光子晶體及其特性

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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(shù)不同的、其空間呈周期分布的新型光學(xué)材料。通過(guò)深入研究,達(dá)到進(jìn)一步了解光子晶體的原理、特性、制備方法以及應(yīng)用之目的。關(guān)鍵詞:光子晶體光子禁帶光子局域Purcell效應(yīng)1.引言20世紀(jì)，半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用引發(fā)了一場(chǎng)影響開(kāi)半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體內(nèi)部存在周期性勢(shì)場(chǎng)電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的調(diào)制發(fā)生布拉格散射形成能帶結(jié)構(gòu)，而帶與帶之間可能存在禁帶，落入禁帶中的電子則無(wú)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(shù)的物質(zhì)在空間周期性排列而形成的人工微結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波通過(guò)

2、光子晶體時(shí)光子晶體中周期性排布的介電常數(shù)會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生光子能帶能帶之間可能存在禁帶與半導(dǎo)體對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在光子晶體中，周期性分布的介電常數(shù)起到了半導(dǎo)體中周期性勢(shì)場(chǎng)的作用，同時(shí)與電子禁帶相對(duì)應(yīng)的也有光子禁帶的存在，因此有人又把光子晶體稱(chēng)為光半導(dǎo)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(xiàn)、光子晶體棱鏡、光子晶體光纖光子晶體波導(dǎo)等[3-6]在光通信，光電集成等方面具有極其廣闊的應(yīng)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(shù)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(jiàn)的多層膜結(jié)構(gòu)，

3、二維光子晶體是周期性排列的介質(zhì)柱或空氣孔，三維光子晶體中介電常數(shù)則在3個(gè)方向具有周期性在實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)可以對(duì)相應(yīng)頻率的電磁波進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生光子禁帶[7-8]，如果在3個(gè)方向上都存在周期結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)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(duì)應(yīng)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(gè)特性是光子局域若光子晶體的周期結(jié)構(gòu)被破壞就會(huì)在光子禁帶中產(chǎn)生缺陷態(tài)，與之頻率相對(duì)應(yīng)的光子就被局域在缺陷態(tài)中，偏離缺陷態(tài)就會(huì)被強(qiáng)烈散射，我們可以通過(guò)在光子晶體中引入缺陷

4、，制造缺陷態(tài)的方式來(lái)制作各種光子晶體功能器件，另外光子晶體可以抑制自發(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(xiàn)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(wú)論其傳播方向如何,都是禁止傳播的。光子禁帶依賴(lài)于光子晶體的幾何結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)比,比例越大越可能出現(xiàn)帶隙。光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性越差,其簡(jiǎn)并度越低,越容易出現(xiàn)光子禁帶。3.2光子局域光子局域(photoniclocaliz

5、ation)是光子晶體的另一重要特性[9]。1987年,John提出,在無(wú)序介電材料組成的超晶格(光子晶體)中,光子呈現(xiàn)很強(qiáng)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(lái)決定:點(diǎn)缺陷就像被全反射墻包圍起來(lái),利用點(diǎn)缺陷可以將光俘獲在特定的位置,光無(wú)法從這個(gè)位置向任何方向傳播,形成一個(gè)能量密度的共振場(chǎng)，相當(dāng)于微腔。線(xiàn)缺陷的行為類(lèi)似波導(dǎo)管,只能沿線(xiàn)缺陷方向傳播。平面缺陷像一個(gè)完善的反射鏡,光被局域在缺陷平面上。3．3Purcell效應(yīng)上世紀(jì)80

6、年代前,人們一直認(rèn)為自發(fā)輻射是一個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象,不能人為控制。1946年P(guān)urcell提出自發(fā)輻射可以人為改變時(shí)并未受到重視,直到光子晶體的概念提出后,人們才改變觀(guān)點(diǎn)。自發(fā)輻射不是物質(zhì)的固有性質(zhì),而是物質(zhì)與場(chǎng)相互作用的結(jié)果。根據(jù)費(fèi)米黃金定則,自發(fā)輻射幾率與光子所在頻率的態(tài)的數(shù)目成正比,因此光子晶體可以抑制自發(fā)輻射。當(dāng)原子被放在一個(gè)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(shí),由于該頻率光子的態(tài)的數(shù)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(guò)來(lái),若在光子晶體中加入雜質(zhì),光子禁帶中會(huì)出現(xiàn)品質(zhì)因子非常高的雜質(zhì)態(tài),具有很高的態(tài)密度,這樣便可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)輻射的增強(qiáng)

7、,這種控制自發(fā)輻射的現(xiàn)象稱(chēng)為Purcell效應(yīng)。3.4偏振特性二維光子晶體對(duì)入射電場(chǎng)方向不同TE、TM兩種偏振模式的光具有不同的光子禁帶,這是光子晶體的另一重要性質(zhì)。對(duì)于一維光子晶體,還有一些獨(dú)特的現(xiàn)象,如超折射現(xiàn)象，對(duì)入射光束展寬和分光等效應(yīng),時(shí)間延遲效應(yīng),帶邊激光,超強(qiáng)雙折射光學(xué)現(xiàn)象,負(fù)折射現(xiàn)象,非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)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