光子晶体的应用与研究

1、光子晶体的应用与研究现状摘要：光子晶体是拥有光子禁带的新型光学材料。它能与现有的半导体材料和丄艺很好地结合， 在未来的通信和光电集成行业冇巨大的应用前景，极冇可能成为未来光了产业的基础材料。简单 叙述了光子晶休在现实中的应用以及目前对光子晶体的发展研究现状。关键词：光子晶休；半导体材料；光电子；1引言半导体材料的发现与人规模应用引发了上世纪轰轰烈烈的电子工业革命。由此开始，半导体 材料成为了现代信息社会的基石。现在我们所处的时代从某种意义上来说就是半导体时代。半导 体的出现带来了从h常牛活到高科技革命性的影响。大规模集成电路、计算机、信息高速公路等 等这些都是由半导体带来的。儿乎所有的半导体器

2、件都是囤绕如何利用和控制电子的运动，电子 在其中起到决定作用。半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步，然而集成的极限在可以看 到的将来出现，这是rh电子的特性所决定的。在信息传输中，传统的以半导体材料为基础的电子集成器件也越来越开始成为信息高速传输 的障碍。比如：利用光纤进行信息的大容量、快速传输已被人们大规模采用。但是信息从光纤的 输入和输出依靠的仍然是传统的电子器件，这大大限制了信息传输效率。与此同时，光子有着电 子所不具备的优势：速度快，彼此间不存在相直作用。人们寄希望于制造出能与传统半导体工艺 很好结合的光子器件用以代替电子器件实现信息的全光网络传输，以提高信息的传输效率。另一方而，

3、在光电子领域中人们通常希望借由物质改变光的行为，从而达到对光的控制和应 用，如液晶显示器、发光二极管等，这些特性大多基于改变物质分了尺度上内在化学结构或化学 组成。但光波在物质中的电磁特性也可以借由在波长尺度上特定的物理结构而改变，而不需要改 变物质的化学结构及组成。在过去的将近二十年中，在控制光在材料中传播的口标的强烈驱使下, 科学家转向了在特定的物理结构下材料光学性质的探索。由此，人们开辟了一个崭新的科学研究 领域一一光子晶体及其应用。2光子晶体简介2.1光子晶体概念1987年e. yabnolovitch在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。儿乎同时, s.john在讨论光子

4、局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在 其屮传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带 (photonicband)o光子能带2间可能hl现带隙，即光了-带隙(photonic bandgap,简称pbg)。具有光 子帶隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic bandgap materials),也有人把它叫做电磁晶体(electromagnetic crystals)rd图1.1光子晶体光子频率禁带示意fig.1.1 schematic of photonic

5、 band gap.在固体物理研究中发现，晶体中周期性排列的原子所产生的周期性电势场对电子有一个特殊 的约束作用。在这样的空间周期性电势场中电子运动是由薛定愕方程来决定。求解薛定愕方程就 可以发现，电了的能量只能取某些特殊值，在某些能量区间内该方程无解，也就是说电了的能量 不可能落在这样的能量区间，通常称之为能量禁带。研究发现，电子在这种周期性结构中的徳和 罗意波长与晶体的晶格常数具有人致相同的数量级。从电磁场理论知道，在介电系数呈空间周期 性分布的介质中，电磁场所服从的规律是maxwell方程。通过对maxwell方程的求解可以发现， 该方程只有在某些特定的频率下才有解，而在某些频率取值区间

6、该方程无解。这也就是说，在介 电常数呈周期性分布的介质结构中的电磁波的某些频率是被禁止的，通常称这些被禁止的频率区 间为“光子频率禁带"（photonic bandgap）（如图1.1所示）。频率落在禁带的光在光子晶体中被完全 禁止传播。如果只在一个方向上存在周期结构（一维光子晶体如图1.2习），那么光子禁带只能出现 在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构（三维光子晶休），那么町能出现全方位的光子禁带，特定频率的光进入光子晶体厉将在各个方向都禁止传播。禁带是光子晶体的一个最重要的特 性。图1.2光子晶体依照介电常数周期性变化的维数，可以分为一维，二维以及三维光子晶 体。fig.

7、1.2 schematic of 1-d, 2-d, 3-d photonic crystals structure.2. 2光子晶体特性自发辐射是爱因斯坦在1905年提出的，对许多物理过程和实际应用冇重要的影响，如自发辐 射是半导体激光器的闭电流的主要原因，只冇超过闽电流才能发出激光。八i年代以前，人们一 直认为自发辐射是一个随机的自然现象，是不能控制的。直到光子晶体的出现才改变了这种观点 fllo自发辐射不是物质的固冇性质，而是物质与场相互作用的结果。自发辐射几率由费米黄金定 则给出"斗i也）h （2.1） 式中|v|称为零点rabi短矩阵元，p（3）是光场态密度。口发辐射儿率与

8、态密度呈正比。如果电磁 波的态密度为零，则自发辐射的儿率为零，即没有自发辐対。光子带隙中的态密度为零，因此， 频率落在光子带隙中的电磁波的自发辐射被完全抑制。如果引入缺陷，则在光子带隙中就能出现 态密度很高的缺陷态，因此可以增强口发辐射。我们知道即使在真空屮也存在零点涨落，但在光子带隙屮却没有。将原子或分子放入光子晶 体屮，如果从激发态到基态辐射的光子频率正好落在光子带隙里，受激的原子或分子将被“锁” 在激发态，不能激发到基态。因为此时没有任何光子态与z祸合而辐射。这将带来新的物理现象, 如原子将和自身的局域光场发生强烈的祸介，出现奇异的lamb位移。如果引入缺陷或无序，对电子来说将有电子局域

9、态或安徳森局域态。如果在光子晶体中引入 介电缺陷或介电无序，光子也一样，也会出现局域现象l4' 5jo巾于原有的周期性或对称性受到破 坏，在其光子禁带屮就会出现缺陷态，与缺陷态频率吻介的光子被固定在出现缺陷的位置，一旦 离开这个缺陷位置，光强就会迅速衰减。在光子晶体屮实现光子局域比在电子体系里更理想，因 为这里没冇电了体系里存在的多体相互作用。此外，固体物理以及半导体的许多概念都可用在光子晶体上，比如倒格子、布里渊区、色散 关系、bloch函数、vanhove奇点等。但是光子晶体与常规的晶体有相同的地方，也有本质的不同。 如光子服从的是maxwen方程，电子服从的是薛定愕方程；光子波是

10、矢量波，而电子波是标量波; 电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之 间没有。3光子晶体的应用近年来光子带隙材料的应用主要集中在髙品质反射镜的制造、改善发光二极管的效率、实现 低阈值激光振荡、高品质因数微谐振腔的制造、宽带带阻滤波器的制造、极窄带选频滤波器的制 造、光子开关、光子存储器、光子限幅器以及光子频率变换器等诸方而，询景非常广阔。3.1光子晶体在光纤中的应用传统的光纤是利用光的全反射来实现光的传播的，光在光纤传播中损耗很大。光子晶体光纤 6将空气纤芯包含在周期性排列的包层（二维光子晶的内，并使传输光的频率和光子禁带的频率相 吻合。由于光子禁

11、带的作用，光波将只能沿着空气纤芯传播。光子晶体光纤的出现，人人减低了 传输光能量的损火，提高了传输效率。3. 2光子晶体光波导传统的光纤传播在光纤转弯的地方会出现一个问题：当波导的曲率人于一定值时，会岀现很 大的能量损失，只有曲率半径远大于光波波氏时，才能避免过多的能量损失。但是，当在光子晶 体中引入线缺陷，如來线缺陷的频率正好落在光子禁带中，就会形成一个光波导。当线缺陷成一 定角度时，光波导也成一定角度。这样光子晶体光波导在理论上可以在人角度弯曲下没有损失 地传递能量。3. 3低阈值激光器在激光器中引入光子晶体还可以实现低阈值激光振荡冈。这是因为光子晶体对位于其光子频 率禁带范围内的电磁波具

12、有抑制作用。所以当光子晶体的光子禁带频率与激光器工作物质的口发 辐射频率一致时，激光器中的门发辐射就会被抑制。这样一来激光器中因n发辐射引起的损耗会 人人降低，从而会使激光振荡的阈值变得很低其至为零。3.4高效光子晶体发光二极管二极管发光中心的内部量子效率达到90%,但发出的光经过包围介质层的反射，只有3%30%的光能够发射出去，发光效率极低。如果我们在发光二极管的发光中心放置一块光子晶体刃, 使发光的中心口发辐射和光子带隙的频率重合，并在光子晶体中引入一个缺陷态，口发辐射将不 能够沿其它发向传播，只能沿特定的通道传播。这将人人减少能量的损失，提髙发光效率。3. 5光子晶体滤波器当入射到光子晶

13、休的电磁波频率范围较宽，超过光子带隙的大小时，光子晶体对以被用作一 个带阻滤波器。由于光了禁带完全受设计和制作决定，带隙范围可以从极窄到很宽，可以适应 多种范围的带阻滤波。如果光子带隙内引入缺陷能级，则会在带隙内形成允态，这样就构成了选 频滤波器©°如果只是引入了极少数的缺陷能级，则该选频滤波器町以具有极窄的选频带宽。总而言z,由于光了晶体的特点决定了其优越的性能，因此它极冇可能取代大多数传统的光 学产品，对急需发展的光电集成技术而言，无疑具有极其重大的意义，对经济、对社会发展产生 的影响是不可限量的。mit著名教授joannopoulos曾经在他的文章中设想过一个“pho

14、tonic metropolis”的光了传 输模型。二维光子晶体波导、光子晶体光纤以及三维光子晶体都被放入集成光路中，用于光波的 传输，充分表明了光子晶体在里面所扮演的十分重要的角色，也是未来光子晶体努力发展的目标。4光子晶体的研究现状光子晶体的发展集中于两个方向。一个是光子晶体的应用器件化、实用化。一个是继续理论 研究寻找具有更宽禁带或禁带可调的光子晶体材料与结构。在上一节，我们己经简单-叙述了光子 晶体在现实中的应用。目前，一些世界一流大学和著名跨国公司纷纷开展理论研究和技术攻关。 如美国为此制定了国家纳米技术战略，徳国的1113photonic crystal光子晶体计划，法国和澳 人利

15、亚的pics及irex计划，欧盟的1st用et计划，英国的epsrc光子晶体项1=1等。麻省理 工，加利福尼亚大学，东京大学，朗讯，ntt,安捷伦和康宁等著名大学及跨国公司纷纷加入到 新一代的光子集成功能器件的研制当中。英国meso photonics公司还宣称不久以厉将推岀具有里 程碑意义的基于soi光子品体的光子集成产品，称为picco计划。在理论研究方而，现在已经发展出许多光子晶体计算方法。人们通过理论计算研究发现降低 光子晶体的结构对称性能够取得更宽的完全光子禁带，并且在相对髙频得到原来没有的光子禁带 ，2o这样为了破坏光子晶体结构的对称性，人们在计算中使用了各种不同的方法：改变散射子

16、的 形状旧，使单个品胞内包含多个散射子，使用各项杲性介质或铁磁性介质代替各向同性介电材 料】5】6等等。参考文献1 e.yablonovitch, inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics j. phys.rev. lett., 1987,58:2059-20622 s. john, strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices j. phys.rev.lett. 1987, 58:248

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