（凝聚态物理专业论文）大面积全息光子晶体模板的制作技术及其在led中的应用.pdf

中文摘要 摘要 目前被人们称为可控制光子流动的半导体一光子晶体，由于其潜在的科学价 值和应用前景受到各国科研人员的关注，仅从2 0 0 3 年到2 0 0 5 年，在( n a t u r e 和 ( s c i e n e e 两刊物上发表的相关论文达2 l 篇。国内外大学的一些研究小组相继采用 不同的方法对光子晶体的结构、理论、制备技术及其崭新的物理性质等进行了研究 并取得了重大进展 牛津大学m c a m p b e l l 等人在( n a t u r e ) 上提出利用全息术制作可见光的三维光 子晶体受到了广泛得重视该方法制作光子晶体直接、成本低、速度快、有实用意 义。但全息术实现光子晶体需要三束光( - - 维) 或四束光( 三维) 干涉，目前国内 外普遍采用的制作系统存在着光路复杂、系统稳定性差、所制得的光子晶体面积小 等缺点，使其应用仍然局限于实验室中。因此如何实现大面积、廉价、大批量地制 备光子晶体，是使其得到真正意义上的应用的唯一途径。本研究针对这个课题从理 论到实验方案，对制备方法进行了深入研究，并取得了以下成果： 1 计算模拟分析全息术实现光子晶体过程中，利用光刻胶作为记录介质，将三维结 构记录下来的曝光、显影过程；模拟分折光强比、偏振态、对比度等对制作全息 光子晶体模板的影响；给出实现f e e 结构光子晶体的优化制作参数。 2 提出用双光束干涉多次曝光的方法实现三维结构光子晶体。理论分析证明该方法 可实现与四束光同时曝光法相同的三维晶格结构。 3 提出利用全息光学元件( h o e ) 实现光子晶体结构。对h o e 上的全息衍射光栅 凹槽深度及其矢量方向与入射光偏振方向的夹角进行最优化设计，给出最佳制作 方案并制作出符合f c c 结构光子晶体要求的全息衍射光学元件；对制作全息光子 晶体模板的记录光路进行优化设计，其中包括对光束比( 全息衍射光栅的衍射效 率) 、曝光量、显影时间等参数的优化设计。根据设计参数，制作出具有f e e 结 构的全息光子晶体模板。 4 提出一套利用厚玻璃进行折射率匹配的制作系统，消除了在制作三维光子晶体过 中文摘要 程中由于记录介质折射率引起的相干光束问夹角减小的问题。 5 提出一套利用h o e 制作大面积二维光子晶体的无透镜系统，并利用该系统将二 维光子晶体制作于g a n 基蓝光发光二极管芯片表面( i t o 电流扩展层) ，提高了 其光提取效率。初步实验证明，无透镜系统用于在发光二极管芯片表面制作大面 积二维光子晶体的可行性。 本工作的创新点包括以下三点： 1 首次提出利用双光束三次曝光法制作三维结构的全息光子晶体模板。由于在制作 过程中仅使用两束光干涉，排除了对记录光束偏振方向的调整，简化了实验光路。 2 提出利用全息光学元件制作大面积全息光子晶体模板。首次系统地计算分析了全 息光栅的衍射效率及衍射光偏振方向与光栅凹槽深度的关系。给出制作某种特定 结构光子晶体所需的全息光学元件的设计方案及流程。 3 提出一套制作大面积二维光子晶体的无透镜系统。首次提出采用球面波作为实现 二维结构的光源，消除了用于产生平行光的准直透镜对光斑孔径的限制及对光能 量的吸收，减小了杂散光的引入。 关键词：全息术；光子晶体；发光二极管 u a b s t r a e t p h o t o n i ec r y s t a l sh a v ea t l l t l c t c dg r e a ta l t e n t i o l ld u et ot h e i rp o t e n t i a ls c i e n t i f i cv a l u e a n dw i d ea p p l i c a t i o n s o n l yf r o m2 0 0 3t o2 0 0 5 2 1p a p e r sw e p u b l i s h e di n n a t u r e a n d s e i e n e e d i f f e r e n tn l c t h o d sh a v eb e e nu s e dt or c s 昀r c l at h es t r , , _ e t m f e s t h e o r i e s , f a b r i c a t i o nt e e l m i q u e sa n db r a n d o l 埒 wp h y s i c a lc h a t a c t e 船o fp h o t o n i cc r y s t a l sb yt h e r e s e a r e l ag r o u p sa l lo y e i t h ew o r l d , a n dg r e a tp r o g r e s s e sh a v eb e e no b t a i l i c d m c a m p b e l le ta l 弘e m e dt h a t3 dp h o t o n i cc r y s t a lc b ef a b r i c a t e du s i n g3 d h o l o g r a p h i ct e e l m i q u e w i t h i t si n h e r e n tf l e x i b i l i t y , l o wc o s ta n dh i g hf a b r i c a t i o ns p e e d t h i st e c h n i q u em a k e st h eu s co f p h o t o n i ec r y s t a l sm o l t * ep r a c t i c a l i - i o w 掌t t e l r , l 雠, a l l t s ct h e f a b r i c a t i o ns y s t e m , s , a u yn e e d st h r e e ( f o r2 d ) o rf o u r ( f o r3 0 ) b e a m si n t e r f e r e n c e ，i th a s t h ed i s a d v a n t a g e so f c o m p l e xo p t i c a ls e t u p , u n s t a b l es y s t e m , a n ds m a l lc r y s t a ls i z e t h u s t h ea p p l i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a li sm a i n l yl i m i t e di nl a b o r a t o r yr e s e a r e l a i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s0 1 1f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fp h o t o n i e c r y s t a l sa l l od e e p l yd i s c u s s e da n ds o m ev a l u a b l er e s u l t s 疵o b t a i n e d t h em a i nc o n t e n t s a r ca sf o l l o w s ： 1 t h ee x p o s l a ea n dd e v e l o p i n gp r o c c s s c so fr e c o r d i n g3 ds u l l c t u r ei np h o t o r e s i s ti s s i m u l a t e db yc o m p u t e r t h ei n f l u e n c e so fi n t e n s i t yr a t i o ，p o l a r i z a t i o ns t a t e sa n d c o n t r a s to nf a b r i c a t i n gh o l o g r a p h i cp h o t o n i ec r y s t a lt e m p l a t e 躺a n a l y z e d t h e o p t i m i z e dl l a m c t e r so f f a b r i c a t i n gf e es l r u e t u r ep h o t o n i cc r y s t a l 眦p r e s e n t e d 2 at w o - b e a mm u l t i - e x p o s u r eh o l o g r a p h i ct e c h n i q u ef o rf a b r i c a t i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l p h o t o n i ec r y s t a l si sp r o p o s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sp r o v e st h a ti tc a l lo b t a i nt h ef l a m e ： s m l e t m e s 鹊f o m - b e a ms y s t e md o e s 3 i td e m o n s t r a t e st h a tp h o t o n i ec r y s t a lc a l lb ef a b r i c a t e du s i n gah o l o g r a p h i co p t i c a l c l e m e n t ( h o e ) t h ei n f l u e n c e so fg r a t i n gd e p t ha n dp o l a r i z a t i o na n g l e so fi n c i d e n t b e a m s0 1 1d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dp o l a r i z a t i o no fd i f f r a c t e db e a m sa 弛c a l c u l a t e d , a n d 姐o p t i m i z e dh o ef o rf a b r i c a t i n gf e es t r u c t u r ep h o t o n i ec r y s t a li sp r e s e n t e d i l l t h er e c o r d i n gs e t u po ff a b r i c a t i n gh o l o g r a p h i cp h o t o n i cc r y s t a lt e m p l a t e ，i n c l u d i n g b e a mi n t e l l s i 哆( t h ef i r s t - o r d e rd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c i e so fh o l o g r a p h i cg r a t i n g s ) , e x p o s u r ed o s e , d e v e l o p m e n tt i m e s , e ta l ，i sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z 脚 p a r a m e t e r s , a l lf c cs t r u c t u r eh o l o g r a p h i cp h o t o n i cc r y s t a lt e m p l a t ei sf a b r i c a t e d 4 i no r d e rt op r e v e n tt h ec h a n g eo f t h ea n g l e sb e t w e e nt h ei n t e r f e v m c eb e a m sw h e nt h e b e a m sp r o p a g a t ef i o ma i rt op h o t o r e s i s t , at h i c k - g l a s s - m a t c h i n gs y s t e mi sp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n 5 al e n s l e s ss y s t e mf o rf a b r i c a t i n gl a r g e - a r e a2 dp h o t o n i cc r y s t a lu s i n gh o ei s p r o p o s e d 2 dl a t t i c es t r u c t u r ei sf a b r i c a t e do nt h e $ u l f a c co fl e du s i n gt h i ss y s t e m , a n dt h el i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo f t h el e di se n h a n c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h e l e n s l e s ss y s t e mi nf a b r i c a t i n gl a r g e a r e a2 dp h o t o n i c c r y s t a lo nt h em l r f a c eo f l e d 1 1 忙i n n o v a t i v ep o i n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 i ti sp r o p o s e d , f o rt h ef i r s tt i m e ，t h a t3 dh o l o g r a p h i cp h o t o n i cc r y s t a lt e m p l a t ec a nb e f a b r i c a t e du s i n gt w o - b e a mi n t e r f e r e n c ew i t ht h r e ee x p o s u r e s 2 i ti sp r o p o s e dt h a tl a r g e - a r e ah o l o g r a p h i cp h o t o n i cc r y s t a lc a rb ef a b r i c a t e du s i n g h o e t h ei n f l u e n c eo fg r a t i n gd e p t ha n dp o l a r i z a t i o na n g l e0 1 1d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y a n dp o l a r i z a t i o no ff i r s t - o r d e rd i f f r a c t e db e a m sa r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yf o rt h e f l r s tt i m e t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s so fh o ef o rc e r t a i ns t m c t u r ep h o t o n i c c r y s t a la r ep r e s e n t e d 3 as e to fl e n s l e s ss y s t e mf o rf a b r i c a t i n gl a r g e a r e ap h o t o n i cc r y s t a li sp r o p o s e d s p h e r i c a lw a v ea r eu s e da st h el i g h ts o u r c et of a b r i c a t e2 dp h o t o n i cc r y s t a l ，f o rt h e f n s tt i m e 1 1 把s i z el i m i t a t i o na n dl i g h te n e r g ya b s o r p t i o nb r o u g h tb yc o l l i m a t i n g l e n sa l ee l i m i n a t e di nt h i ss y s t e m k e y w o r d s ：h o l o g r a p h y , p h o t o n i cc r y s t a l ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) i v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人c ：壶，畅 q6 年g 只，b 第一章绪论 第一章绪论 电子作为信息和能量的载体，在2 0 世纪的发展中做出了巨大的历史性贡献。2 0 世纪中期开始的以半导体为代表的电子带隙材料的出现带来了从日常生活到高科技 革命性的影响但是随着科技的飞速进步，让人们曾经欢欣鼓舞的半导体器件已经 不能满足社会发展的需要主要原因有两个，首先，电子电路的小型化使得电路中 的电阻增大，造成了电能的大量浪费；其次，基于已有的技术和概念，“电予”载 体的功能受到“瓶颈”效应的限制，已经到了它的极限。而光子有着电子所没有的 优势：速度更快，可携带更多的信息且没有相互作用，因此，利用光子作为信息和 能量的载体，将把信息高科技推向超高速度、超大容量的宽带范畴，成为三“t ”信 息化社会中不可替代的佼佼者操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求，光子晶 体的产生使这种梦想成为了可能光子晶体被科学界和产业界称为“光半导体”或 。未来的半导体”，是未来信息技术的核心他对光通讯、微波通讯、光电子集成以 及国防科技等领域将产生重大影响。可以预见，光予晶体技术的发展终将导致光学、 光电子学、信息科学革命性的变革。 1 1 光子晶体简介 。 1 光子晶体的概念 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 的概念是由e y a b l o n o v i t c h m 和s j o h n 两人予1 9 8 7 年首次独立提出的，它是一种介电常数( 或者说折射率) 在空间呈周期性变化的材 料。 众所周知，在半导体材料中原子排列的晶格结构产生的周期性电势场影响着在 其中运动的电予的性质，使其形成能带结构由于介电常数的周期性调制，电磁波 在光子晶体中的传播可以用类似于电子在半导体中运动的能带结构来描述。具体表 现为：一定频率的光波在光子晶体的特定方向上被散射，不能透过，形成光子禁带 ( 或称光子带隙) ，频率落在光子禁带中的光波在一定方向上无法传播。这种具有光 子禁带的周期性介电材料即为光子晶体或光子带隙材料( p h o t o n i cb a n d g a p m a t e r i a l s ) 厦门大学博士学位论文 第1 章 按介电常数的周期性变化及其出现的空间维度，光子晶体可分为一维、二维、 三维光子晶体，如图1 1 所示。 图1 1 光子晶体空间结构示意图 一维光子晶体如图1 1 ( a ) 所示，是两种介电常数的介质呈多层周期分布的结构， 如传统的多层介质膜平面反射镜或分布布拉格反射镜( d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r s ( d b r ) ) 就可以看作是一种一维光予晶体 二维光子晶体如图1 1 ( b ) 所示，一般为介电常数| 的介质柱在介电常数s b 的介质中 呈二维周期排列。 三维光子晶体是最容易实现完全光子禁带的结构，它的介电常数在三维方向呈 周期性排列，如图1 - l ( c ) 所示。 1 1 2 光子晶体的理论基础 电子在原子晶体中的运动时，电子波函数满足薛定谔方程： l 一笔矿b 娟帅， - ， 其中，坎，) 为在位置，处的周期性势能函数，似，) 为位置，处电子的波函数，助能量的 本征值。由于势能函数为周期性函数，能量e 只有取某些值时方程才有解，某些能量 区域内方程无解，这些区域就称为电子的能量禁带。 频率为的单色电磁波在周期性电介质中的传播可以用麦克斯韦方程组表示： 第一章绪论 v x 日( ，) = j m r e ( r ) 审e ( ，) = p l s 审j 5 r ( ，) = 0 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其中，占= 氏占( ，) ，o 为自由空问的介电常数，( r ) 为相对介电常数在介电常数周 期性变化的介质中， “r ) ；p + 4 ) 其中，口为光子晶体的基本格矢通常情况下，对于无磁性介质，i l = p e 取( 1 2 ) 式的 旋度并利用( 1 3 ) 式消去h ( r ) 得： 去v 【v 堋，) 】= 7 0 3 2 肿) ( 1 6 ) 其中，c t l 三一，为真空中的光速。 、6 o 鳓 同理可以得到h ( r ) 满足的方程： v x 岛v 洲，) = 嬖c 日( ，)l 时)j 2 利用矢量分析公式得： v x ( v x 曰= v ( v d v 2 e 将r ) 展开成 占( ，) = f ( ，+ 4 ) 辜l o + 占。脚_ 埘( ，) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 其中，竹为相对介电常数( r ) 的平均值，s p 。d ( r ) 为相对介电常数的空间变化分量将 ( 1 8 ) ，( 1 9 ) 两式代入到( 1 6 ) 式，得到电场e 的偏微分方程 v c v 一 v 2 + 等f 驯c 巾加等洲， m 对比( 1 1 0 ) 式与薛定谔方程( 1 1 ) 式不难看出，8 辅“r ) 与势能v ( r ) 相对应，而m 2 | v c 2 类 似于薛定谔方程中的能量e ( 1 1 0 ) 式左边的矢量项v ( v e ) 是薛定谔方程所没有的， 厦门大学博士学位论文第1 章 因此电子的波函数遵循的是标量波理论，而电磁波遵循的是矢量波理论( 1 1 0 ) 式给 出了光子晶体的所有信息，如占空比，折射率比，入射光波的波长，晶格结构等 这样，通过求解( 1 1 0 ) 式，就可以得到一个类似于能带结构的光子能带图。图1 2 为面 心立方晶格结构的光子晶体能带图，灰色区域为即光子禁带区域啪 图1 2 光子晶体能带图伽 1 2 光子晶体的特征及其应用 1 2 1 光子晶体特征 光子晶体主要有以下三个特征 1 、光子禁带光子晶体的最基本特征是它具有光子禁带阱。频率落在光子禁带 中的电磁波是被禁止传播的。如果在空问所有方向上都无法传播就称为完全光子禁 带，如果只有部分方向无法传播则称为部分光子禁带。光子禁带依赖于光子晶体的 结构和介电常数比。光子晶体结构对称性越差，其能带简并度越低，越容易出现完 全光子禁带”卜哪；介电常数比越大，越可能实现完全光子禁带。 2 、控制自发辐射处于激发态的原子有向基态跃迁的倾向，并以光子的形式释 放出能量，这就是原子的自发辐射。自发辐射的比例与光子态的数目成正比，而在 第一章绪论 光子禁带中的光子态数目为零因此，当处于光子晶体中的原予的自发辐射频率刚 好落在光子禁带中对，自发辐射就会被抑制嘲，如图1 3 ( a ) 所示反之，若光子晶体 中加入杂质，光子带隙中就会出现品质因子很高的缺陷态，具有很高的态密度，这 样就可以增强自发辐射，如图1 3 所示。这种控制自发辐射的现象称为p u r c e l l 效 应嘲 越 翻 怕 h 辞萱 弼 耘 攒 融 求 图1 3 光子禁带对原子自发辐射的影响，( i ) 在无缺陷光子晶体中自发辐射被抑制， ( b ) 在有缺陷的光子晶体中自发辐射被增强 3 、光子局域j o h n 在1 9 8 7 年提出在一种经过精心设计的无序介电材料组成的 超晶格中，光子呈现出很强的局域，称为a n d e r s o n 局域“”如果在光子晶体中引入 某种程度的缺陷，和缺陷频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置“，一旦偏离缺 陷位置处，光就将迅速衰减光子局域态的形状和特性由缺陷的属性来决定：点缺 陷就像被全反射墙包围起来，它可以将光“俘获”在特定的位置，光无法从这个位 置向任何方向传播，形成一个光能量密度的共振场相当于微腔：线缺陷类似于 波导，光只能沿线缺陷的方向传播；平面缺陷像一个完善的反射镜，光被局域在缺 陷平面上。缺陷态的引入能够影响光子带隙的性质，大大扩宽了光子晶体的应用领 域。可以说有关光子晶体的应用大都离不开缺陷态的引入 1 2 2 光子晶体的应用 光子晶体的以上特征使其具有广泛的应用前景，主要体现在以下几个领域： 厦门大学博士学位论文 第1 章 1 、光集成回路 光予晶体的一个重要应用是制作光子晶体光集成回蹦脚中的各种光学器件，如 图1 4 所示，主要包括以下几种： 图1 4 光子晶体光集成回路示意图n 司 光子晶体光波导 传统的光波导是利用光在两种不同介质界面上的全反射原理传输光的，可支持 直线传播的光，但当波导的曲率大于一定值时，会出现很大的能量损失，只有当转 角的曲率半径远大于光波波长时，才能避免过多的能量损失。而在光子晶体中引入 线缺陷可以改变这种情况光子晶体光波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的 传输效率，能量损耗极小“”。理论证明利用光子晶体制作的直角光波导的传输效率 达到9 8 ，而传统的这种光波导的传输效率只有3 0 “”，大大地减小了能量的损失。 光子晶体超棱镜与超透镜 由于棱镜对不同波长光的折射率不同，产生不同的偏折角度，从而可以把各种 波长的光在空间上区分开。普通的光学棱镜的折射率对于波长的敏感性不高，导致 波长接近的光并不能有效地分开。l i n 等人“”发现二维三角排列的光子晶体对于光的 分光行为如同1 个棱镜。实验表明在8 5 1 1 2 g h z 的频率范围内，晶体的有效折射率 第一章绪论 变化最大可达到2 0 超棱镜效应源于光子晶体材料在布里渊区边界附近存在着强 烈的非线性色散关系“町这种非线性色散关系导致了一种非常神奇的效应负折 射效应“”，如图i 5 所示。利用这种效应，可以制作超透镜“”叮。波动光学指出传统 透镜不能将光聚焦到直径小于波长的点，而光子晶体制作的透镜完全可以克服以上 极限，即形成。超透镜”，这样物体任何极小的细节都可以用这种透镜完美的成像 图1 5 光子晶体负折射效应m 光子晶体滤波器嘲 光子晶体具有优良的滤波性能乜1 1 ，与传统的滤波器相比。由于光子晶体具有光 子禁带，频率在禁带区内的光子不能存在于光子晶体中，因此，它本身就是一个自 然的带阻滤波器此外，利用金属材料制作的光子晶体在某一频率之下完全是禁带 区，是理想的高通滤波器。光子晶体滤波器不仅有宽的滤波带宽，可实现大范围的 滤波作用；而且若使光子晶体形成非寻常形状的晶格还可使线宽变窄，从而获得可 调节带宽的极窄带选频滤波器。通过在光子晶体中制造缺陷或者使其晶格常数产生 微扰的方法，即可实现窄带滤波s n a d a 等人在直波导附近引入不同的点缺陷， 将光子禁带中不同频率的光垂直发射出来，得到具有高度选择性的光学滤波器，如 厦门大学博士学位论文 第1 章 图1 6 所示。光子晶体滤波器的优点是：阻带区对透过光的抑制可以容易地达到3 0 d b 以上，而且它的带阻边沿的陡峭度可以容易做到接近于9 0 0 另外，由于光子晶体都 是使用对光波几乎没有损耗的介质材料制成的，所以通过波段光波的损耗非常小。 图1 6 引入点缺陷的窄带光子晶体滤波器嘲 微谐振腔 微谐振腔是光集成回路中的一个重要器件，但由于其尺寸小，传统方法制作相 当困难，且品质因子低。在光子晶体中引入点缺陷，相当于光子晶体禁带中的某些 位置引入光子局域态。属于这些位置的光场被限制在非常小的点缺陷中，可以产生 很高的能量密度。由于可以将点缺陷看作是被强反射包围的微腔，所以在透射谱中 会产生高q 值的谐振峰。 另外，通过将以上几种器件的组合应用可以制作出如光子晶体光解复用器1 ， 光耦合器1 等各种光集成回路中的所需器件。 2 、高效率低损耗反射镜与小型微波天线 由于光子禁带的存在，当一束频率落在光子禁带中的光波入射到光子晶体上时， 这束光会被完全反射回来，利用这一点可以制作高效率低损耗反射镜。这种反射 镜可以作为微波天线的基底。对于传统的微波天线，由于天线直接制作在介质基底 第一章绪论 上，导致大量的能量被基底吸收，造成基底的发热而用光子晶体做成的基底可以 将能量全部发射到空中。大大提高了天线的发射效率，并解决了因为转化成热引起 的基底寿命短的问题 3 、高效率发光：级管 利用光子晶体提高氮化镓( g a n ) 基蓝光发光二极管的外量子效率是目前光电领 域的一个研究热点传统的g a n 基发光二极管有源区产生的光主要有三种传播途径： 6 的光从发光二极管上表面直接发射出去；2 2 的光由于全内反射在基底传播，称 为基底光；剩下的6 6 由于全内反射而被限制在g a n 中，即波导光，如图1 “a ) 所 示。解决的方法有两种，一种是利用光子禁带限制横向波导模的传输，另一种是 将光子晶体作为衍射光栅提取出波导光删据报道，目前韩国科学家利用激光全息 技术( h o l o g r a p h y ) 的制作工艺，在g a n 为主要材料的发光二极管组件上，刻蚀出二维 光子晶体( 见图1 7 ( b ) ) ，将输出功率提高了两倍以上 图1 7 ( | ) 发射光在g a n 结构中的传播路径嘲，( ”，表面制作二维光子晶体的 g a n 基发光二极管嘲 4 、低阈值激光震荡 在激光器中引入光子晶体可以实现低阙值激光震荡。当光子晶体的光子禁带频 率与激光器工作物质的自发辐射频率一致时，激光器中的自发辐射就会被抑制。这 样一来，激光器中因自发辐射引起的损耗会大大降低，从而会使激光震荡的阈值变 的很低，提高激光器的效率m 1 厦门大学博士学位论文第1 章 5 、光子晶体光纤 光子晶体光纤( p c f ) 是一种空气孔在s i 0 2 中的二维周期排列结构，光纤芯层 为周期结构中引入的缺陷光子晶体光纤可以用传统的光纤制作设备来拉制。光子 晶体光纤分两类，一类称多孔光纤嘲( 如图1 8 ( a ) 所示) ，基于全内反射( m o d i f i e dt o t a l i n t e r n a lr e f l e c t i o n , m t m ) 效应导光，这与传统光纤相似，也是利用了p c f 包层的有效 折射率低于纤芯的折射率而形成的全内反射效应；另一类是真正的光子晶体光纤 ( p h o t o n i cb a n dg a pf i b e r , p b gf i b e r ) 嘲，基于光子禁带效应导光( 如图1 8 ( b ) 所示) ， 这种光子带隙效应是在光子晶体材料中通过具有合适大小和间距的空气孔形成周期 性的排列而产生的，因而这种光纤要求的空气孔的排列比较规则，制作难度也比较 大。已有的研究表明光子晶体光纤在色散补偿、高功率传输、短波长光孤子传输以 及传感器等方面有着极其美好的应用前景 图1 8 ( a ) 多孔光纤s e m 图嘲，( ”p b g 光纤s e m 图咖 6 、其它应用 对于二维光子晶体，t e 偏振和t m 偏振的光子禁带有时是不重合的。利用这种 性质，可以制成光子晶体偏振器。n o d a 阻i 等设计了能够控制偏振态的二维光子晶体 偏振器。 此外，采用非线性介电常数材料制作的光子晶体中能观察到非线性光学现象。 目前在非线性光子晶体器件方面已取得了一定的研究成果，主要集中在光开关和光 波的分离与合成方面。 第一章绪论 1 3 光子晶体的制备方法 随着对光子晶体特性的进一步研究，光子晶体将有更加广阔的应用前景。目前 光子晶体的应用大多仍处于理论研究和实验阶段，真正做到产业化的很少。主要原 因在于光子晶体的制作工艺仍仅适用于实验室研究所用，造价高、面积小因此为 满足产业化的需要，制作出高性能、低价格，大面积的光子晶体成为光子晶体研究 领域的熟点之一 1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t c h 用机械钻孔嘲的方法成功的制成了第一块微波波段具有完 全禁带的光子晶体，箍后许多半导体微加工技术，如电子束刻蚀、反应离子柬刻蚀、 激光光刻，以及化学气相沉积等被应用于制作光子晶体上来利用这些技术可以较 精确地制作出工作于红外和可见光波段的光子晶体，这些光子晶体具有禁带宽的优 点，结合电子技术里常用的半导体材料，在集成光电予元件方面有很大潜力但这 种方法在制作工艺上过于复杂，造价昂贵，在制作更短波长光子晶体以及向晶体里 引入缺陷方面存在不足其中最具代表性的就是逐层叠加( l a y e r - b y - l a y e r ) 法除 此之外还包括一些与半导体制造技术关系较少的方法，如胶体自组织法，反蛋白石 结构法，激光全息记录法等目前，制作出可见光波段具有完全光子禁带的大面积 光子晶体依然是一个挑战 下面简要介绍一下以上提到的几种方法 1 3 1 精密机械加工法 精密机械加工法是早期研究光子晶体过程中发展出来的一种方法，通过在基体 材料上钻孔，利用空气与基体材料的折射率差来获得光子晶体1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t c h 研究小组采用活性离子束在高介电常数的介质底板上打孔的方法制造出了第一块具 有完全光子禁带的三维光子晶体嘲制作方法是：在介质平板上镀上掩模，掩模上 排列三角孔，在每一三角孔处钻三个小孔，孔轴与平板垂直成3 5 2 6 0 ，三孔之间互成 1 2 0 0 ( 如图1 9 所示) ，在介质板中留下了近椭球圆柱形“原子”组成的面心立方( f c c ) 结构。其结构具有金刚石对称性，光子带隙处于微波阶段。 由于精密机械加工技术只能加工微波波段的光子晶体，对于更短波长的光子晶 体则显得无能为力，要实现从近红外到可见光波段的光子晶体，必须发展其他方法 厦门大学博士学位论文 第1 章 图1 9y a b l o n o v i t c h 制作三维光子晶体示意图嘲 1 3 2 逐层叠加法 利用半导体加工技术，可以比较精确地制作出工作于红外和可见光波段的光子 晶体。其中最具代表性的是o z b a y 等人提出的逐层叠加法m 明。这种方法制作的结构， 也称为木堆结构( w o o d p i l es t r u c t u r e ) 是由一维等距排列的硅棒逐层叠加而成，层与层 之间的棒的取向是垂直的，次相邻层的棒相对于第一层平移l 2 棒间距。以四层为一 个重复单元，这样就组成了所谓的面心四方结构。如图1 1 0 所示，d 表示每一层中的 棒间距，w 表示棒宽，c 表示每一个重复单元的尺寸，当c d = 2 时，就是金刚石结 构。 l i n 等人结合外延生长法等技术制作出了工作于红外波段的木堆结构光子晶体 侧，他们首先沉积一层二氧化硅于硅表面，然后按照模板刻蚀出所要的棒结构，在 沟槽中填入硅，机械抛光表面，然后重复以上步骤。最后用酸洗掉二氧化硅，就形 成了面心立方光子晶体。采用更为复杂的工艺，他们制作出了工作于更短波长的光 子晶体m 1 。 第一章绪论 图1 1 0 木堆结构示意图 1 3 3 胶体自组织法弧砌 早在上世纪六十年代，人们就发现单分散的聚苯乙烯乳胶球在水中能够自发捧 列成面心立方、体心立方等有序结构，称之为胶体晶体自然界中，如非晶二氧化 硅微球排列成的蛋白石就是一种胶体晶体。这种蛋白石材料在光照下转动时，可显示 出美丽的色彩，具有独特的光学、几何及物理性能 胶体晶体中单分散= 氧化硅( s i 0 2 ) 和聚苯乙烯颗粒是目前最广泛使用的制备光 子晶体的材料。此方法可简述如下：让尺寸为微米或亚微米级的胶体颗粒悬浮于液 体中，并将悬浮物静止一段时间，由于胶体颗粒表面带有电荷，因此在相互之间的 静电力作用及自身重力作用下进行沉积，便可得到周期性有序结构，最后将所得结 构进行细致的干燥，制得光予晶体。 利用胶体晶体制备光子晶体具有较多优点首先。工艺简单，易于制备，可通过外 界条件控制单分散颗粒的自组装过程，得到多种晶体结构。其次，胶体晶体的有序度 可以容易地控制，有利于研究晶体的有序度与带隙宽度的关系第三，可通过胶体颗 粒的粒径和捧列方式灵活地设计晶体的点阵参数，使光子带隙的位置有很宽的变化 范围第四，可得到大面积的样品。第五，胶体颗粒有较光滑的表面、球形几何及较 小的分散度，因而对光呈几乎完美的散射，而且其光吸收系数十分小，光散射几乎是 弹性的不过它也有自身的一些缺点，如折射率比小，机械强度较低，不易引入人 们想要的缺陷等 厦门大学博士学位论文 第1 章 1 。3 4 反蛋白石结构法 为了解决胶体晶体低折射率比问题，人们又发展了反蛋白石结构法。q 町( 如图 1 1 l 所示) 。这种方法以胶体晶体为模板，向颗粒小球的间隙填充以高折射率的材料， 如二氧化钛，然后通过高温煅烧，化学腐蚀等方法将模板除去，便得到三维周期性 结构。其典型结构是空气小球以面心立方形式分布于高介电常数的介质中理论研 究发现，如果基底是高介电系数材料的空气孔面心立方结构，在第八和第九光子能 带之间存在光子禁带。 图1 1 l 反蛋白石结构光子晶体 3 5 激光全息记录法 1 9 9 7 年vb e r g c r 等人首次提出了用全息术法制作光子晶体”1 ，他们利用三个衍 射光栅制作出二维光子晶体。2 0 0 0 年牛津大学m c a m p b e l l 等人提出了用三维全息 术的方法制作可见光的光子晶体。他们用这种方法制作出了三维光子晶体，并以 该晶体为模板，将其反转填充高折射率的介质，得到了具有完全禁带的光子晶体。 全息术制作光子晶体以其制作成本低，面积大，设计便捷吸引了人们的关注。但利 用该方法制作光子晶体需要克服以下几点困难：l 、消除光源在干涉图样上的不均 匀性。2 、找出一种高折射率比的填充物。3 、设计出引入缺陷的方法。牛津大学的 研究使得用全息法制作光子晶体受到了广泛的重视。随后的几年中，各国不少研究人 员加入到用全息术法制作光子晶体的行列中”3 ，他们的主要围绕在如何通过控制多 束光光强，光束间夹角及偏振态制作所需结构光子晶体等方面的研究。 第一章绪论 全息术实现光子晶体需要考虑到相干光的入射方向，偏振方向，光束之间的夹 角和光强比等许多参数对光子晶体的晶格结构和光子禁带的影响，因此，寻找一个 简便易行的制作全息光子晶体模板的方法成为我们研究的目标之一本文提出两种 新的全息术实现光子晶体的方法，这两种方法将在第三章中作重点介绍 表1 1 给出了几种制作光子晶体方法的优缺点对比。 表i i 几种制作光子晶体方法的优缺点对比 制作方法优点缺点 精密机械加工法制作简便只能加工微波波段光子晶体 半导体微加工技术禁带宽，易集成工艺复杂，造价高 胶体自组织法与反蛋白可形成的晶格结构少，层与层之间 制作简便，造价低 石结构的位错等缺陷多，机械强度低 设计灵活，造价低，制作便 激光全息制作技术折射率差小，难以引入缺陷 捷，大面积 1 4 本课题的提出及主要研究内容 从二十世纪九十年代中后期起，光子晶体由于其潜在很大的科学价值和应用前 景，受到各国政府、学术机构以及高新技术产业界的高度重视嘲英国投入1 2 5 0 万 英镑开展“超快光子学合作计划”；美国国防部高级研究计划局( d 朋a ) 投入2 4 9 0 万美元设立“重组天线计划”；欧共体信息社会技术委员会启动了“基于光子晶体的 光子集成线路计划”；日本国际贸易和工业部下的新能源产业技术综合开发机构立项 。可调光予晶体计划”等( s c i e n c e ) 杂志在1 9 9 8 年底预计未来的六大研究热点之 一就有光子晶体，并在1 9 9 9 年将其列入本年度十大焦点研究领域。而有关这方面的 文章以每年7 0 的速度递增。 尽管光子晶体有着很大的应用前景，但如果没有一个简便易行的制作该晶体的 方法，仍然无法使它在人们的日常生活中发挥作用因此，光予晶体的制作成为该 领域的研究热点之一前面曾提到，利用激光全息技术可制作出大面积均匀的光子 厦门大学博士学位论文 第1 章 晶体，由于该方法具有制作便捷，成本低，制作周期短等优点成为目前制作光子晶 体的主要方法之一。传统全息术实现光子晶体结构时采用的制作系统由于使用的光 学元件较多，光路复杂，抗干扰能力差，而不适合光子晶体的产业化生产因此， 本研究小组通过对该方法的深入探讨，设计出两种切实可行的全息术实现大面积光 子晶体的方法，利用这两种方法，可以较容易地将光子晶体结构制作于所需器件中， 从而提高该器件的性能，如提高发光二极管的光提取效率。 本学位论文的主要内容包括以下几个方面： 第一章，回顾了国内外对光子晶体的一些主要应用及制作方法，指出全息术实 现光子晶体是本学位论文的主要研究内容。 第二章，首先讨论了目前国内外利用激光全息技术制作光子晶体的研究进展， 介绍了该方法实现光子