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文档简介

控制光子流动的晶体：光子晶体（二）,物理系 赖哲渊,光子局域,简单回顾 光子晶体（PBG）即光子禁带材料，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。因此，光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。,光子局域 John 于1987年提出:在一种精心设计的无序介电材料组成的超晶体中,光子呈现很强的Anderson局域 。 在光子晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏,在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷位置,一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。,光子局域,完整的光子晶体,有缺陷的光子晶体,光子晶体微腔,光子晶体波导,光子晶体微腔 两种常见的高低折射率介质层排列分别是 ABCBA 和 BACAB， 其中nAnB 结构如图所示,在结构中由于靠近缺陷层两侧的介质是低折射率层，它们的折射率相差不大，反射回缺陷层的光很少，大部分光穿透到层中，直到缺陷两侧出现高折射率层时，缺陷模的光才强烈地被反射回来，结果光被局域在层和层的界面 处，出现两个场强峰值，局域能力降低。,而在结构中正好相反，靠近层左右两边的介质是层，能把大部分光局域在层中谐振，相当于把结构中进入层的光反射回缺陷中。,光子晶体波导： 利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在光子晶体中形成新的光子态，而在缺陷模周围光子态密度为零。因此，光子晶体波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄漏，基于这种优异的光子局域化特性，可实现光波导的任意弯曲，从而大大减少集成光学器件的体积，实现光路芯片化。也就是说，弯曲损耗不存在。,光子晶体波导折射,光子晶体波导元件,光子局域的应用与未来研究方向,信息业的梦想之一,是由光子替代电子传递信息,因光子具备了电子所不具备的许多优势。首先光子的传播速度快,在介电材料中的传播速度以达到108/数量级。而电子在金属中的传播速度只能达到104105m/s数量级。其次,光作载体每秒可以携带更多的信息,而且在电介质的传输带宽要远大于金属导线:光纤系统的带宽可能达到1012数量级,而金属导线(如电话线)的带宽只能达到105Hz数量级。另外重要的一点是,光子之间没有电子之间那么强的相互作用,使之传输时极大地降低了能量损耗。,光子局域的应用与未来研究方向 1.光子晶体光纤 PBGPCF 通过光子带隙导光，把光限制在光子晶体中的缺陷即空气孔导光,PBG-PCF的典型结构,实物图,光子晶体光纤的特性 1.无截止单模 2.不同寻常的色度和散度 3.极好的非线性效应 4.优良的双折射效应,2.光子晶体激光器 优点：稳定性高，转换效率高，体积小，重量轻，散热效果好等,主要应用了掺杂光纤的特性,原理图,3.集成光路 只要设计妥当，我们便可按需求制造出具有特定能量或位于特定空间的杂质态，与半导体藉由搀入杂质来调整载子性质非常相似，因此，光子晶体又经常被比喻成未来光学界的“半导体”。,整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图,未
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