第六章_亚波长结构和光子晶体
亚波长光学ppt课件
光源
传输
调制
探测
成像
显示 存储
4
• 典型的光学系统
光源
透
物
镜
体
5
光纤通信与传输
光纤通信 光存储
光存储
光 光学信息处理 光计算 光计算
在线检测
学
激光打印
的
广 阔
光空间传输
光遥感 光开关
应
光通信
危险环境测量 激光医学 激光加工 军事应用
用 光应用计算
遥感测量 光传感
分光分析
精密计量
26
近场光学的发展历程
• 1928年英国辛格和1956年美国的欧基夫先后提出在近场 光学中进行光学测量，可避免大于一个波长的距离之后光 波动性质的呈现与干扰，获得超越绕射极限的空间分辨率 。
• 1929年亚许(E.A.Ash)与尼可斯(G.Nichols)以波长是 3cm的微波证实在近场范围中达到1／60波长的空间分辨 率。
• Leviatan在1986年和Roberts在1987、1989、1991年运 用Bethe的理论分形了近场显微术中非常重要的孔经效应， 确认了孔经附近倏逝波的存在。
• 1986年宾尼等人在美国斯坦福大学发明的原子力显微镜。
• 基于隐失场探测的近场扫描光学显微镜、近场光谱仪已经 在物理、生物、化学、材料科学等领域中得到应用.
亚波长光学的研究进 展及应用
滕树云
2011-4-29 山东师范大学物理与电子科学学院
1
主要内容
• 什么是亚波长光学 • 亚波长光学的研究进展 • 亚波长光学的研究方法 • 亚波长光学的应用
2
一、亚波长光学
1、光学 (Optics)
• 光学——研究光（电磁波）的行为和性质，以及 光和物质相互作用的物理学科。
第六章亚波长结构和光子晶体
光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode) (2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
光子晶体集成光路
6.3 制作技术
• 叠层制作
胶体沉积
这里主要讲一下光子能隙导光机理： 在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中
的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条 件,其结果就是光子能隙导光理论。
空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是： 利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波
只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。包层中的 小孔点阵结构像一面镜子，使光在许多的空气小孔 和石英玻璃界面多次发生反射。
• 借用固体物理中晶体的结构思想，将固体 能带理论推广到介观尺度和宏观尺度用于 考察电磁波辐射与人工晶格的耦合作用；
光子晶体是什么？
周期排列的人工微结构材料
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
调控波的传播 光波 声波
光子带隙材料（光子晶体）
声子带隙材料（声子晶体）
光子晶体
三类晶体比较
性质 电子晶体
光子晶体
声子晶体
结构 结晶体(自然或生长的)
调控对象 参量
晶格常数
电子的输运行为 费米子 普适常数 原子数
1-5Å
由两种(或以上)介电材 料构成的周期性结构
电磁波的传播 玻色子 各组元的介电常数
由两种(或以上)弹性 材料构成的周期性结 构
机械波的传播 玻色子
各组元的பைடு நூலகம்量密度， 声波波度
John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489
光子晶体
光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
(2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
此外，光子晶体还可用于制造各种性能优 良的光通讯器件，如光子晶体激光器。
利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理 想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。
' r
2
c
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
三、光子晶体的应用 --光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤
2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E ）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；
2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数相当于
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的应用－光子晶体光纤 四、光子晶体的发展前景
一、光子晶体简介
光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。 从晶体结构来说，晶体内部的原子是周 期性有序排列的，正是这种周期势场的存 在，使得运动的电子受到周期势场的布拉 格散射，从而形成能带结构，带与带之间 可能存在带隙。
优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。
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。
1-D 2-D 3-D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222二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。
光子晶体和光子晶体光纤
[ 2 2 2m
V (r)]
Ee
（1-2）
式中，V(r)=V(r+Rn)，ħ为普朗克常数，Ee为电子的 能量，在周期性势场中只能取本征值。
光子晶体
Power point
光子帯隙的产生：
可以看出，方程（1-1）与方程（1-2）的形式完全相似，Ee在周 期性势场中只能取本征值，因此在周期性介电晶体中，ɛ0ω2/c2也 只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从 而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。
Power point
光子晶体光纤
大模场面积单模特性
NA (nc2o nc2l )1/ 2
NA>0.8
高数值孔径内包层光纤晶体光纤，可以使在包层孔径不 大的情况下，接受更多的泵浦光，即使泵浦光耦合更容 易。因此可以增加双包层光子晶体光纤纤芯与内包层的 面积比，这有利于改善泵浦光的吸收效率（容易耦合）。
对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时，
有
r
r
kn
光子晶体
光子帯隙的产生：
可将相对介电常数写为两个部分之和：
平均介电常数
和变动介电常数
' r
则有：
k 2
r r '
2
c2
代入波动方程，可得：
2
E
r
2
c2
' r
E r
2
c2
r
E r
Power point
光子晶体
Power point
Power point
光子晶体光纤
光子晶体光纤的主要特性
a.无截止单模特性 b.可控的色散特性 c.良好的非线性效应 d.优异的双折射特性
光子晶体结构设计及其对光波传导性能影响分析
光子晶体结构设计及其对光波传导性能影响分析光子晶体是一种具有周期性变化折射率的材料，在光学领域具有重要的应用和研究价值。
它具有独特的光学性质，可以引导、控制和调制光波的传播和性质。
光子晶体结构的设计和优化对于光波传导性能的影响至关重要。
一、光子晶体结构设计光子晶体的结构设计主要包括晶体的几何形状、周期性和材料的折射率分布等方面。
常见的光子晶体结构包括一维、二维和三维光子晶体。
在光子晶体的设计过程中，可以通过改变晶体的周期、孔隙的大小、形状和分布等方式来实现对光学性能的调控。
在一维光子晶体中，周期性是通过周期性变化的层状结构来实现的。
通过控制层状结构中层的厚度或材料的折射率，可以实现对光波的反射、透射和传导的调控。
例如，布拉格反射镜就是一种通过一维光子晶体结构设计实现高反射效果的光学元件。
在二维和三维光子晶体中，周期性是通过周期性排列的孔隙结构来实现的。
这些孔隙可以是球形、柱形或其他形状。
通过调控孔隙的大小、形状和分布，可以实现对光波的散射、吸收和传导的控制。
这些结构可以应用于光纤、光波导和光学微腔等光学元件的设计和优化。
二、光波传导性能分析光子晶体的光波传导性能与其结构参数、材料的折射率分布以及光波的频率密切相关。
正常情况下，光子晶体中存在能带结构，其中禁带是光波无法传播的频率范围，而导带是光波可以传导的频率范围。
通过调控光子晶体的结构和材料的折射率分布，可以实现禁带的调控和导带的控制。
对于一维光子晶体，禁带的宽度和中心频率与晶体的周期和材料的折射率密切相关。
当周期增大或折射率差异增大时，禁带宽度会增大，从而限制特定频率范围内光波的传播。
通过调控晶体的周期和材料的折射率，可以实现对光波传导性能的调控和优化。
对于二维和三维光子晶体，禁带的宽度和形状与晶体的孔隙形状、大小和分布密切相关。
当孔隙形状复杂或孔隙分布不均匀时，禁带宽度和形状会发生变化。
通过调控孔隙的形状、大小和分布，可以实现对光波传导性能的调控和优化。
光子晶体简介
第六组
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的发展历程 四、光子晶体的应用
五、光子晶体的发展前景
信息技术革命
标志：半导体技术
趋势：微型化和高度集成化
限制：纳米尺度的量子效应
摩尔定律 ：自从1970年以来，可以被放置 到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一 番的速度增长，这保证了计算机运算速度 在同时期随之翻番，价格减半。
T k 设E 0，H 0， E， H 分别是E和H的振幅 和初相位：
~ E 0 E 0 e i E ~ i H H 0 H 0e
2
代入波动方程，即可得： k r 0 r 0
2
定态下的电磁波波动方程为 2 2 Er k E r 0
半导体微纳米制造法
Layer by layer method
由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与 层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对 于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为 一个重复单元，构成面心四方结构。d为 每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示 一个重复单元的尺寸。 Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.
在二十年内，应该制造出第一个光子晶 体逻辑电路 。 再接下来，光子晶体驱动的光子计算机 可能会出现 。 由光子晶体制造的光通讯器件将会改变 光通讯的现状，光子晶体技术的发展必将对 光通信技术产生重大而深远的影响。
2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E r
亚波长分形结构光子带隙的研究
亚波长分形结构光子带隙的研究徐杰谌 导师：周磊摘要：我主要重复了周老师在平面分形结构的亚波长光子带隙的研究上的一些工作，从基础的分形以及介质理论入手，对比例定律和局部共振进行了模拟和实验，在此基础上，将理论、模拟和实验结合，形成一个比较完整的本科生近代物理实验。
光子带隙材料（PBG ）可以在特定的频率范围内内反射以任意角度入射的电磁波。
传统的光子带隙材料利用布拉格散射原理来产生禁带（forbidden band gap ），为了减小边界效应，材料的厚度和边界尺度必须是波长的几倍。
对于微波，几倍就意味着材料尺度需要达到1m 以上的数量级，这显然不实用。
选频材料（FSS ）利用一些金属单元周期性排列来实现对于电磁波的反射，但相应反射波长仍然受到结构元尺度的限制。
分形结构材料可以实现以亚波长的尺度来产生多重光子带隙。
几何上，分形是指任意大小的子图形与原图形完全一样的图形。
我们研究的结构是一种工字型的分形，在图1中展示的是一个11级分形。
分型结构级数的定义如下： 中间纵向最长的一根为分形第1级，长度记为a ；横向最长为第2级，长度为a ，有两根；纵向次长的四根为第3级，长度a/2；依次类推，分形的第n 级有12n 根，长度12/2n a 。
实验上直接用平面电磁波（TEM ）入射到分形板上来观察透射系数（21S ）以及相位，为了减小边界效应，分形板应该做得尽可能大（微波实验中一般使用500mm*500mm 左右的板）。
模拟只能针对有限的尺度进行，涉及到S 参数输出一般采用波导，为了使波导支持TEM 模式，可以将其平行于xz 平面的边界面设为0,0PEC n E nB，平行于yz 平面的边界面设为0,0PMC n B nE。
整个模拟及实验过程中隐含了一条很重要的比例定律（Scaling Law ），即某种结构如果尺度扩大一倍，那么相应频率需要缩小一倍。
如图2，（Lv 为级数，a 为分形第一级长度）a=64mm分形相当于把a=32mm分形的尺度扩大了一倍，我们可以看到，相应地，a=64mm分形在[0,4]GHz内的反射率与a=32mm分形在[0,8]GHz内的反射率一致。
光子晶体及其应用ppt课件
– 更大的带宽 • 电子系统：105 Hz • 光纤系统: 1015 Hz
• 无光子-光子相互作用 • 更小的能量损耗
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4
能
全光通讯
否
二十一世纪： internet era
控 制
全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
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？5
一 、光子晶体简介
• 光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学
微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带。
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•What is photonic crystal?
周期排列的人工微结构材料
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光子晶体图示
构成材料:
半导体、绝缘体、金属材料等
单元尺寸:
毫米、微米、ppt亚课件微. 米
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《科学》1998 Best bets 衰老、对付生化武器、光子晶体、
翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶
在生物界中，也不乏光子晶体的踪 影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅 膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排 列整p齐pt课的件.次微米结构，选择性反射 25 日光的结果.
green
blue brown
yellow
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2003年ANDREW R. PARKER等 发现一种澳洲昆士兰的东北部 森林的甲虫（Pachyrhynchus argus），它的外壳分布有和蛋 白石一样的光子晶体结构类似 物，其具有从任何方向都可见 的金属色泽。
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这种栖息于大陆棚上﹐有着刺 毛的低等海生无脊椎动物`海毛虫 (sea mouse)`具有引人瞩目的虹彩。 此种海毛虫的刺毛是由为数众多之 六角圆柱体层层叠积形成的结晶状 构造物,其具有与光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)--一样的物 理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且 仅反射某些波长的色光﹐而发出鲜 明色彩
亚波长金属光栅波导结构
亚波长金属光栅波导结构
亚波长金属光栅波导结构是一种利用亚波长金属光栅进行波导的光学结构。
它由亚波长金属光栅和两侧的介质层组成，通过控制光在介质层和金属光栅之间的传输，实现光的控制和调制。
这种结构的关键在于金属光栅的周期性排列，周期小于光波长，因此被称为亚波长金属光栅。
金属光栅的表面等离子体共振效应可以实现对光的限制和传输，使得光能够在金属光栅和介质层之间高效传输。
亚波长金属光栅波导结构在光学器件、光通信、传感等领域具有广泛的应用前景。
例如，可以利用这种结构制作表面等离子体共振传感器，用于检测生物分子、化学物质等。
此外，这种结构还可以用于制作光调制器、光开关等光学器件，实现高速光信号处理和光通信。
总的来说，亚波长金属光栅波导结构是一种具有重要应用价值的光学结构，其研究和发展对于推动光学领域的发展具有重要意义。
关于光子晶体的认识
摘要迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能.关键词光子晶体缺陷微腔关于光子晶体的认识光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术, 其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动.利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里.光通过90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,在这一点上, 光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势. 由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30°)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去. 上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗,更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究.光子晶体中的另一种缺陷形式——点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件.光子晶体中带隙的调控作用还体现在对光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch 就预见了光子晶体点缺陷形成激光器的可能.大体说来就是将光信号设计在导带区域,使其能够透过晶体继续传播,而噪声落入带隙区域被完全屏蔽,从而获得超过传统光源的高单色性激光输出.12年后,美国加州理工学院的A.Scherer研究小组首次实现了室温下抽运的光子晶体纳米激光器,翻开了世界范围光子晶体激光器研究工作实用化的新一页.该小组在包含有多层量子阱结构的砷化镓桥式薄膜上制作了光子晶体微腔, 利用局域缺陷模的高品质因子,为量子阱结构发光提供了反馈机制,从而实现了具有亚波长尺度的模式体积的纳米激光器.近年来,各种基于光子晶体的有源与无源器件在微纳米加工技术的支持下层出不穷,它们的出现提供了构成光子晶体集成光学回路的基本功能单元.目前人工制作的光子晶体包括一维,二维和三维晶体.一维光子晶体主要应用于薄膜光电子学和光栅光学领域中,但受维度所限,折射率调制作用一般比较小.三维光子晶体现有的应用是作为微波波段的天线,而由于加工和集成化的困难,鲜有应用于光频段的实用三维光子晶体器件出现.对二维光子晶体而言,无论是在微波还是光频波段,其加工技术已经十分成熟,尤其是随着微纳米加工技术的不断发展,二维平板光子晶体器件性能更加可靠,此外由于其所利用的材质与已形成工业化生产的半导体光电材料一致,更为实现光电集成提供了可能.对于完整的光子晶体而言,特定晶向上会出现导带与带隙.光子可以在导带中传播,在带隙中则不能存在.点缺陷是通过破坏一个或多个光子晶体“原子”形成的,它的作用通常是使原先带隙的区域出现若干个缺陷态.光子可以在缺陷态中存在,因此点缺陷被当作是二维平板光子晶体中的光共振腔,提供光子传播过程中的局域或耦合机制.如前所述,不同类型的缺陷(线缺陷和点缺陷)功能各异,所以当它们集于一体时就形成了集成化的二维光子晶体器件.这种尺寸只有传统光学器件几千甚至几万分之一大小的光子晶体集成器件却几乎具备了传统光学器件的全部功能,涵盖了通信和激光源等领域所有的基本需求.光子晶体中的点缺陷形成了光学微腔,微腔的性能参数通过控制微腔的形态和尺寸大小来确定.常见的微腔形成方法有3种:或增大某基元的占空比,或减小某基元的占空比,或使用其他介质替位.这些操作最终形成的微腔功能多种多样,其中典型的两类功能是用作高品质因子的光学共振腔和光传播过程中的耦合器.作为第一种应用是利用微腔对光子局域作用,将波导中传输的光通过微腔与波导间的共振耦合转移并存储到微腔中,微腔的形态经过特定设计,确保光子经多次共振增强后直接向平板光子晶体表面辐射,形成高品质因子的激光输出.这种垂直出射的光学共振腔类似于表面发射激光器,是将水平方向传播的光转换到垂直方向上的发射的一种有效方法.微腔的另一种作用是作为耦合器,将输入波导中的光信号耦合到输出波导中.在这种情况下,需要微腔的共振模与输入输出波导的传播模式完全匹配.当满足共振波长的光子进入输入波导后,将通过波导与微腔之间的共振耦合效应局域在微腔中,进而再由微腔向输出波导耦合.此时微腔起到了耦合器的作用,与传统环形腔耦合器作用近似.高品质因子(Q 值)光子晶体微腔对光子晶体的应用具有举足轻重的作用.一个光学性能优异的微腔不仅为光耦合传输提供了保证,而且其本身作为光学共振腔的存储和发射光子的作用更为重要.如何提高光子晶体微腔的品质因子这一问题已研究多年,虽然方法层出不穷,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存储的稳定性,减少向周围环境的辐射.Painter 小组从傅里叶频谱与光子动量的转换关系出发,制作了Q值达到13000的微腔,但研究的进展还远不止于此,随后Q值的增长呈现出以若干个数量级为单位的趋势.由于微腔由点缺陷构成,缺陷与周围晶体在电场分布上会出现相当“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解决这一问题就需要将腔内电场分布改善为理想高斯型分布,由中心向腔两端对称平缓递减.这样的模式分布使得腔内电场的低空间频率的分量(泄露模式)大幅度减少,从而使腔内光场能量向周围空气背景辐射的几率大大降低了,Q值显著提高.当微腔和两侧区域由不同晶格常数的光子晶体拼接而成时,如果可以将微腔的共振频率设计在两侧光子晶体的带隙中时,理论计算发现,这种所谓的“异质结结构”的光子微腔,其电场分布十分接近于理想的高斯型分布.光子晶体还可以提高发光二极管的发光效率.传统发光二极管发出的光中,有很大比例的能量转化为平面内传播的波导模式,只能从发光二极管的侧面辐射出去,由于侧面的面积远小于上表面的面积,发光效率受到了极大的限制.一个有效的解决方案是在发光二极管的表面制作上一层二维光子晶体,由于平面内光子带隙的存在,使得平面内传播的波导模式受到很大的抑制,从而大大提高光沿发光二极管垂直方向的辐射效率.光子晶体的出现更为许多发光材料的开发拓展了思路,以往被认为由于荧光的难以控制而无法用作可靠光源的材料,比如氧化锌材料,都在光子晶体的发展带动下加入到有源器件的行列中,成为了新一代光源的研究方向.集成化的光学器件不仅包括光信号的产生,还需要在传送的过程中进行适当的调制.光开关是对光信号调制的一个重要方面.当入射光强与介质中原子内场强度相当时,将激发介质的高阶极化,改变了材料的折射率,实现开关效应.利用光子晶体作为光开关时,介质折射率的周期性分布使光子晶体本身产生带隙,落入带隙中的光信号无法通过晶体,此时光开关处于“关闭”的状态,当有强抽运光入射到晶体上,由于晶体材质本身折射率在非线性作用下发生变化,破坏了初始的能带分布.在合理地选择晶体材质与抽运光的情况下,原先带隙的位置及大小受到调制,使原本落在带隙中的光子进入导带,光信号通过晶体继续传播,实现了光开关的“开启”功能.通过对光子晶体更为复杂的设计,还有望实现具有逻辑功能的光学开光,如双稳态光开关,通过多束光的共同作用,使信号输出满足各种需求.任何一种新的科学技术手段的出现都是在人们生产与生活的需求推动下应运而生的.任何一种新技术的成长也是要经历漫长的探索和不懈的尝试才最终得以完善.光子晶体自提出至今已有20年的时间,对它的研究遍及世界范围,从最初概念性的尝试到如今成品化器件的出现,可以看到光子晶体的应用已逐步向实用化迈进.对光子晶体器件设计构思的不断改进,以获得更高效,更稳定,更精密的器件性能为目标,同时继续向更深更广的层面上探索尚未发现的新功能.而实用方面,降低制作难度,减少成本投入,增强稳固性,这也是光子晶体器件用于光学集成所必须实现的目标.虽然仍有许多困难需要克服,但光子晶体无论用于有源还是无源光电子器件的优势已经突显出来,实现了前所未见的功能和效应.相信随着对这一领域研究的深入发展,将进一步推动光子晶体器件的全光集成化,为光电子通信领域带来全新的景象.。
光子晶体课件ppt
解决方法
假若用光线来代替电子传递信号，则可以让生产百亿Hz（1012 Hz）的 个人电脑成为可能。这种高速的处理器可以用“光子晶体”（quasicrystal） 的物质所产生的光成分实现。这些材料均具有高度的周期性结构，这种周 期性可以用来控制和操纵光波的产生和传播。
有2％的能量被发射出去
光子晶体天线
针对某微波频段可设
计出需要的光子晶体，并 让该光子晶体作为天线的 基片。因为此微波波段落 在光子晶体的禁带中，因 此基底不 会吸收微波，这
就实现了无损耗全反射，
把能量全部发射到空中。
第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功
微波领域中的应用—手机的辐射防护
1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据 实验量得的透射频谱，所对应的三维 能带结构右图所 示：
第一个功败垂成的三维光子晶体
遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之 故， 在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内 的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudo gap)
利用光子晶体可以 抑制某种频率的微波传 播的原理，可以在手机 的天线部位制造维播放 护罩，从而避免对人体 有害的微波辐射直接照 射手机用户的头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一个美好的 前景。
手机的危害
手机是一个小型的、但能量极强的 电磁波发生器，其工作频率890MHz 到965MHz，辐射出的电磁波对人体
光子晶体原理及应用
光子晶体原理及应用一、绪论1.1光子晶体的基本概念光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。
在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。
人们又将光子晶体称为光子带隙材料。
与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。
一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。
实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。
二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。
光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。
1.2光子带隙光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。
研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。
所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。
所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。
总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。
二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究2.1一维光子晶体的传输矩阵法设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的折射率是nb，厚度为hb，那么周期d=a+b，A、B总层数为N。
以AB材料进行仿真计算。
仿真程序clear allna=2.35;nb=1.38;ha=63.8e-9;hb=108.7e-9;yeta1=na;yeta2=nb;yeta0=1;bo=400:1:900;derta1=(2*pi*na*ha)./(bo*1e-9);derta2=(2*pi*nb*hb)./(bo*1e-9);num=length(bo);for j=1:num;Ma=[cos(derta1(j)),-i*sin(derta1(j))./yeta1;-i*yeta1*sin(derta1(j)),cos(derta1(j))]; Mb=[cos(derta2(j)),-i*sin(derta2(j))./yeta2;-i*yeta2*sin(derta2(j)),cos(derta2(j))]; Mab=Ma*Mb;N=10;M=Mab^N;Rfan(j)=abs((M(1,1)*(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*(yeta0)-M(2,1)-M(2,2)*(yeta0))./(M(1, 1) *(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*sqrt(yeta0)+M(2,1)+M(2,2)*(yeta0)))^2;endfigure(1);plot(bo,Rfan,'k');box on;首先，我们A材料的折射率为2.35，B材料的折射率为1.38，AB 材料组成的光子晶体的介质层数为10层，进行了matlab仿真，得到如下的图形然后我们更改介质层数为20层：最后我们更改介质层数为30层：对比以上三个图我们可以看出，一维二元光子晶体的投射特性与组成光子晶体的介质层数有关，介质层周期越大，越有利于形成禁带。
光子晶体结构光学器件设计原理
光子晶体结构光学器件设计原理光子晶体是一种周期性的介质结构，具有特殊的光学性质。
它的设计原理是通过调控介质的周期性分布，改变光的传播特性和能带结构，从而实现对光的控制。
光子晶体结构光学器件是利用光子晶体的特性设计和制作的一类器件，广泛应用于光通信、光电显示、光电子学等领域。
光子晶体的设计离不开光的传播特性和能带结构的理解。
光子晶体中的光的传播是基于电磁波在介质中的传播原理，利用介质的周期性结构形成光的衍射效应。
在光子晶体中，光的传播受到周期性介质结构的布拉格衍射的影响，只有在特定的频率和入射角度下才能形成完全反射，这称为光子禁带。
光子晶体的能带结构则决定了在不同频率范围内光的传播特性，包括能带宽度和能带间隙。
光子晶体结构光学器件的设计原理主要包括两方面：光子禁带的设计和光的导向控制。
在光子禁带的设计方面，我们需要根据应用需求选择合适的光子晶体材料和结构参数，以实现所需的光子禁带宽度和中心频率。
光子晶体材料的选择通常依赖于其折射率差异和光学非线性特性，常见的材料包括二维光子晶体、三维光子晶体和一维光子晶体。
而结构参数包括周期、晶胞大小和形状等，可以通过调节这些参数来实现对光子禁带的调控。
光子晶体结构光学器件还需要实现对光的导向控制，包括光的传输、分束和聚焦等功能。
这需要通过设计特定的光子晶体结构，如波导、光纤和透镜等器件，来实现对入射光的控制。
光子晶体波导是一种将光引导到目标位置的器件，其通过调整波导材料的折射率和波导结构的形状来控制光的传输路径和模式。
光子晶体光纤是一种将光信号传输到远距离的器件，其内部的光子晶体结构可以实现对光信号的隔离和控制。
光子晶体透镜是一种控制光的聚焦和散射的器件，可以调整透镜材料的折射率和透镜形状来实现对光的聚焦和调整。
光子晶体结构光学器件的设计还需要考虑器件的工作波长范围、传输效率、光损耗和制作成本等因素。
其中，工作波长范围是指器件能够有效工作的光波长范围，可通过调整光子晶体材料的折射率和结构参数来实现。
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三类晶体比较
性质 电子晶体
光子晶体
声子晶体
结构 结晶体(自然或生长的)
调控对象 参量
晶格常数
电子的输运行为 费米子 普适常数 原子数
1-5Å
由两种(或以上)介电材 料构成的周期性结构
电磁波的传播 玻色子 各组元的介电常数
由两种(或以上)弹性 材料构成的周期性结 构
机械波的传播 玻色子
各组元的质量密度， 声波波度
光子晶体
1987年 光子能带
（光子带隙）Nobel?
1991年 实验验证 1990年代 原型器件
目前 探索集成光路
21世纪 光子技术革命
国际上激烈竞争
DARPA 重组天线计划
美
可调光子晶体计划
日
超快光子学计划
毫米和亚毫米波段的集成天线技术 基于光子晶体的光子集成线路计划 欧
基于蛋白石结构的光子晶体
2 光子局域
在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺 陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位 置，而不能向空间传播。
点缺陷 线缺陷 面缺陷
光子晶体的能带结构
光子能带结构
频率
允许带 :
可设计在可见光、红外、微波、声波范围
带隙效应
限制
操控光子的流动
转弯
微腔
波导
抑制自发辐射
波导
均匀介质 光子晶体
1m-1cm
1mm-1m
尺度 原子尺度
电磁波波长
声波波长
波
德布罗意波(电子)
电磁波(光子)
机械波(声波)
偏振 自旋，
横波
横波与纵波的耦合
波动方程 薛定谔方程
麦克斯韦方程
弹性波波动方程
特征 电子禁带，缺陷态，表 光子禁带，局域模式， 声子禁带，局域模式，
迅速成为国际学术界的研究热点
93年起，研究论文每年增长 > 70%
• 借用固体物理中晶体的结构思想，将固体 能带理论推广到介观尺度和宏观尺度用于 考察电磁波辐射与人工晶格的耦合作用；
光子晶体是什么？
周期排列的人工微结构材料
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
调控波的传播 光波 声波
光子带隙材料（光子晶体）
声子带隙材料（声子晶体）
光子晶体
具有不同介电常数的介质材料 随空间呈周期性的变化时，在 其中传播的光波的色散曲线将 成带状结构，当这种空间有序 排列的周期可与光的波长相比 位于同一量级，而折射率的变 化反差较大时带与带之间有可 能会出现类似于半导体禁带的 “光子禁带”(photonic band gap) 。
Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062
研究动态
目前仍然处于基础研究阶段，包括周期性微结构及 其缺陷的制备技术，光子晶体及其缺陷控制电磁波 产生，传播的物理机理，以及光子晶体与器件的测 试与表征及其应用原理探索。
周期结构中的电磁波理论以及性能仿真手段相对成 熟；微波波段光子晶体相对成熟；
挑战：光波波段光子晶体的加工制备及其测试表征。
红外及可见光波段：应用领域：光通信，光信息处理，光传感和控制等； － 红外探测器光子晶体探测头(1998,Sandia国家实验室)； － 光子晶体反射镜，光子晶体光纤(MIT, Bath大学，1999） － 光子晶体波分复用器件(英国St.Androws大学，2002) － 人工蛋白石微球产生宽可见光带隙(英国Glasgow大学)
John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489
光子晶体--自然界中的例子
Butterfly
Opal
Sea mouse
蛋白石，蝴蝶翅膀，孔雀羽毛，海老鼠毛等。
光子晶体的特性
1 光子带隙
在一定频率范围内的光子在光子晶 体内的某些方向上是严格禁止传播 的
晶格类型， 光子材料的介电常数配比， 高介电常数材料的填充比。
《科学》1998 Best bets
衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治
疗、全球气候走向
《科学》1999 Runners-up
半导体~光子晶体
光半导体 未来的半导体
半导体
1930年代 电子能带论 （电子带隙）
1948年 发明晶体管 Nobel
1958年 发明集成电路 Nobel
1960年代以后 微电子革命
怎样理解复杂的系统
光子晶体的应用
1 .光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤
空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤
PCF导光机理可以分为两类：
折射率导光机理 光子能隙导光机理
波长尺度的通讯用光子部件
对国民经济科技发展的影响
光通讯 微波通讯
地下资源 探测
特种声源
光子集成
光子芯片
人工带隙材料
光电子集成
无阈值激光器
对地观测
光学系统小型化
发展动态
1987， 美国Bell实验室的E.Yablonovitch， Princeton大 学的S.John提出光子晶体概念。
1990， 美国Iowa州立大学K.M.Ho计算验证金刚石存在 光子晶体；
1991, E.Yablonovitch自己制作了第一个具有全方位光 子带隙结构（10-13 GHz）,首次在微波波段试验验证了 光子禁带的存在。
在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。 他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方 法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这 种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面 的微波从任何方向传播出去。
微波波段光子晶体
－ 1993年，美国研制反射率接近１００％的光子 晶体偶极子天线；
－1996-1999年，光子晶体微带贴片天线，抑制谐 振模式，消除表面波影响，提高天线效率；
－1999年，Conexant国际公司研制成功光子晶体人 体防护天线。
－1996-1999年，光子晶体微带传输线，宽带放大 器，滤波器等．
第六章 亚波长结构和光子晶体
概述
• 按照光栅结构与波长的关系，可分为三种：
亚波长结构
特点： 结构周期< 波长
多层膜系
光学微结构
应用：减反，偏振等
减反结构（10.6m）
等效折射率
设计方法
6.2 光子晶体
• 材料，能源和信息是当今世界文明的三大 支柱；
• 光子晶体是一种新型的人工结构功能材料， 通过设计可以人为调控经典波的传输；