射线衍射仪对其进行了结构和成分表征.通过加热条件下的重力场自组装,把ZnO 单分散胶体球的浓缩液滴到140℃下的各种不同的基底上,随着溶剂蒸发,胶体球自组装成光子晶体,最后测量了光子晶体的光透过率,胶体球直径为220、250nm 的光子晶体分别具有对应着中心波长为460、540nm 的光子带隙.关键词：ZnO;光子晶体;光子带隙中图分类号：O648;O433Growth and Optical Characteristics of ZnO Photonic CrystalsWANG QuanZHANG Qi ⁃Feng ∗SUN Hui ZHANG Jun ⁃Yan DENG Tian ⁃Song WU Jin ⁃Lei(Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices of the Ministry of Education,School ofElectronic Engineering and Computer Science,Peking University,Beijing 100871,P.R.China )Abstract ：Monodispersed ZnO spheres were produced by strictly isolating the formation and growth of crystal nuclear,and the sphere diameters were controlled by varying the amount of the crystal nuclear.Photonic crystals (PCs)were produced from ZnO spheres by using a kind of sedimentation self ⁃assembly process.The concentrated reaction solution was dropped onto a substrate typically at 140℃,and as the solvent evaporated,the particles spontaneously assembled into periodic structures.By measuring the normal ⁃incidence transmission spectra,the photonic band gap (PBG)of our periodic structures was observed,the PCs assembled by monodisperse ZnO spheres with diameters of 220and 250nm corresponded to the PBG with the center wavelengths of 460and 540nm,respectively.Key Words ：ZnO;Photonic crystal;Photonic band gap自从1987年Yablonovitch [1]和John [2]分别提出“光子晶体”的概念以来,光子晶体就因其可能具有的各种优良的性能,一直成为人们关注的热点[3].光子晶体是一种具有周期性介电常数、内部结构成周期有序排列的晶体,因为光子晶体使在其中传播的光受到周期性介质的调制而具有光子禁带.光子禁带的存在使频率在禁带范围内的入射电磁波无法从光子晶体中出射,这使得光子晶体在光电子领域内具有巨大的应用潜力,光子晶体在光反射镜、光波导、光子晶体光纤、光开关、低阈值激光器和发光二极管等[4-9]领域都已经有了一些应用,但要实现大规模的实用化,还需要宏观大范围光子晶体制备技术的突飞猛进.目前国际上研究光子晶体的理论性文章较多,而实验性文章较少,这是由于光子晶体的制备较困难,光子带隙的实验结果还不够理想.光子晶体的制备主要有两大类方法:微加工和自组装[10-14].微加工方法不仅复杂,成本高,而且对实验室的软硬件都有很高的要求,相对于微加工方法,自组装方法则相对简单和快速.通过将单分散的胶体粒子自组装而形成三维光子晶体,其具有与天然蛋白石相同1667Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23的立方密堆积结构,被称为人工蛋白石.在光子晶体自组装领域,由于对材料本身的透光性能,以及材料纳米单分散胶体粒子的合成都有比较严格的要求,因而目前只有少数几种材料被应用于光子晶体的自组装制备,如二氧化硅(SiO2)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和硫化锌(ZnS)等[15-19].为了使得光子晶体的研究能够更快更深入地发展,找到更多合适的材料是一个需要尽快解决的问题,关于二氧化钛(TiO2)、硒(Se)、硫酸钡(BaSO4)等材料单分散胶体球合成的研究已有报道[20,21].氧化锌(ZnO)是一种优良的宽禁带半导体,相对于二氧化硅、聚苯乙烯(折射率都约为1.5),ZnO具有相对更高的折射率(约为2.1-2.2),并且它的其它光学性能也很优良,目前关于氧化锌在光子晶体中的研究的相关报道还较少[22],因此对于ZnO在光子晶体方面的研究将是一件很有意义的事情.本文将讨论单分散ZnO纳米胶体球的制备及其自组装,并测量了ZnO光子晶体的光学特性曲线.1实验在设计胶体球制备实验时,把获取单分散(即直径大小一致)的纳米小球作为首要任务,为此设计了如下两个步骤的制备方法:第一步,把0.01mol的醋酸锌(Zn(CH3COO)2)·2H2O)和100mL一缩二乙二醇(diethyleneglycol,DEG)混合,在冷凝回流装置中加热到160℃,持续加热并搅拌1h后冷却至室温,将获得的胶体溶液在离心机中作离心处理后,提取上层清液并保留以备下一步使用;第二步,配置一份跟第一步一样的溶液,在冷凝回流装置中加热到140℃时,根据需要加入适量的第一步骤中回收的清液,然后继续加热到160℃,在此温度下持续加热并搅拌1h,得到胶体球悬浊液.在用ZnO胶体球制备光子晶体时,采用改进了的加热条件下重力场自组装法.即在低于溶液成核反应温度的140℃下,先加热浓缩ZnO纳米胶体球悬浊液,然后把获得的浓缩液滴到140℃的石英或者硅基底上,在溶剂缓慢蒸发的过程中,ZnO胶体球在基底上完成自组装.使用PHILIPS公司生产的XL30SFEG扫描电子显微镜(SEM)进行光子晶体的形貌扫描及EDX 能谱分析,使用DMAX⁃2400X射线衍射仪(XRD)进行晶体结构分析,利用经实验室改装的HITACHI 公司生产的F⁃4500荧光光度分光计测量光子晶体的光学特性曲线.2结果与分析在ZnO胶体球制备的第一步骤中,当醋酸锌和一缩二乙二醇的混合悬浊液在搅拌情况下被加热到135℃时,醋酸锌逐渐全部溶解,继续加热到145℃左右时,透明溶液开始变色,随着温度的继续升高,逐渐变成乳白的浑浊液,也即溶液中的醋酸锌和一缩二乙二醇开始反应,不断形成ZnO晶核,并在此基础上开始生长.在第二步骤中,当溶液温度达到140℃时加入清液后,溶液立即由透明变成浑浊液,而不需要温度升高到145℃才发生反应,在继续加热到160℃的过程中,溶液慢慢变成乳白色悬浊液.图1是胶体球制备实验中第一步骤所获得胶体球的SEM图像,胶体球大小不一,是多分散的.从晶体的生长理论可知,在晶体形成的过程中会经历晶核生成和晶核生长两个过程.在第二个过程中,若使用了籽晶,则不存在成核的过程[23],会直接在籽晶基础上开始生长.在本实验中,通过把胶体球制备实验过程分为两个步骤,从而把ZnO胶体球的成核和生长过程分离,这是我们最终获得单分散ZnO胶体球的关键.在实验的第一步骤中,当溶液温度达到145℃后的1个多小时的反应过程中, ZnO晶核的形成和生长都是同时持续发生,使得不同胶体球之间的生长时间不同,因此反应获得的胶体球是多分散的.但通过在第一步骤中分离出清液从而取得晶核(即籽晶),在第二步骤的加热过程中严格地监控溶液温度,在溶液达到反应温度之前的140℃时加入清液来提供胶体球生长所需晶核,使第二步骤中不再发生晶核的生成,并且让清液提供的晶核同时同速进行生长,以保证生长后得到直径一致的胶体球.使用这种两步骤方法还具有另一个优点,可以通过控制加入清液的量来控制晶核的数图1多分散的ZnO胶体球的SEM图像Fig.1SEM image of polydisperse ZnO colloidal spheres1668No.11王全等：ZnO 光子晶体的制备和光学特征量,进而达到粗略地控制在第二步骤中获得的单分散ZnO 胶体球直径大小的目的,可以在200-650nm 范围内获得直径一致的单分散胶体球样品.使用离心机在4000r ·min -1的转速下对第一步骤所获得的胶体球悬浊液进行离心处理约3h,把获取的上层清液12、7、5l 、3mL 分别加入第二步骤中,获得的胶体球,直径依次为220、440、500和650nm.在制备纳米胶体球后,对其进行了EDX 能谱分析,其结果如图2所示,证明使用该方法所获取的材料确实是由Zn 和O 元素组成,但存在一定的氧缺位.XRD 测量结果如图3所示,其与ZnO 纤锌矿结构的标准XRD 谱一致,说明ZnO 胶体球具有纤锌矿结构.在ZnO 胶体球自组装成光子晶体时,因为醋酸锌和一缩二乙二醇反应后所得的溶剂并不能对各种基底(硅片、石英玻璃等)形成很好的浸润,在溶剂蒸发的过程中胶体球会由于溶剂表面的不断缩小而使胶体球被附带着聚集到基底上的一个很小的区域,不利于光学性质的测量,所以在使用ZnO 胶体球组装光子晶体时,所用的方法与传统重力场下的自组装有所不同.在将ZnO 胶体球悬浊液用于自组装之前,先把悬浊液进行浓缩处理,随着胶体球浓度的增大,在把浓缩液滴到140益的基底上进行自组装时,由于基底上胶体球的数量与浓缩前进行自组装相比大大增加,大量胶体球之间及其与基底之间存在的相互作用将使溶剂蒸发时表面力对胶体球的影响被削弱,溶剂蒸发时表面力造成胶体球集聚到基底表面一个微小区域的情况不再发生,而在整片基底上都能均匀沉积并自组装成有序结构.胶体球制备实验中第二步骤所获得的胶体球如图4所示,胶体球的大小一致,是单分散胶体球.图4为用扫描电子显微镜获得的胶体球自组装结果的形貌像,从图中可图2ZnO 胶体球的EDX 能谱图Fig.2EDX pattern of ZnO colloidalspheres图3ZnO 胶体球的XRD 谱Fig.3XRD pattern of ZnO colloidalspheres图4ZnO 光子晶体的SEM 图像Fig.4SEM image of ZnO photonic crystals图5不同直径胶体球光子晶体的透射谱Fig.5Transmission spectra for ZnO photonic crystals with various sizescolloidal spheres diameter (d ):(a)220nm,(b)250nm(a)(b)1669Acta Phys.⁃Chim.Sin.,2007Vol.23以看出,ZnO胶体球自组装成蛋白石结构.当光入射到光子晶体中时,将受到三维周期性胶体球阵列的散射.在蛋白石结构的光子晶体中, Bragg散射理论可表达为下式[24,25]:λ=2×0.816d n2-sin2θ姨(1)式中,λ为带隙中心波长,n为晶体的有效折射率,d 为胶体球的直径,θ为入射光路与光子晶体表面法向之间的夹角.在光作垂直入射时,θ=0,公式(1)就简化为下式:λ=2×0.816dn(2)由(2)式可知,光子带隙中心波长是与胶体球的直径相关的,随着胶体球直径的增大而增加.对获得的蛋白石结构光子晶体进行了垂直入射光透射谱测量,结果如图5所示.胶体球直径为220、250nm的光子晶体分别具有对应着中心波长为460、540nm的光子带隙,实验结果与此相符合.3结论把ZnO胶体球的制备实验严格分为晶核形成和晶核生长两个步骤,获得了单分散(直径一致)胶体球,并通过控制第二步骤中加入晶核的数量来控制胶体球的大小,获得了直径大小在200-650nm范围的单分散胶体球.使用在140℃下加热蒸发单分散ZnO胶体球浓缩液的方法,在不同基底上获得ZnO光子晶体,通过调节胶体球的大小来控制光子晶体的带隙位置,胶体球直径为220、250nm的光子晶体分别具有对应着中心波长为460、540nm的光子带隙.References1Yablonovitch,E.Phys.Rev.Lett.,1987,58(20):20592John,S.Phys.Rev.Lett.,1987,58(23):24863Busch,K.;Lolkes,S.;Wehrspohn,R.B.;Foll,H.Photoniccrystals:Advances in design,fabrication,and characterization.Berlin:WILEY⁃VCH,2004:1324Nelson,R.L.;Haus,J.W.Appl.Phys.Lett.,2003,83(6):10895Fan,S.Phys.Rev.Lett.,1997,78(17):32946Knight,J.C.;Broeng,J.;Birks,T.A.Science,1998,282:14767Reese,E.C.;Mikhonin,A.V.;Kamenjicki,M.;Tikhonov,A.;Asher,A.S.J.Am.Chem.Soc.,2004,126:14938Sinitskii,A.S.;Kont′ko,A.V.Tretyakov,Y.D.Solid State Ionics, 2004,172:24779Liu,J.G.;Kai,G.Y.;Xue,L.F.;Zhang,C.S.;Liu,Y.G.;Wang, Z.;Guo,H.L.;Li,Y.;Sun,T.T.;Yuan,S.Z.;Dong,X.Y.Acta Physica Sinica,2007,56(2):941[刘建国,开桂云,薛立芳,张春书,刘艳格,王志,郭宏雷,李燕,孙婷婷,袁树忠,董孝义.物理学报,2007,56(2):941]10Zhong,Y.C.;Zhu,S.A.;Wang,H.Z.;Zeng,Z.H.;Chen,Y.L.Acta Physica Sinica,2006,55(2):688[钟永春,朱少安,汪河洲,曾兆华,陈用烈.物理学报,2006,55(2):688]11Wang,C.Y.;Qian,D.X.Mater.Rev.,2006,4:11[汪晨怿,钱达兴.材料导报,2006,4:11]12Charlton,M.D.B.;Roberts,S.W.;Parker,G.J.Mater.Sci.Eng.B,1997,49:15513Longcar,M.;Nedeljkovic,D.;Pearsall,T.P.;Vuckovic,J.;Scherer,A.;Kuchinsky,S.;Allan,D.C.Appl.Phys.Lett.,2002,80(10):168914Shi,J.P.;Chen,X.N.;Zhang,X.Y.;Zhang,L.;An,W.J.;Qin,T.Micronanoelectronic Technology,2004,1:10[石建平,陈旭南,张小玉,张磊,安卫军,秦涛.微纳电子技术,2004,1:10] 15Bogush,G.H.;Zukoski,C.F.J.Colloid Interface Sci.,1991,142: 1916Yu,J.G.;Zhao,L.;Cheng,B.J.J.Solid State Chem.,2006,179: 22617Kim,J.H.;Chainey,M.;El⁃Aasser,M.S.;Vanderhoff,J.W.J.Polym.Sci.A:Polym.Chem.,1989,27:318718Zou,D.;Ma,S.;Guan,R.;Park,M.;Sun,L.;Aklonis,J.J.;Salovey,R.J.Polym.Sci.A:Polym.Chem.,1992,30:13719Cao,J.M.;Chang,X.;Zheng,M.B.;Huang,H.B.;Ji,H.M.;Liu, J.S.;Ke,X.F.Acta Phys.⁃Chim.Sin.,2005,21(5):560[曹洁明,常欣,郑明波,黄海宾,季红梅,刘劲松,柯行飞.物理化学学报,2005,21(5):560]20Jeong,U.;Wang,Y.L.;Ibisate,M.;Xia,Y.N.Adv.Funct.Mater., 2005,15:190721Zhao,X.F.;Yu,J.G.;Tang,H.;Lin,J.J.Colloid Interface Sci., 2007,311:8922Xie,J.;Deng,H.;Xu,Z.Q.;Li,Y.;Huang,J.J.Crystal Growth, 2006,292:22723Min,N.B.The physical basic of crystal growth.Shanghai:Shang⁃hai Scientific and Technical Press,1982:339-340[闵乃本.晶体生长的物理基础.上海:上海科学技术出版社,1982:339-340] 24Chang,X.;Cao,J.M.;Ji,H.M.;Fang,B.Q.;Feng,J.;Pan,L.J.;Zhang,F.;Wang,H.Y.Mater.Chem.Phys.,2005,89:625Park,S.H.;Xia,ngmuir,1999,15:2661670。
《光子晶体》课件
2 光刻技术
利用光刻技术在材料上 制造微细结构，形成光 子晶体的周期性结构。
3 多晶体堆叠
将多个具有不同周期性 的光子晶体堆叠在一起， 实现更复杂的光子晶体 结构。
光子晶体在光学器件中的应用
光学滤波器
利用光子晶体的能隙特性，制作用于波长选择性滤波的光学器件。
光学波导
将光子晶体结构引导和限制光束的传播路径，实现高效率的光学波导器件。
总结和展望
光子晶体作为一种具有周期性电介质结构的材料，具有广泛的应用前景。未 来，随着技术的进步和研究的深入，光子晶体将在光学领域发挥更重要的作 用。
光子带隙
光子晶体中的周期性结构导致 能隙的出现，使得特定波长的 光波无法传播，从而实现对光 的波长过滤和光学调制。
光束限制
光子晶体可以通过调整结构和 原材料的属性，使光束在特定 方向和模式下被限制和引导， 实现光的高度定向传输。
光子晶体的应用领域
1
光子芯片
2
光子晶体可用于制造微型光子芯片，
实现集成光学元件和光电子器件，为
电子芯片提供高速和低能耗的替代方
3
案。
光通信
光子晶体可用于制造光纤耦合器、波 分复用器、光开关等器件，提高光通 信的带宽和传输速率。
光传感器
光子晶体可用于制造高灵敏度光传感 器，用于环境监测、光学成像和生物 医学应用。
光子晶体的制备方法
1 自组装
通过控制材料的自组装 过程，制备具有周期性 结构的光子晶体。
激光器
通过在光子晶体材料中引入激光介质，制造高质量和高效率的激光器。
光子晶体的未来发展趋势
1
Hale Waihona Puke 超材料结合结合光子晶体与其他类似光学材料如金属和二维材料，构筑功能更强大的光学器 件。
光子晶体
Opal
Sea mouse
什么是光子晶体
在半导体材料中由于周期势场的 的作用，电子会形成能带结构，带和 带之间（如价带和导带）有能隙，电 子波的能量如果落在带隙中，传播是 被禁止的。 光子的情况与此类似。如果将具 有不同介电常数的介质材料在空间按 一定的周期排列，由于存在周期性， 在其中传播的光波的色散曲线将成带 状结构，带和带之间可能会出现类似 的半导体带隙的“光子带隙”，频率 落在带隙中的光是被禁止传播的（图 1），我们将由于存在光子带隙而对频 率有选择性的周期性介质结构称为光 子晶体。
' r
c
2
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体的量子理论 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
应用
光子晶体光纤 高效率发光二极管 微波天线 在电子计算机技术中的运用 手机辐射保护 低阈值激光发射器 光子晶体波导 光子晶体滤波器 光子晶体谐振腔 高性能反射镜
光子晶体
2013.11.21
目录
1 3 2
光子晶体的简介 光子晶体的量子理论
3 4
光子晶体的应用
光子晶体的未来与展望
光子晶体
光子晶体(Photonic Crystal)是一种在微 米、亚微米等光波长的量级上折射率呈 现周期性变化的介质材料
光子晶体
光子晶体--自然界中的例子
Butterfly
自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月 翻一番的速度增长，然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几 年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。 要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，就必须减少电信 号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元 件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分 惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。
光子晶体的研究及其应用
光子晶体的研究及其应用【摘要】光子晶体是80年代末提出的新概念和新材料.本文简单叙述了光子晶体及其理论研究，并重点阐述了光子晶体的制备及其应用。
【关键词】光子晶体；周期性结构；介电材料；光子禁带；光子局域；光子晶体光纤1 关于光子晶体的理论研究由于光子晶体结构与普通晶体结构的类似，普通晶体的许多概念被移植到光子晶体的研究里，如能带、带隙、能态密度等。
电子能带的许多处理方法也被延伸用于处理光子能带。
继yablonovith 和john 的开创性工作不久，有些人就尝试按照电子能带计算的各种方法，如利用薛定谔方程来计算光子能带，但结论与试验结果不符。
这是因为电子自旋为1/ 2 的费米子，是标波量，而光波是自旋为1 的玻色子，是矢波量。
因此，必须从麦克斯韦方程组出发，在矢量波理论的框架里计算光子晶体的能带结构。
平面波展开的方法是在光子晶体能带研究中使用的较早也用得最多的一种方法，虽然该方法有效地揭示光子晶体中的能带结构，但是不能与实验测量直接对应，后来人们又采用了转移矩阵法等计算光子晶体的能带结构和透射系数，下面分别进行阐述。
1.1平面波法1990 年，美国的何启明、陈子亭和soukoulish 小组便是利用平面波法第一个成功地预言了在一种具有金刚石结构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带，禁带出现在第二条和第三条能带之间。
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，求解的本征值便得到传播光子的本征频率。
但是这种方法有明显的缺点：计算量几乎正比于所用平面波数的立方，因而受到严格的约束，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，会因计算能力的限制而不能计算或难以准确计算。
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，展开中可能出现发散，导致根本无法求解。
1.2 差分或有限差分法该方法是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。
高纯二氧化硒的光子晶体结构设计与制备方法研究
高纯二氧化硒的光子晶体结构设计与制备方法研究摘要：光子晶体（Photonic Crystal，PC）是一种具有周期性介质结构的材料，可以在特定的波长范围内对光进行完全的禁带，具有广泛的应用潜力。
本文以高纯二氧化硒为研究对象，探讨了其光子晶体结构设计与制备方法，从而为二氧化硒在光电子器件中的应用提供了理论指导和实验基础。
一、引言二氧化硒是一种光学特性优异的材料，具有宽带隙、高折射率、较大的非线性系数等优点。
然而，由于其结构特殊，支撑晶体结构的硒原子存在着亚稳态，制备高纯度的二氧化硒晶体是一项挑战。
光子晶体结构在二氧化硒的研究中有着重要的意义，可以实现对其光子禁带特性的调控，进而改善其光学性能。
二、光子晶体结构设计1. 结构类型选择在光子晶体的设计中，首先需要选择合适的结构类型。
针对高纯二氧化硒材料的特性，常见的结构类型包括等离子体结构、多层膜结构、球形微粒结构等。
通过对不同结构类型进行对比分析和模拟计算，选取最适合实验制备的结构类型。
2. 结构参数优化对选择的结构类型进行参数优化可以进一步提高光子晶体的性能。
例如，在球形微粒结构中，可以优化微粒的直径和间距，控制光子晶体的禁带宽度和传输特性。
利用数值模拟方法，通过调整参数来优化结构，在保持材料特性不变的前提下，使光子晶体能在特定的波长范围内实现完全的禁带。
三、高纯二氧化硒的制备方法1. 比例控制合成高纯二氧化硒材料的制备首先要保证材料的纯度，可以通过比例控制合成来实现。
在合成过程中，控制硒原料的比例、反应温度和反应时间等参数，确保反应产物的纯度。
同时，可以添加一定比例的形成剂，提高二氧化硒晶体的形成速率和晶体质量。
2. 晶体生长控制晶体生长是高纯二氧化硒制备过程中的关键环节，可以通过控制溶液的浓度、温度、pH值等参数来实现。
提高溶液饱和度可以促进晶体生长，通过调节溶液的浓度可以控制晶体尺寸和形态。
此外，控制溶液的温度和pH值可以调控晶体生长速率和晶体结构。
物理实验技术使用中如何进行光子晶体实验
物理实验技术使用中如何进行光子晶体实验光子晶体是一种由周期性的折射率材料组成的结构，它可以控制光波的传播与调控光的性质。
光子晶体在光电子学和光学领域具有广泛应用，如光传输、光子集成电路、光感应器等。
然而，要进行光子晶体实验需要一系列的实验技术和设备。
本文将介绍在物理实验中，如何进行光子晶体实验的基本步骤和相关技术。
1. 材料准备在进行光子晶体实验之前，首先需要准备合适的材料。
光子晶体一般由具有周期性折射率变化的介质构成，如二维或三维周期性排列的微小球体。
常用的材料有聚合物、硅胶等。
根据实验要求选择合适的材料，并保证其制备过程和质量控制。
2. 设计与制备根据实验需要，设计合适的光子晶体结构并制备。
这需要一定的物理光学知识和一系列的实验技术。
通常，光子晶体的制备包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的方法，通过控制溶胶中微小球的浓度和大小，调控光子晶体的周期性结构。
3. 光学透过率测量在进行光子晶体实验之前，需要对其光学透过率进行测量。
光学透过率是指光线经过光子晶体后的透射率。
这可以通过使用激光等光源，将光线照射到光子晶体上，并使用光学测量设备进行测量。
通过测量光的透过率，可以评估光子晶体的性能和效果。
4. 光子晶体光学特性测量光子晶体的光学特性是进行实验研究的重要指标。
常见的光学特性测量包括布拉格散射和透射光谱测量。
布拉格散射是指当光线照射到光子晶体时，由于折射率的周期性变化，会出现特定的散射峰。
通过测量散射峰的位置和强度，可以了解光子晶体的结构和光学性能。
透射光谱测量则是指将光线透过光子晶体后，测量透过光的波长和强度。
这些测量需要使用光谱仪等仪器设备来完成。
5. 光子晶体应用研究光子晶体的应用研究广泛涉及光学器件、传感器、光电子学等领域。
在进行光子晶体实验之后，可以根据实验数据和结果，进一步进行相关应用的研究。
例如，通过改变光子晶体的结构和材料，探索其在光电子器件中的应用潜力。
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光子晶体的制备方法
作者：杨洋许丽萍
来源：《硅谷》2012年第06期
摘要：光子晶体是周期性的电介质结构，这种结构具有光子禁带，具有光子带隙是其最根本的特征。
介绍制备光子晶体的主要方法：机械打孔法、层层堆积法、胶体自组装法、激光全息干涉法。
关键词：光子晶体；光子带隙层层堆积；自组织；激光全息
中图分类号：TQ文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0320034－01
0 引言
随着科技的迅猛发展，各种晶体材料和晶体器件已广泛地应用于电子，激光、红外、超声以及其它科学技术领域。
由于信息量爆炸式地增长和器件的进一步小型化和高度集成化，当芯片达到经典尺寸的极限时，电子间会存在库仑力，受量子效应的影响很明显，电子间的相互作用力会引起能量损耗，大大降低集成电路的性能。
如果以光子作为信息的载体，对信息的传输速度会很快且携带信息量大。
光子晶体是周期性的、长程有序的电介质结构。
光子晶体在自然界中也是普遍存在的，例如蝴蝶翅膀、彩色蛋白石和深海老鼠身上的毛。
它们在不同角度反射不同波长的光。
但是在科学技术应用中，我们需要的光子晶体必须是周期性的电介质结构，而且为了得到光子带隙，就要使其介电常数和周围介质介电常数存在很大的差异，所以用于实验的光子晶体必须是人工制备的。
一般采用一种介质周期性结构和另一种介电系数不同的介质相互排列。
现在，光子晶体的制备主要借鉴硅微电子技术。
下面本文对于光子晶体的制作方法进行介绍说明。
1 机械打孔法
1991年，Yablonovitch[1]第一次用机械打孔法得到微波波段的光子带隙，在砷化镓基片材料上制备出面心立方光子晶体，由于这种带隙与传播方向无关，这也首次证明了完全光子带隙的存在。
具体制作方法是在砷化镓基体表面覆盖掩模板，沿三个方向在GaAs上向里打出排列规则的空气孔，再对每个圆孔角度相差的120度，偏向35度位置三个方向打孔。
最后得到一个如图1具有完全光子带隙的三维光子晶体。
由于受刻蚀精度的限制，制备可见光和红外波段的三维光子晶体，还存在巨大的挑战。
图1面心立方结构晶格三维光子晶体制备示意图
2 层层堆积法（layer-by-layer）[2]
制作三维光子晶体的方法，最简单的是层层堆积法，即把许多片状的二维周期性结构叠加成三维光子晶体，基本组成单元是一维介电柱。
这种方法是E.Ozbay等人提出来的。
这种结构被称为“木柴垛结构”，像堆积木一样，先堆好一层，再按一定规则堆第二层，依次堆下去，最后得到一定结构的三维光子晶体。
其中每一层的一维介质柱都平行排列，相互间距为a；第二层介质柱与第一层介质柱夹角为90；单数层的排列是一样的，双数层的排列是一样的，但是第三层与第一层位移差了a/2；第四层和第二层也也位移了a/2；第五层与第一层继续重复。
实验上第一次用氧化铝做出了这种结构，光子带隙在12-14GHz波段。
这种三维光子晶体是具有面心四面对称性的全方位光子带隙，其相邻两层有60到90度的角度变化。
可以用离子束刻蚀、分子束外延以及气相沉积等手段来实现。
原则上这种层层堆积方法来制造三维光子晶体很可行，但是这种方法制作也有它的缺点，工艺繁琐，所以不适用大规模生产，成本也很高。
当光子晶体结构的周期降到亚微米后，会受到现有半导体工艺技术的限制，所以用这种制备法来制作光学波段的三维光子晶体挑战还是很大的。
3 胶体自组织法
由于光子晶体在各个方向上都具有对称性，用物理打孔的方法很难在纳米尺度下加工出复杂结构的三维光子晶体。
胶体自组装法可以控制纳米粒子的堆积方式，从而实现红外波段和周期可见光的三维周期结构，制备的方法比较简单。
蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体，典型的方法是用二氧化硅排列为三维面心立方结构，并由可见光布拉格衍射产生出特有的颜色。
天然的蛋白石是一种宝石。
二氧化硅胶体在重力场作用下，在悬浮液中能自发排列成有序的周期性结构，通过干燥后成为合成蛋白石，它由数百个纳米的二氧化硅胶体颗粒有序排列在三维空间内而成的。
现在主要有电泳法、诱导有序化法、场、自然沉降法、离心沉积法和强制有序化法等[3]，溶液中当颗粒浓度和电荷密度合适的情况下，表面带有电荷的胶体颗粒，经
过静电力的相互作用，小球自组织生长成周期性结构，从而形成胶体晶体。
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。
若所占体积分数较低时，倾向于体心立方（BCC）点阵堆积，晶体的密排面和器壁表面相互平行；若胶粒所占体积分数比较高时，胶体的悬浮颗粒就以面心立方（FCC）点阵堆积。
4 激光全息干涉法
激光全息干涉法是利用了激光在光阻掩模板上刻蚀的方法。
它是利用多光栅光束同步激光在空间产生很好的周期性，周期长度可以调节。
这种方法刻蚀面积大，能产生三维的空间周期结构。
Berger等首次应用三个光栅的激光在硅片上形成了二维的六角周期结构光子晶体[4]。
I.B.Divliansky应用激光干涉法制备出三维光子晶体。
2001年，Kondo等人研制出制作光子晶
体的一套适合多束激光脉冲干涉的光学装置，该装置可随意地改变干涉光束数而制做出一、二、三维光子晶体。
总之，利用多束激光干涉法很容易制备大面积且具有一定厚度的三维光子晶体，这是其他方法不容易做到的。
这样可以使周期性干涉图样和相干激光的波长在数量级保持一致，同时改变激光光束的传播方向、偏振和数量，使三维形状的尺寸和结构发生变化，从而得到各不同的对称结构。
所以用激光全息干涉法制作出的光子晶体涵盖的所有光波波长的范围，从而满足了人们生产研究的需要。
5 结论
现在光子晶体制备技术在实验中已经逐渐成熟，光子晶体将在下一轮信息技术革命中有非常广阔的应用前景。
参考文献：
[1]Yablonovitch E,Leung K M. Photonic band-gap structures. Phys.Rev.Lett. 1991,67:2295-2298.
[2]Knight J C,Birks T A. All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding. Optics Letters.1996,21:1547-1549.。