光子晶體的應用

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1、光子晶體的應用引言光子晶體是隨人們對光控制的需求應運而生的，也是現(xiàn)代通信發(fā)展的需要。在過去的幾十年旱，半導體技術在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾慕巧，F(xiàn)代高科技的發(fā)展要求集成電路微型化和高速化，但是微型化將導致電阻增加和更高的能量損耗：高速則導致對信號同步化的敏感性。為提高集成密度和系統(tǒng)的性能，科學家把目光從電子轉(zhuǎn)向了光子。與電子相比，光子的優(yōu)點是：高速、大容量、低損耗；缺點是：傳統(tǒng)光學對光的控制主要依賴于全內(nèi)反射原理，但與波長相比，高低折射率的介質(zhì)界面必須足夠大，因此限制了光學器件的微型化。依靠傳統(tǒng)的介質(zhì)材料，設計～個類似電子晶體管那樣的小

2、的光學器件是非常困難的。光子晶體則提供了一種完全不同的對光的控制原理，這種對光予的操控能力，為光子器件提供了新的發(fā)展空間。目前科學家正嘗試用光子取代電子作作為訊息載體，希望解決此類的問題。1.光子晶體簡介1．1光子晶體的由來與概念光子晶體是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分別獨立提出，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構。由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，引起空間折射率的周期變化，當介電系數(shù)的變化足夠大且變化周期與光波長相當時，光波的色散關系出現(xiàn)帶狀結(jié)構，此即光子能帶結(jié)構(PhotonicBandstru

3、ctures)。這些被禁止的頻率區(qū)間稱為“光子頻率帶隙”(PhotonicBandGap，PBG)，頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴格禁止傳播的。我們將具有“光子頻率帶隙”的周期性介電結(jié)構稱作為光子晶體。特別需要指出的是，介電常數(shù)周期性排列的方向并不等同于帶隙出現(xiàn)的方向，在一維光子晶體和二維光子晶體中，也有可能出現(xiàn)全方位的三維帶隙結(jié)構。光子晶體這一概念最初是從控制光的自發(fā)輻射角度提出來的。光的自發(fā)輻射是激發(fā)態(tài)原子躍遷至較低能級，并以光輻射的形式釋放出能量的一種現(xiàn)象。1987年Yablonovitch[”指出，折射率在三維空間以^／2為周

4、期的變化，會導致在波長五附近，對所有傳播方向的電磁波存在一個共同的禁帶，就像晶體中的電子具有能量禁帶一樣。由于光子和原子問的耦合與原子的始末狀態(tài)密度有關。如果電磁波的帶隙與電子能帶帶邊重疊，那么電子、空穴的輻射復合就會因狀態(tài)密度的減少而被強烈的抑制，介質(zhì)結(jié)構在理論上講是沒有損耗的，這種抑制將會比金屬波導更為徹底。據(jù)此，可以設計一些特殊的介質(zhì)結(jié)構，按照需要來“剪裁”電磁波的色散關系，使電磁波的狀態(tài)密度適當?shù)帽粔嚎s或增加，甚至使某些狀態(tài)密度為零，相應器件的模式就能得到控制，以滿足器件工作的要求。與一般的晶體相類比，把具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材

5、料在空間按一定周期排列起來構筑光子晶體，使其中的光子具有與自然晶體中電子相類似的行為，這種具有周期性介質(zhì)結(jié)構的晶體就稱為光子晶體(PhotonicCrystal，PC)。圖1．1．1為抽象的光子晶體的結(jié)構示意圖。其中可以明顯看到光子晶體中的周期性結(jié)構。根據(jù)布洛赫定理，光子晶體的這種周期性將會使電磁波的色散關系結(jié)成帶狀結(jié)構，帶與帶之間有可能會出現(xiàn)類似于半導體里的禁帶，即“光子禁帶”(PhotonicBandGap，PB6)。如果只在一個方向上具有周期性，光子禁帶就只能出現(xiàn)在這個方向上；如果存在三維的周期性結(jié)構，在合適的參數(shù)與結(jié)構下，這種人

6、造的晶體會具有所有方向的完全光子帶隙，只要光子的頻率在此范圍，不論它的傳播方向如何，它在光子晶體中的傳播都將被禁止。這樣，光子晶體不僅可以控制光的自發(fā)輻射，也可以控制光子的傳播行為。1．2光子晶體的特征光子晶體外觀上的直接特征就是結(jié)構的周期性，從理論上來講，這種周期性就是指出了光子晶體最根本的特征是具有光子能帶，在具有完全禁帶的光子晶體中，落在禁帶中的光子是被禁止傳播的。當原子被放在一個光子晶體里，它的自發(fā)輻射頻率正好落在光子禁帶中，由于自發(fā)輻射的幾率與光子態(tài)的數(shù)目成正比，那么該光子態(tài)的數(shù)目為零使自發(fā)輻射被完全抑制。圖1．1．2是一些人

7、造光子晶體的實物圖示，可以明顯看出周期性的存在，而周期性排列的不同，導致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應，也就是只有某種頻率的光才會在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。如果只在一個方向上存在周期性結(jié)構，那么光子帶隙只能出現(xiàn)在這個方向。光子晶體的另一個主要特征是可以實現(xiàn)光子局域態(tài)。當光子無缺陷時，根據(jù)其邊界條件的周期性要求，不存在光的衰減模式。但是，一旦晶體原有的對稱性遭到破壞，即有了缺陷，在光子晶體的禁帶中就可能出現(xiàn)頻寬極窄的缺陷態(tài)或局域態(tài)。因為光被禁止出現(xiàn)在光子晶體帶隙中，所以我們可以預見能夠自由控制光

8、的行為。1．3光子晶體的應用光子晶體的應用范圍非常廣泛。利用光子晶體具有光子禁帶基本性質(zhì)，可以將其用作光子晶體全反射鏡和損耗極低的三維光子晶體天線；利用光子禁帶對原子自發(fā)輻射的抑制作用，可以大大降低因自發(fā)躍