綜述光子晶體的研究進(jìn)展

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1、光子晶體的最新研究進(jìn)展（學(xué)號(hào)：SA12231016姓名：陳飛虎）摘要：光子晶體（PhotonicCrystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分別獨(dú)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(gòu)。在這二十多年的發(fā)展當(dāng)中，光子晶體已在光通信技術(shù)、材料科學(xué)和激光與光電子學(xué)等方面都取得了相應(yīng)的進(jìn)展。本文闡述了光子晶體在各方面所取得的相應(yīng)進(jìn)展，并探討光子晶體在各個(gè)領(lǐng)域的最新研究狀況。關(guān)鍵詞：光子晶體研究進(jìn)展1引言自光子晶體這一概念提出以來，它就成為各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)。光子晶

2、體(Photoniccrystals)材料又稱為光子帶隙(Photonicbandgap,PBG)材料,指介電常數(shù)(折射率)周期性變化的材料。電子在固態(tài)晶體的周期性勢(shì)壘下能形成電子帶隙,光子晶體的周期性晶格對(duì)光的布拉格散射可以形成光子帶隙,頻率處在光子帶隙中的光被禁止進(jìn)入光子晶體。若光子晶體中某個(gè)地方不滿足周期性,即引入了缺陷,禁帶中就會(huì)出現(xiàn)缺陷態(tài),缺陷態(tài)具有很高的光子態(tài)密度。采用各種材料,設(shè)計(jì)不同的光子晶體結(jié)構(gòu)和引入不同的缺陷類型以及缺陷組合,可以制作出功能和特性各異的微納光子器件。因光子晶體具有光子帶隙和光子局域兩大優(yōu)越特

3、點(diǎn)，所以它在發(fā)光二極管、多功能傳感器、光通訊、光開關(guān)、光子晶體激光器等現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域[3-4]有著廣泛應(yīng)用。當(dāng)前所制備的光子晶體大多不可調(diào)，但對(duì)于可調(diào)制光子晶體的帶隙可以調(diào)控，電介質(zhì)的折射率和光子晶體的晶格常數(shù)決定了光子帶隙的寬度和位置，故改變外部環(huán)境，如加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力或溫度等，均能對(duì)光子禁帶進(jìn)行調(diào)制。因此可調(diào)控的光子晶體成為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和方向。2光通信技術(shù)方向的研究進(jìn)展傳統(tǒng)波導(dǎo)利用的是全內(nèi)反射原理，當(dāng)波導(dǎo)彎曲較大時(shí)，電磁波在其中的傳播不再符合全反射原理，以至于彎曲損耗較大。而光子晶體波導(dǎo)采用的是不同方向缺陷模

4、共振匹配原理，因而光子晶體波導(dǎo)不受轉(zhuǎn)角限制，有著極小的彎曲損耗。理論上，當(dāng)波導(dǎo)彎曲90°時(shí)，傳統(tǒng)波導(dǎo)會(huì)有30％的損失，而光子晶體波導(dǎo)的損耗只有2%[5]。另外，光子晶體波導(dǎo)的尺度可以做得很小，達(dá)到波長量級(jí)；因此，光子晶體波導(dǎo)不僅在光通信中有著十分重要的應(yīng)用，在未來大規(guī)模光電集成、光子集成中也將具有極其重要的地位。光子晶體光纖(PCF)由于它的包層中二維光子晶體結(jié)構(gòu)能夠以從前沒有的特殊方式控制纖芯中的光波,使其具有諸多優(yōu)異的光學(xué)特性,如無截止單模傳輸特性、可調(diào)節(jié)的色散特性、高雙折射特性、大模面積和高非線性特性等,因此PCF的研究

5、一直是光通信和光電子領(lǐng)域科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，世界各國對(duì)PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、帶隙、非線性特性及應(yīng)用方面均有了長足進(jìn)展。PCF的大負(fù)色散實(shí)現(xiàn)了-55000ps·(km/nm)-1的高階模色散值、-36000ps·(km/nm)-1的基模色散值。對(duì)光子帶隙型PCF的帶隙與模式研究,有助于解決光波的非線性傳輸控制和光與物質(zhì)的非線性相互作用等問題。利用PCF及其非線性效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了波長可調(diào)節(jié)且高效的頻率變換、可見光波段平坦超連續(xù)譜（SC）和高效寬帶切倫科夫輻射（CR）的產(chǎn)生等。3在材料科學(xué)方面的應(yīng)用光子晶體的禁帶特

6、性最先被用來做成完美的反射鏡和天線。隨著光子晶體研究的熱門興起，近來經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將磁光材料嵌于光子晶體中可構(gòu)成一種新型的光子帶隙材料——磁性光子晶體[6-7]。磁性光子晶體具有寬的和可逆的調(diào)諧性,能對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生瞬間響應(yīng),在磁場(chǎng)下對(duì)近紅外和可見光區(qū)域波長的光及微波都能產(chǎn)生響應(yīng)，在可見光區(qū)域表現(xiàn)為在磁場(chǎng)下能顯示不同的顏色(磁致變色),在光子晶體結(jié)構(gòu)單元中加入磁性成分后,可通過外加直流磁場(chǎng)來調(diào)整自身的光學(xué)性質(zhì),使得組分中含有磁性材料的光子晶體具有巨大的應(yīng)用前景。這樣的磁性光子晶體特別是膠態(tài)磁性光子晶體在相關(guān)文獻(xiàn)中都有其制備方法，磁性光

7、子晶體目前已經(jīng)應(yīng)用在磁光隔離器、磁光環(huán)行器及微波頻率多路選擇等方面，未來的膠態(tài)磁性晶體因主要成分是磁性顆粒[8]并有光子晶體的性質(zhì)，因此有望廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生化工程及光學(xué)器件等領(lǐng)域。4在激光與光電子學(xué)上取得的成果光子晶體在激光與光電子學(xué)上所取得的成就主要有光子晶體光纖飛秒激光技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和光纖傳感器的最新進(jìn)展，尤其是高功率、高能量飛秒激光系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。目前應(yīng)用于飛秒激光技術(shù)領(lǐng)域的PCF分為“非增益型”和“增益型”兩大類，所謂“非增益型”就是沒有摻雜激活離子的PCF。該類PCF在飛秒激光技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是作為色散

8、補(bǔ)償和頻率變換器件。高非線性PCF（HNL－PCF）是利用大空氣填充率包層加小芯徑纖芯（微米量級(jí)）的結(jié)構(gòu)。該類PCF在飛秒激光技術(shù)領(lǐng)域的主要應(yīng)用是非線性頻率變換，比如可以直接產(chǎn)生高亮度的超快超連續(xù)譜，并作為超連續(xù)源應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、光纖通信、光學(xué)頻率梳與計(jì)量、激光光譜學(xué)等領(lǐng)域；