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《光子晶體研究進(jìn)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、Draft,notforcirculation.1998年底于復(fù)旦光子晶體研究進(jìn)展資劍復(fù)旦大學(xué)表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200433，jzi@fudan.edu.cn摘要光子晶體是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得異常迅猛的發(fā)展，是一門正在蓬勃發(fā)展的有前途的新學(xué)科。光子晶體不僅具有理論價(jià)值，更具有非常廣闊的應(yīng)用前景，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。本文回顧光子晶體的發(fā)展歷史，介紹光子晶體的特性、制作方法、理論研究以及應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：光子晶體，光子能帶，光子帶隙，光子局域態(tài)，自發(fā)輻射，Maxwell方程組6我們所處的時(shí)代從某種意義上來(lái)說(shuō)是半導(dǎo)體時(shí)代。半導(dǎo)體的出現(xiàn)帶來(lái)了從日常
2、生活到高科技革命性的影響。大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)、信息高速公路等等這些甚至連小學(xué)生都耳熟能詳?shù)臇|西是由半導(dǎo)體帶來(lái)的。幾乎所有的半導(dǎo)體器件都是圍繞如何利用和控制電子的運(yùn)動(dòng)，電子在其中起到?jīng)Q定作用。半導(dǎo)體器件到如今可以說(shuō)到了登峰造極的地步。集成的極限在可以看到的將來(lái)出現(xiàn)。這是由電子的特性所決定的。而光子有著電子所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)：速度快，沒(méi)有相互作用。因此，下一代器件扮演主角的將是光子。光子晶體是1987年才提出的新概念和新材料[1,2]。這種材料有一個(gè)顯著的特點(diǎn)是它可以如人所愿地控制光子的運(yùn)動(dòng)[3-5]。由于其獨(dú)特的特性，光子晶體可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光學(xué)器件，在光通訊上也有重
3、要的用途，如用光子晶體器件來(lái)替代傳統(tǒng)的電子器件，信息通訊的速度快得無(wú)法想象。1．光子晶體簡(jiǎn)介眾所周知，電子在周期勢(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，會(huì)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。其實(shí)，不管任何波，只要受到周期性調(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不能傳播的。電磁波或者光波也不會(huì)例外。不過(guò)人們真正清楚其物理含義已經(jīng)是八十年代末了。圖1、（a）一維、二維和三維光子晶體示意圖。（b）光子晶體能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。陰影部分代表光子帶隙。1987年Yabnolovitch[1]在討論如何抑制自發(fā)輻射時(shí)提出了光子
4、晶體這一新概念。幾乎同時(shí)，John[2]在討論光子局域時(shí)也獨(dú)立提出。如果將不同介電常數(shù)的介電材料構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)，電磁波在其中傳播時(shí)由于布拉格散射，電磁波會(huì)受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光子能帶(photonicband)。光子能帶之間可能出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙(photonicbandgap,簡(jiǎn)稱PBG)。具有光子帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)就是光子晶體(photoniccrystals)，或叫做光子帶隙材料(photonicbandgapmaterials)，也有人把它叫做電磁晶體(electromagneticcrystals)。圖1給出光子晶體的結(jié)構(gòu)及光子能帶結(jié)構(gòu)。固體物理中的許多概
5、念都可用在光子晶體上，如倒格子、布里淵區(qū)、色散關(guān)系、Bloch函數(shù)、VanHove奇點(diǎn)等。由于周期性，對(duì)光子也可以定義有效質(zhì)量。不過(guò)需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體（從某種意義上來(lái)說(shuō)可以叫做電子晶體）有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如光子服從的是Maxwell方程，電子服從的是薛定諤方程；光子波是矢量波，而電子波是標(biāo)量波；電子是自旋為1/2的費(fèi)米子，光子是自旋為1的玻色子；電子之間有很強(qiáng)的相互作用，而光子之間沒(méi)有。光子晶體的基本特征是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播的，因?yàn)閹吨袥](méi)有任何態(tài)存在。光子帶隙的存在帶來(lái)許多新物理和新應(yīng)用[3-5]。自發(fā)輻射是愛(ài)因斯坦在1905年提出
6、的，對(duì)許多物理過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用有重要的影響，如自發(fā)輻射是半導(dǎo)體激光器的閾電流的主要原因，只有超過(guò)閾電流才能發(fā)出激光。八十年代以前，人們一直認(rèn)為自發(fā)輻射是一個(gè)隨機(jī)的自然現(xiàn)象，是不能控制的。Purcell在1946年提出自發(fā)輻射可以人為改變[6]，但沒(méi)有受到任何重視。直到光子晶體的出現(xiàn)才改變了這種觀點(diǎn)[1]。自發(fā)輻射幾率由費(fèi)米黃金定則給出其中，
7、V
8、稱為零點(diǎn)Rabi矩陣元，r(w)是光場(chǎng)的態(tài)密度。如果電磁波的態(tài)密度為零，則自發(fā)輻射的幾率為零，即沒(méi)有自發(fā)輻射。光子帶隙中的態(tài)密度為零，因此，頻率落在光子帶隙中的電磁波的自發(fā)輻射被完全抑制。如果引入缺陷，在光子帶隙中可能出現(xiàn)態(tài)密度很高的缺陷態(tài)，因此可
9、以增強(qiáng)自發(fā)輻射。有文獻(xiàn)稱將自發(fā)輻射可以控制的這種現(xiàn)象叫Purcell效應(yīng)。如果引入缺陷或無(wú)序，對(duì)電子來(lái)說(shuō)將有電子局域態(tài)或安德森局域。如果在光子晶體中引入介電缺陷或介電無(wú)序，光子也一樣，也會(huì)出現(xiàn)局域現(xiàn)象[2,7-9]。在光子晶體中實(shí)現(xiàn)光子局域比在電子體系里更理想，因?yàn)檫@里沒(méi)有電子體系里存在的多體相互作用。1991年實(shí)驗(yàn)上觀察到二維光子晶體中的光子局域[10]。最近，在半導(dǎo)體粉末中直接得到光子局域的證據(jù)[11]。6我們知道即使在真空中也
