光子晶体基本原理

光子晶体

2.1光子晶体的基本原理

大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。

另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。

简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。

2.2光子晶体的制备

人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。

从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。

图1三种光子晶体示意图

2.2.1一维光子晶体的制备

一维光子晶体的制备可以用非常成熟的各种镀膜工艺来实现

2.2.2二位光子晶体的制备

本文主要讨论的是二维光子晶体中的多米诺等离子体。在研究过程中进行的二维光子晶体的制备方法，对于光子晶体微波区域，可以使用一个单一介电圆柱体（直径为几毫米），以形成光子晶体，其制备过程相对简单，这是这里所模拟对象。然而，当需求小到几微米和亚微米的波长时的光子晶体，即可见光和近红外线的光子晶体的制备是非常困难的。

图2 利用多点曝光技术制备的二维GaAs 光子晶体

即使这样，研究人员充分利用纳米技术，特别是学习成熟的半导体加工技术，使得光子晶体在可见光和近红外区域，如温特等人的工作。于1993年使用电子束直写和反应离子束刻蚀法在GaAs基板上（片）制备的二维光子晶体的AlGaAs 膜光子晶体。首先他们利用电子束直写的单点曝光技术在电子胶上定义了二维光子晶体结构图形, 经过显影, 得到在电子胶上的二维图形。然后通过反应离子束蚀刻技术最终被转移到图形的AlGaAs膜，这样的技术好处可以大大减少电子束直写系统定制的图形时间，并与多曝光技术（现在常用的技术）中，只有多点曝光技术使用十分之一时间，甚至更少。然而，有一个单一的点的曝光技术的缺点是曝光的量不能被校正，如果能够克服这个问题，一个单一的点的曝光技术应该是更有前途的。Krauss使用多次曝光技术和反应离子束蚀刻制备GaAs基光子晶体。在此之后，大多数光子晶体微腔的制备的基于类似的技术。除了使用电子束直写方法定义的光子晶体，也开发了使用深UV曝光技术复制的二维光子晶体，然后用转印到光子晶体层反应离子束图案化。此外，多光束技术也可用于制备相干二维光子晶体图案。除了利用电子束、深紫外光和多光束相干技术,对于二维光子晶体的制备辅以通过反应离子束蚀刻工艺，但是一些科学家也使用电化学蚀刻孔，产生了二维光子晶体，例如通过电化学以获得阳极氧化铝腐蚀一个大的纵横比周期的孔，又如在光照条件下, 在n 型硅〈110〉表面通过氟化氢溶液的腐蚀而得到的大纵横比的微孔。除了阳极氧化铝方法外, 利用液体腐蚀方法通常只能制备孔径比较大的二维光子晶体, 该类光子晶体的光子带隙波长基本处在10 —30μm 区间。光子晶体微结构的均匀性直接关系到光子晶体的物理性质, 当前制备工艺需要克服的一个重要困难是如何制备出孔径完全一致的光子晶体。微孔的轻微差别, 就有可能引起谐振频率的改变, 而使器件的功能失效, 尤其是对于密集波分复用器件, 其频率间隔是100 GHz , 也就是0。67 nm 的波长间隔。“在一个二维平板GaAs 光子晶体中, 对于去掉一个微孔所形成的微腔, 如果要使微腔波长的偏差小于0。67nm , 那么围绕微腔的微孔的直径偏差应近似小于Δd =Δλ4n ≈0.05 nm , 这对制备工艺来说是一个相当高的要求。”【2】

图3 利用多孔硅制备工艺的二维光子晶体

如何克服制备工艺上的限制和光子晶体实际应用所需精度的矛盾, 将是未来光子晶体能够进一步走向应用的关键。

2.2.3三维光子晶体的制备

具有完全带隙的三维光子晶体可以在空间所有方向上对光子的传播进行调制, 所以是光子晶体发展的重中之重, 是光子晶体研究中的难点。对原子自发辐射的抑制和制备高Q 微腔是三维光子晶体发挥其主要性能的关键体现。因而世界上许多研究组致力于三维光子晶体制备方法和工艺的研究。和二维光子晶体的制备比较而言, 三维光子晶体的制备更加困难。从光子晶体概念提出以来,大多数研究人员开始进行三维光子晶体通过自组装方法，经过20多年的努力，制备三维光子晶体的也得到了长足的发展，在一般情况下，主要已知的三维光子晶体的制备：蘸笔纳米光刻术，胶体微球自组装的方法，多光束相干，相位光栅，多光子聚合过程中，掠射角沉积技术，因为克隆技术，电子束直写和反应离子束刻蚀结合等。

图4 制备的硅基反opal 的扫描电镜图

微球自组装方法是最开始的三维光子晶体的制备方法。在水或醇溶液的加入单分散聚苯乙烯或二氧化硅球可以自我组装成具有周期性排列的胶体光子晶体的面心立方结构。然而，这在液体胶体光子晶体具有很大的不可控的且不稳定，因此很难在实际应用中发挥作用。于是该生长方法得到进一步拓展, 发展到微球在重力作用下自然沉积, 溶液挥发后, 形成固态的三维光子晶体, 也称之为opal。随着对胶体光子晶体的研究的深入, 人们又提出可以利用液体的表面张力, 将波片垂直插入胶体溶液中, 通过控制温度、湿度, 随着胶体悬浮溶液中溶剂的蒸发, 在波片的表面就自然形成了沿(111)方向周期排列的面心立方光子晶体。

“有科学家提出利用opal 制备微球和圆柱构成的光子晶体,但是制备高质量的具有完全带隙的反演光子晶体并不容易, 到目前为止, 仍没有能利用这种方法制备出在可见光区具有完全光子带隙的三维光子晶体。”【2】为了在三维光子晶体中引入人为的缺陷, 利用双光子刻蚀的方法在胶体光子晶体中写入缺陷的方法被提出。同时通过不同的途径(双光子激光直写或刻蚀和沉积的过程)已制成面波导、线波导和点缺陷等缺陷。

电子束直写、反应离子束刻蚀、气相沉积、表面抛光和湿法刻蚀的联用, 可以用来制备三维光子晶体, 利用这种方法可以制备出相应的带有特定缺陷的三维光子晶体。由于当前制备工艺上的限制, 这种工艺也不容易制备出带隙在可见光区的光子晶体。虽然如此,Qi 等人进一步提出改进的制备方法, 提高了制备速度和效率。

对于三维光子晶体的制备过程中，科学家们还开发了一些新的制备技术。相干也是一个多光束全息好的制剂，它可以通过一个多光束相干晶格来形成几乎所有类型，例如面心立方金刚石结构，体心立方的，等等，所有这些都可以调整各个光束的相位和偏振而得到。但受到的激光束波长的限制，它仍然不能制备完全光子带隙可见光区的三维光子晶体。