光子晶體簡(jiǎn)介及應(yīng)用

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1、光子晶體及其應(yīng)用的研究(程立鋒物理電子學(xué))摘要：光子晶體(PbmDfticCrystal)是一種新型的人工材料，其最顯著的特點(diǎn)就是具有光子禁帶(PhotonicB鋤d．G￡lp，簡(jiǎn)稱PBG)，頻率落在光子禁帶內(nèi)的電磁波是禁止傳播的，因而具有光子帶隙的周期性奔電結(jié)構(gòu)就稱為光子晶體。近幾年，光子晶體被廣泛地應(yīng)用于微波、毫米波的電路設(shè)計(jì)中。的濾波特性，加以優(yōu)化，則可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器。迄今為止，已有多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件被相繼提出，包括無閾值的激光器，無損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，低驅(qū)動(dòng)能量的非線性開關(guān)和放大器，波長(zhǎng)分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補(bǔ)償作用的光

2、子晶體光纖，以及提高效率的發(fā)光二極管等。光子晶體的出現(xiàn)使光子晶體信息處理技術(shù)的"全光子化"和光子技術(shù)的微型化與集成化成為可能，它可能在未來導(dǎo)致信息技術(shù)的一次革命，其影響可能與當(dāng)年半導(dǎo)體技術(shù)相提并論。關(guān)鍵詞：光子晶體；算法；應(yīng)用；1光子晶體簡(jiǎn)介在過去的半個(gè)世紀(jì)里，隨著人們對(duì)電子在物質(zhì)尤其是半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，使得對(duì)電子控制能力的增加，從而產(chǎn)生了各種微電子器件以及大規(guī)模的集成電路。推動(dòng)了電子工業(yè)和現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)在人們生活中扮演著越來越重要的角色。半導(dǎo)體的工作載體是電子，因此半導(dǎo)體的研究圍繞著怎樣利用和控制電子的特性。但近年來，電子器件的進(jìn)一步小型化以及在減小能耗下提

3、高運(yùn)行速度變得越來越困難。人們感到了電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的極限，轉(zhuǎn)而把目光投向了光子。與電子相比，以光子作為信息和能量的載體具有優(yōu)越性。光子是以光速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子，速度快；它的靜止質(zhì)量為零，彼此間不存在相互作用，即使光線交匯時(shí)也不存在相互干擾：它還有電子所不具備的頻率和偏振等特征。電子能帶和能隙結(jié)構(gòu)是電子作為一種波的形式在凝聚態(tài)物質(zhì)中傳播的結(jié)構(gòu)，而光子和電子一樣具有波動(dòng)性，那么是否存在這樣一種材料，光子作為一種波的形式在其中傳播也會(huì)產(chǎn)生光子能帶和帶隙。近來大量的理論和實(shí)驗(yàn)表明確實(shí)存在這樣一種材料，其典型的結(jié)構(gòu)是一個(gè)折射率周期變化的三維物體，它的周期為光的波長(zhǎng)，折射率變化比較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類似于電

4、子情況的光子能帶和帶隙。這種具有光子能帶和帶隙的材料被稱為光子晶體。在半導(dǎo)體材料中，電子在晶體的周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，由于電子波會(huì)受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，傳播是禁止的。與半導(dǎo)體類似，光子晶體中光的折射率的周期性交化產(chǎn)生了光的帶隙結(jié)構(gòu)，從而有光帶隙結(jié)構(gòu)控制光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)。同樣，光波的色散曲線形成帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶的“光子禁帶”(PhotoIlicBandGap)。頻率落在禁帶中的光波是嚴(yán)格禁止傳播的。其實(shí)不管任何波，只要受到周期性的調(diào)制．都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能出現(xiàn)帶隙。能量落在帶隙中的波是

5、不能傳播的，電磁波或者光波也不例外．如果只在一個(gè)方向上具有周期結(jié)構(gòu)，光子帶隙就只可能出現(xiàn)在這個(gè)方向上，如果存在三維的周期結(jié)構(gòu)，就有可能出現(xiàn)全方位的光子帶隙，落在帶隙中的光在任何方向上都被禁止傳播。我們將具有光予禁帶的周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為光子晶體(Phooo面ccrystal)，或叫做光子帶隙材料(PhotonicBandgapMaterials)。2光子晶體的結(jié)構(gòu)按照組成光子晶體的介質(zhì)排列方式的不同，可以將其分為一維、二維和三維光子晶體。所謂一維光子晶體是指介質(zhì)頻率在空間一個(gè)方向上具有周期性分布韻光子晶體材料，相當(dāng)于不同介質(zhì)組成的多膜材料。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的一維光子晶體通常由兩種介質(zhì)交替疊層而成

6、，在垂直于介質(zhì)層平面方向上介電函數(shù)是空閶位置的周期性函數(shù)，而在平行于介質(zhì)層平面方向上介點(diǎn)函數(shù)不隨空間位置變化。實(shí)際上，光學(xué)中常見的布拉格反射鏡就是一種簡(jiǎn)單的一維光子晶體。二維光子晶體是指在二維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料，它是由介質(zhì)桿平行而均勻的排列組成的。這種結(jié)構(gòu)在垂直于介質(zhì)桿的方向上(兩個(gè)方向)介電函數(shù)是空間位置的周期性函數(shù)，而在平行于介質(zhì)桿的方向上介電函數(shù)不隨空間位置而變化。由介質(zhì)桿陣列構(gòu)成的二維光子晶體的橫截面存在多種結(jié)構(gòu)。如矩形、三角形、和石墨的六邊形結(jié)構(gòu)等。截面形狀不同，獲得的光子頻率禁帶寬窄也不一樣。矩形的光子頻率禁帶范圍較窄，三角形和石墨結(jié)構(gòu)的光子頻率禁帶范圍

7、較寬。為了獲得更寬的光子頻率禁帶范圍，還可以采用同種材料但直徑大小不同的兩種介質(zhì)拄來構(gòu)造二維光子晶體。光子晶體光纖和光子晶體波導(dǎo)就是二維光子晶體的特例。三維光予晶體是指在三維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料。三維光子晶體具有全方位的光子帶隙，即落在光子帶隙中的光在任何方向都被禁止傳播。這一特性具有極其重要的應(yīng)用前景。Yablonovitch創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)具有完全光子頻率帶隙的三維光子晶體，它是一種由許多面心立方體構(gòu)成的空間周期性結(jié)構(gòu)