光子晶体讲稿精品资料

1、光子晶体一、发展背景及历史1.1 微电子的危机今天，人类进入了信息时代， 电子信息产业已成为当今全球规模最大、 发展最迅猛的产业， 从日常生活的电视，电话等家庭用品到工作中的电子计算机，传感器以及各种电子测试设备， 无处不渗透着半导体技术的影响，可以说半导体技术正日益成为我们工作和生活中不可缺少的组成部分。微电子技术是电子信息产业的核心技术之一 （另一个是软件技术），是在半导体材料上采用微米级线度加工处理的技术。 现在电子信息技术， 尤其是计算机和通讯技术发展的驱动力。 来自于半导体元器件的技术突破，每一代更高性能的集成电路的问世， 都会驱动各个信息技术向前跃进。我们今天处在一个真正的技术革命

2、时代， 而微电子技术的突飞猛进是这个革命最基础的组成部分。微电子技术所遵循的摩尔定律指出：芯片集成度每 18-24 个月增长一倍，价格不变。目前主流加工技术是 8 英寸硅片， 0.25 微米线宽。 12 英寸硅片 0.13 微米应经批量生产。当前，半导体技术正向着高速度，高集成化方向发展。据国际权威机构预测，到 2014 年，半导体芯片加工技术将达到 18 英寸硅片 0.035 微米线宽。当集成电路线宽达到 0.1 微米以下时，标志着半导体制造技术及器件、工艺理论随之全面进入纳米领域。硅基芯片的微细加工技术将可能达到极限。届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都将遇到极大的挑战：（ 1）首

3、先是芯片的发热量随着工作频率的提高而迅速增加从而使芯片无法正常工作；（ 2）其次是现有的加工设备已经很难再继续减小芯片内部的线宽，因而通过减小线宽的方法来提高心片的工作效率和性能遇到了很大的困难；（ 3）最后也是最难克服的一点，随着芯片内部结构的减小，其量子效应会非常明显，电子在芯片内部的波动效应就不可以忽略， 而电子的波动所造成的量子隧穿效应直接威胁着用“ 1”和“0”表示“开”和“关”状态的芯片最基本的结构。导致这一结果的原因在于半导体器件的工作载体是电子，由于电子是一种费米子，具有静止质量，同时，电子之间具有库仑相互作用，当集成度很高时，产生热效应，相互干扰，这即是“电子瓶颈”效应产生的

4、原因。这一特点使得微电子技术的进一步发展在速度，容量和空间相容性方面受到了限制。可以看到，微电子技术很有可能在未来的十多年中走到尽头， 届时如果不能解决这些问题， 信息技术的前进脚步就很有可能停止下来， 会对人们的生活、社会、经济的发展所产生的严重后果是不可想象的。1.2 光子芯片的曙光从目前的研究情况来看， 解决上述的三个问题还有很大的困难， 尤其是最后一个问题的解决更是遥遥无期。 人们便把目光投向了一些其他技术， 其中利用光子代替电子在芯片内进行信息的传输与处理无疑是这些技术中最具吸引力的方案。比起电子来利用光子来携带信息具有更大的优势，电子自身的特性， 比如具有静止质量以及电子间的库仑作

5、用等都限制了其难以作为大容量高速的载体； 与电子相比光子具有如下优点：(1)光子是以光速运动的微观粒子，传播速度快，频带宽，具有极高的信息容量和效率；(2)光子静止质量为零，相互作用很弱，能耗低；(3)电子器件的响应时间一般为10 8 秒，而光子器件可达 10 12 10 16 秒，极快的响应能力；(4)光子在通常情况下互不干涉、具有并行处理信息的能力；(5)极大的存储能力。但是光子很难控制， 要利用光子来进行信息处理， 首要任务就是找到类似半导体材料控制电子一样地控制光子行为的材料。 现代电子学的基础是电子能带和带隙。它是由于电子波函数与晶体周期势场相互作用的结果。 那么，同样具有波动性的光

6、子，当其在某种材料中运动时，是否也会产生能带和带隙呢 ?在这一研究背景下， E.Yablonovitch 和 S.John 在 1987 年各自提出了光子晶体 (Photonic Crystals 或 photonic Band)的概念。光子晶体 (PhotnociCyrstals)便是这种人们期待已久的新材料。 美国的科学杂志在 1999 年 12 月 17 日把光子晶体列为十大科学进展之一，光子晶体已成为世界范围内研究的热点。1.3 光子晶体的发展历史第一个具有实际可行性的光子晶体结构是由依俄洲大学的Ho， Chan和Soukoulis等人首先从理论上提出来的，而美国贝尔通讯研究所的Yab

7、lonovitch则制造出了世界上第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶体。第一块三维光0子晶体结构，用活性离子束炮轰依次从三个相差120 的方向在介质上穿孔而制成，光子晶体的光子频率禁带宽度约为中心工作频率的20%。早期这种光子晶体的工作频率多数落在微波波段。 近年来，其工作波段推进到红外波段。 一般来说，工作波长越短，三维光子晶体的制造越困难。 目前还没有找到制造工作于短波长，尤其是工作于可见光波段的光子晶体结构的有效方法。为了获得短波长光子晶体，人们近年来提出了一些新的光子晶体构造方案。 其中一个具有实用价值的方案就是所谓的“逐层叠加 (layer 一 by 一 layer)”方法，即用

8、许多片二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体，这种想法是由Ozbay 等人提出来的，这种“逐层叠加” 方法已被人们广泛采用。 原则上来说， 这种方法为短波长三维光子晶体的制造提供了一个可行的途径，但在短波长区域其制造工艺。图 1 Yablonovitch 等人制造的世界上第一个三维光子结构图 2 1994 年， E.Ozbay 等人采用逐层叠加的方法制作的三维光子晶体结构。光子晶体虽然是一种纯粹人工合成的新材料，不过人们也在自然界中发现了天然的光子晶体。蛋白石opal 就是一种天然的光子晶体材料。在生物界，最近也发现了光子晶体的踪迹。 在一种帝王蝴蝶中的翅膀上发现了第一种天然的三维光子晶体

9、结构。随后Argyros 等用 SEM、TEM 和电脑技术相结合研究了帝王蝴蝶翅膀的具体结构 (见图 3)。研究发现构筑这种光子晶体的材料是一种类似于纤维素的角质蛋白质。 其原胞内结构为一四面体， 晶格结构则属于三斜晶系。尽管光子晶体的提出已有十几年了， 但是光子晶体在实验上仍然发展很慢，困难重重。最近人们研究发现，在生物界的DNA 的帮助下，可以在微米尺度下制造出各种各样复杂的结构。 也许在未来光子晶体的研究中，用生物技术来合成光子晶体可以为这一领域开创一条新的研究方法。图 3 Adonis 蓝蝴蝶以及蝴蝶翅膀的SEM 照片二、光子晶体的基本概念2.1 基本概念光子晶体的物理概念首先是由E.

10、Yablonovitch 和 s.John1987年几乎同时分别独立地提出。 Yablonovitch 主要着眼于控制材料的自发辐射性质，而 John 则侧重于研究无序介质对光局域化的影响， 他们都提出了介电函数作周期性变化的结构能够影响材料中光子的状态模式，由此可以设计出能影响光子能带性质的材料。光子晶体是一种介电常数空间周期性变化、 晶格常数可与光波长相比、 且具有光子带隙结构，能控制光子传播状态的新型人工材料。与半导体相类似，光子晶体中光的折射率的周期性变化产生了光的带隙结构，从而由光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。 同样光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带

11、的 “光子禁带” (Photonic Band Gap)。频率落在禁带中的光波是被严格禁止传播的。 其实不管任何波， 只要受到周期性的调制， 都有能带结构， 也都有可能出现带隙。 能量落在带隙中的波是不能传播的，电磁波或者光波也不例外。 如果只在一个方向上有周期结构， 光子禁带只可能出现在这个方向上， 如果存在三维的周期结构， 就可能出现全方位的光子禁带，落在禁带中的光在任何方向上都被禁止传播。 我们将具有光子禁带的周期性介质结构称为光子晶体 (Photonic Cyrstals)。由于一般晶体和光子晶体都具有周期性结构， 许多研究一般晶体的概念都被运用到光子晶体的研究中去，如能带、能隙、态密

12、度、倒易空间、色散关系、布里渊区、 Bloch 波函数、缺陷态、施主态、受主态等等，固体能带理论中许多方法也被用来研究光子晶体中光子的运动。光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点 (各个原子所在的位置 )周期性出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率 (如人工造成的空气空穴 )的材料。高低折射率材料的交替排列形成周期性结构就可以产生光子带隙。 而周期排列的低折射率位点之间的距离大小不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应， 也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。2.2 光子晶体的分类按照组成光子

13、晶体的介质排列方式的不同， 可以将其分为一维、 二维和三维光子晶体，其空间结构如图 1 所示。图 1 光子晶体的空间结构所谓一维光子晶体是指介质折射率在空间一个方向具有周期性分布的光子晶体材料，相当于不同介质组成的多层膜材料。 简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成， 在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质层平面方向上介电函数不随空间位置变化。 最初人们认为，由于只在一个方向上具有周期性结构， 一维光子晶体的光子带隙只可能出现在这个方向上。然而后来， Joannopoulos和他的同事从理论和实验上指出一维光子晶体也可能具有全方位的三维带隙结构， 因而需由二、三维光子晶体材料制作的器件用一维光子晶体材料也可能制备出来， 并且相对而言， 一维光子晶体在结构上最为简单，易于制备。因此，一维光子晶体仍具有很高的研究意义，可以用一维光子晶体去完成二维、 三维光子晶体的功能， 有望在将来的全光通讯中扮演举足轻重的角色。二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由介质杆平行而均匀的排列组成的。这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向 )介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在多种结构，如矩形、三角形和石墨的六边形结构等