光子晶體及其特性

《光子晶體及其特性》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、光子晶體及其特性王娟娟摘要:光子晶體是一種介電常數不同的、其空間呈周期分布的新型光學材料。通過深入研究,達到進一步了解光子晶體的原理、特性、制備方法以及應用之目的。關鍵詞:光子晶體光子禁帶光子局域Purcell效應1.引言20世紀，半導體的發(fā)現并應用引發(fā)了一場影響開半導體材料，半導體內部存在周期性勢場電子受到周期性勢場的調制發(fā)生布拉格散射形成能帶結構，而帶與帶之間可能存在禁帶，落入禁帶中的電子則無法繼續(xù)傳播。1987年E.Yablonovich和S.John分別提出了光子晶體的概念[1-2]光子晶體是由不同介電常數的物質在空間周期性排列而形成的人工微結構，當電磁波通過光子晶體時光子晶體中

2、周期性排布的介電常數會對電磁波進行調制，從而產生光子能帶能帶之間可能存在禁帶與半導體對比可以發(fā)現在光子晶體中，周期性分布的介電常數起到了半導體中周期性勢場的作用，同時與電子禁帶相對應的也有光子禁帶的存在，因此有人又把光子晶體稱為光半導體光子晶體可以用于制作光子晶體偏振器件、光子晶體微波天線、光子晶體棱鏡、光子晶體光纖光子晶體波導等[3-6]在光通信，光電集成等方面具有極其廣闊的應用前景。2.光子晶體光子晶體按照其周期性排列方式可分為一維、二維和三維光子晶體，它們的介電常數分別在一維、二維和三維空間上周期性排列，其中一維光子晶體就是常見的多層膜結構，二維光子晶體是周期性排列的介質柱或空氣孔

3、，三維光子晶體中介電常數則在3個方向具有周期性在實際應用中，二維光子晶體有著更廣泛的前景更受到人們的重視光子晶體具有高低折射率材料交替排列的周期性結構可以對相應頻率的電磁波進行調制產生光子禁帶[7-8]，如果在3個方向上都存在周期結構，可以產生全方位的光子禁帶，在全方位光子禁帶中與該禁帶頻率相對應的電磁波將被完全禁止傳播光子禁帶是光子晶體的主要特性，光子晶體的另一個特性是光子局域若光子晶體的周期結構被破壞就會在光子禁帶中產生缺陷態(tài)，與之頻率相對應的光子就被局域在缺陷態(tài)中，偏離缺陷態(tài)就會被強烈散射，我們可以通過在光子晶體中引入缺陷，制造缺陷態(tài)的方式來制作各種光子晶體功能器件，另外光子晶體可

4、以抑制自發(fā)輻射若光子禁帶頻率與光子晶體中原子自發(fā)輻射頻率相吻合，則該頻率光子的態(tài)密度為零，自發(fā)輻射被抑制，光子禁帶和光子局域現象的存在為人為控制光的傳播提供了可能。3.光子晶體的特性3.1光子禁帶光子禁帶](photonicbandgap,PBG)是光子晶體最根本的特性,頻率落在禁帶中的電磁波,無論其傳播方向如何,都是禁止傳播的。光子禁帶依賴于光子晶體的幾何結構和介電常數比,比例越大越可能出現帶隙。光子晶體結構對稱性越差,其簡并度越低,越容易出現光子禁帶。3.2光子局域光子局域(photoniclocalization)是光子晶體的另一重要特性[9]。1987年,John提出,在無序介電

5、材料組成的超晶格(光子晶體)中,光子呈現很強的Anderson局域。如果在光子晶體中引入某種程度的缺陷,則和缺陷態(tài)頻率相吻合的光子有可能被局域在缺陷位置。一旦其偏離缺陷處,光就迅速衰減。光子局域態(tài)的性狀和特性由缺陷的屬性來決定:點缺陷就像被全反射墻包圍起來,利用點缺陷可以將光俘獲在特定的位置,光無法從這個位置向任何方向傳播,形成一個能量密度的共振場，相當于微腔。線缺陷的行為類似波導管,只能沿線缺陷方向傳播。平面缺陷像一個完善的反射鏡,光被局域在缺陷平面上。3．3Purcell效應上世紀80年代前,人們一直認為自發(fā)輻射是一個隨機現象,不能人為控制。1946年Purcell提出自發(fā)輻射可以人

6、為改變時并未受到重視,直到光子晶體的概念提出后,人們才改變觀點。自發(fā)輻射不是物質的固有性質,而是物質與場相互作用的結果。根據費米黃金定則,自發(fā)輻射幾率與光子所在頻率的態(tài)的數目成正比,因此光子晶體可以抑制自發(fā)輻射。當原子被放在一個光子晶體里面,而它自發(fā)輻射的光頻率正好落在光子禁帶中時,由于該頻率光子的態(tài)的數目為零,因此自發(fā)輻射幾率為零,自發(fā)輻射也就被抑制。反過來,若在光子晶體中加入雜質,光子禁帶中會出現品質因子非常高的雜質態(tài),具有很高的態(tài)密度,這樣便可以實現自發(fā)輻射的增強,這種控制自發(fā)輻射的現象稱為Purcell效應。3.4偏振特性二維光子晶體對入射電場方向不同TE、TM兩種偏振模式的光具

7、有不同的光子禁帶,這是光子晶體的另一重要性質。對于一維光子晶體,還有一些獨特的現象,如超折射現象，對入射光束展寬和分光等效應,時間延遲效應,帶邊激光,超強雙折射光學現象,負折射現象,非線性光學效應等。4.光子晶體的制備自然界中存在天然的光子晶體蛋白石、海老鼠毛發(fā)和蝴蝶翅膀其斑斕的色彩并不是本身的顏色而是不同方向上有不同頻率的光被散射，然而天然的光子晶體并不具備完整的三維的光子禁帶用于制備光子晶體的主要材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物半