ch2 光子晶体和光子芯片

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光子晶体的研究及其应用

光子晶体的研究及其应用

光子晶体的研究及其应用光子晶体是指空间微结构周期性排列形成的光子带隙材料,这种材料具有特殊的光学性质。

光子带隙是指在一定频率范围内光子无法通过材料的性质,也即晶体对该频率的光波进行反射或吸收。

这种特殊性质让光子晶体成为一种重要的光学材料,在传感、通信、光学器件等领域具有广泛的应用前景。

一、光子晶体的发现光子晶体的研究起源于19世纪的布拉格散射现象。

20世纪80年代,在半导体技术的基础上,研究人员开始尝试制备光学晶体。

1992年,来自日本冈山大学的研究人员首次报道了用二氧化硅微球制备的三维光子晶体,引起了学术界的广泛关注。

此后,光子晶体研究迅速发展,不断涌现出各种新型材料和制备方法。

二、光子晶体的制备方法目前,光子晶体的制备方法主要包括自组装法、光刻法、原子层沉积法等多种方式。

其中,自组装法是其中最为常用的方法之一。

通过自组装技术,在介孔材料中添加有机分子和水,利用溶剂挥发和多种相互作用力的复合效应,可制备出具有周期性结构的光子晶体。

三、光子晶体的应用光子晶体的应用非常广泛,包括传感、通信、光学器件等多个领域。

1. 传感:光子晶体在传感领域的应用主要体现在生化传感和环境监测。

利用气敏材料、生物分子等将较小的变化转化为对光子晶体的微观结构和大小的影响,从而实现对较小物理量的测量和监测。

例如,利用光子晶体制备的生物芯片可实现对一系列生物分子的灵敏检测,具有在诊断和治疗等方面的广泛应用前景。

2. 通信:在通信领域,光子晶体可以作为光学滤波器来实现光信号的选择和放大,并可用于光纤通信系统、微波光子学等多种场合。

例如,利用光子晶体制备的微腔可实现高质量光学微腔,可在通信系统中用于调制、开关、振荡等多种操作。

3. 光学器件:最新的研究表明,在光学器件中,光子晶体可被应用于光电子集成领域,使光电器件变得更加紧凑和高效。

例如,利用纳米级光子晶体制备的激光器,可实现更高的输出功率和较低的阈值电流。

据估计,这些性能优良的光学器件未来可能取代现有的微电子器件,成为下一代高速处理和信息传输系统的核心。

光子晶体

光子晶体
光子晶体 — 简介篇
王鑫
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 四、光子晶体未来应用之展望
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
光子晶体简介
光子晶体概念的产生:
如图是目前英国斯温 顿Bath大学的实验性 光子晶体光纤实物图 和传输效果图。
返回
光电元件中的应用--低阈值激光发射器
发射波长的 变化会改变
传输损耗
随功率的增 加线宽趋于饱 和, 并重新展 宽
传统激光器的缺点
辐射角比 较大
耦合效率不高
光电元件中的应用--低阈值激光发射器
但如果在一块三维光子晶体的 光子禁带中引入缺陷,然后在其中 放置工作物质,缺陷态将构成一个 波导,激光发出的方向将 沿此方向, 同样自发辐射也只能沿此方向,即 自发辐 射与激光出射方向角几乎为 零。这样几乎所有的自发辐射都用 来激发已实现反转分布的激活介质 而无其他损失。泵浦的能量几乎全 部用来产生激光, 这使激光器阈值 降低,并且提高了能量转换效率。 这种激光器体积小、 阈值低, 功 率高、 易于光纤耦合, 且可在小 区域密集分布的。
一个周期势场;
2
c2
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
1.微波领域中的应用 2.电子计算机技术中的应用 3.光电元件中的应用 4. 其他方面应用
微波领域中的应用—天线
平均介电常数

光子晶体定义

光子晶体定义

光子晶体定义
光子晶体是一种具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。

从材料结构上看,光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。

光子晶体即光子禁带材料,使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

它是一种具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体,其内部的光子能级在特定频率范围内具有带隙特性,即某些频率的光子无法在其中传播。

这种特性使得光子晶体在光学领域具有广泛的应用前景,例如光子禁带滤波器、光子晶体激光器、光子晶体传感器等。

它的周期性介电结构可以由多种材料制成,例如二氧化硅、氮化硅、聚合物等。

这些材料具有不同的介电常数和折射率,因此可以通过改变材料的组成和结构来调节光子晶体的带隙特性。

光子晶体的带隙特性可以通过不同的方式进行调节,例如改变光子晶体的尺寸、形状和介电常数等。

此外,还可以通过引入缺陷或改变光子晶体的对称性等方式来控制光子在其中的传播。

在光学领域的应用前景非常广泛,例如在通信领域中可以用于制造高性能的光子晶体滤波器,提高通信系统的性能和稳定性;在生物医学领域中可以用于制造光子晶体传感器,检测生物分子和细胞的变化;在能源领域中可以用于制造高效的光子晶体太阳能电池,提高太阳能的利用率。

光子晶体是一种具有广泛应用前景的新型光学材料,其带隙特性和应用前景受到广泛关注和研究。

光子晶体新材料及其应用研究

光子晶体新材料及其应用研究

光子晶体新材料及其应用研究光子晶体是新兴的一种功能材料,它具有优异的光学性质和广泛的应用潜力。

对光子晶体的研究不仅推动了基础光学学科的发展,还引发了许多新兴领域的研究和应用。

本文将就光子晶体的基本原理、制备方法及其在光学、电子、能源等领域的应用进行详细探讨。

光子晶体是一种具有周期性的介质结构,其周期与入射光的波长在同一个数量级上,导致光子晶体能够选择性地控制光的传播和能带结构。

光子晶体研究的核心问题就是找到对特定波长的光具有禁带效应的介质结构。

光子晶体的制备方法多种多样,常见的方法有光刻、自组装、电子束曝光、溶胶凝胶法等。

其中,光刻是一种常用的光子晶体制备方法,通过光刻胶和光刻技术可以制备出具有亚微米或纳米级周期结构的光子晶体。

此外,自组装是一种基于表面张力和间距选择性的制备方法,其原理是通过在表面引入适当的分子,使得分子在溶液中能够自发地形成规则的周期结构。

光子晶体具有丰富的光学性质和应用潜力。

光子晶体材料具有宽禁带、全反射、禁止局域模式等特点,其在光学器件领域的应用广泛,如光子晶体光纤、反射镜、滤波器等。

此外,光子晶体还具有优异的波导、光学谐振腔、光波导耦合等性质,因此在光学通信、光学计算和光学信息处理方面具有巨大的潜力。

除了在光学领域的应用,光子晶体在电子学和能源领域也表现出了广阔的应用前景。

光子晶体光带隙材料具有较小的折射率和色散,可以用于制备高效的光电池、太阳能电池等光电器件。

光子晶体在传感器方面的应用也备受关注,其通过调控光的传播特性实现对气体、生物分子等物质的高灵敏检测。

光子晶体还在化学和生物学研究中发挥着重要的作用。

通过调控光子晶体的结构和材料可以制备出具有特定传感功能的纳米粒子和薄膜,用于药物传递、分子识别和催化等领域。

此外,光子晶体还可以应用于生物成像和光学探针等方面,为生物医学研究提供了新的工具。

尽管光子晶体在许多领域的应用潜力巨大,但其制备工艺和性能优化仍然面临挑战。

一方面,光子晶体制备的技术要求较高,需要精确控制材料结构和周期性;另一方面,光子晶体的应用还需要进一步研究其与其他材料的相容性和复杂环境下的表现。

光子晶体国外发展现状

光子晶体国外发展现状

光子晶体国外发展现状
光子晶体是一种具有周期性结构的光子材料,由于其具有光子禁带结构和光子导波效应,在光通信、传感和光电器件等领域具有广泛的应用潜力。

以下将介绍光子晶体在国外的发展现状。

在国外,光子晶体的研究和应用已经取得了很大的进展。

美国、日本和欧洲的一些研究机构和大学在光子晶体领域进行了深入的研究,并取得了许多重要成果。

在光通信领域,研究人员利用光子晶体的光子禁带结构和光子导波效应,开发出了一系列光子集成器件。

其中包括基于光子晶体波导的光开关、光调制器和光放大器等。

这些器件具有小尺寸、低损耗和高速度等优势,可以实现高容量和高速率的光通信系统。

在光传感领域,光子晶体具有优异的传感性能。

研究人员通过改变光子晶体的结构和材料,将光子晶体应用于气体传感、生物传感和化学传感等领域。

例如,利用光子晶体结构的反射光谱特性,可以实现对微小气体浓度变化的高灵敏度检测。

此外,光子晶体还在光子学器件、光子芯片和光子集成系统等领域得到了广泛应用。

研究人员通过光子晶体的设计和制备,可以实现复杂的光子器件和光子芯片结构,从而实现光信号的处理和控制。

总之,光子晶体在国外的发展取得了显著进展,在光通信、传感和光电器件等领域具有广泛的应用潜力。

随着技术的不断进
步和研究的深入,相信光子晶体将在未来发展中发挥更重要的作用。

光子晶体技术和光子晶体器件的应用

光子晶体技术和光子晶体器件的应用

光子晶体技术和光子晶体器件的应用光子晶体是具有周期性光学响应的材料,由光子能带结构构成。

相比于普通的材料,光子晶体在光学上有着许多独特的性质,如光子带隙、光子拓扑绝缘体、光波导等。

因此,光子晶体技术被广泛用于光学通信、光学传感、光子计算、激光加工等领域。

作为光子晶体的核心,光子晶体器件是一类基于光子晶体的光学器件。

光子晶体器件具有高质量因子、小体积、低耗能等优点。

下面我们将分别介绍几种常用的光子晶体器件及其在不同领域的应用。

光子晶体波导光子晶体波导是将光子晶体制作成波导的器件。

一般来说,传统的光波导往往在直线导光的过程中会发生反射、拐弯等现象,从而降低了传输效率。

而光子晶体波导能够在光子带隙内传输,杜绝了这些问题。

光子晶体波导的应用主要在光通信和激光加工领域。

在光通信中,光子晶体波导被广泛应用于光纤通信、无线通信、激光雷达等领域,提高了通信的传输速率和单元容量。

在激光加工方面,光子晶体波导则被应用于激光机的腔内,起到滤波、增强激光功率等作用。

光子晶体超材料光子晶体超材料是利用光子晶体的频率选择性和相位调控等特点制作的超材料。

在光学上,光子晶体超材料能够呈现出各种奇特的物理现象和效应,如负折射、透射率控制、光学透镜等。

光子晶体超材料的应用则涉及到多个领域,如电磁波防护、光学成像、光子芯片等。

在电磁波防护中,光子晶体超材料被应用于隐身材料、电子屏蔽等方面,对于提高防护性能有着显著的效果。

在光学成像方面,光子晶体超材料则被应用于纳米级别的超分辨成像,如STED、PALM等技术。

光子晶体传感器光子晶体传感器利用了光子晶体的色散、吸收、散射等特性制作而成。

相比于传统的电学和机械传感器,光子晶体传感器具有更高的检测精度、更广泛的适用范围和更长的使用寿命等优点。

光子晶体传感器的应用主要在医疗、工业生产和环境监测等领域。

在医疗领域,光子晶体传感器被应用于体液成分分析、干细胞定位等方面。

在工业生产中,光子晶体传感器则被应用于自动化生产、质量检测等方面。

光子晶体与光子带隙材料

光子晶体与光子带隙材料

光子晶体与光子带隙材料光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料,其在光学上表现出与电子晶体在电学上相似的行为。

它具有一些特殊的光学性质,如光子带隙效应,这使得光子晶体在光子学领域中具有广泛的应用前景。

光子晶体的制备方法有许多种,其中最常见的是使用球形微粒排列成三维周期性结构。

这些微粒可以是纳米颗粒、胶体微球等。

通过控制微粒的大小、间距和排列方式,可以调控光子晶体的光学性质。

光子带隙是光子晶体最重要的特性之一。

它指的是光子晶体中某些范围内的光波无法传播的现象。

在这个范围内,材料对这些波长的光具有高度的反射率,形成了禁带,使得这些光波无法通过光子晶体。

光子带隙的大小取决于光子晶体的结构和成分,可以通过调节微粒的大小和间距来精确控制。

光子晶体通过光子带隙效应实现了对光的波长和传播方向的控制。

这使得光子晶体在光学传感、光学波导、光学谐振腔等领域有着广泛的应用。

例如,在光学传感方面,光子晶体可以通过改变环境的折射率来实现光信号的灵敏检测,具有高灵敏度和高选择性。

在光学波导方面,光子晶体可以将光束限制在一个很小的区域内传输,从而实现高效的光能量传输和信息传输。

此外,光子晶体还可以用于制造高效的发光器件、激光器、太阳能电池等,具有重要的应用价值。

除了光子晶体,光子带隙材料也是一种重要的光学材料。

光子带隙材料是指具有光子带隙的材料,它们不一定具有周期性的结构,但在特定波长范围内能够实现光的禁带效应。

光子带隙材料可以通过控制结构和成分来调整光子带隙的性质,从而实现对光的波长和传播方向的选择性控制。

光子带隙材料具有很大的应用潜力。

其中最具代表性的就是非线性光学材料。

由于光子带隙材料对光的强度和频率有着极强的依赖性,因此可以用于制造光电调制器、光开关等光学器件。

此外,光子带隙材料还可以应用于光谱学、光学信息存储、光学成像等领域。

总结起来,光子晶体和光子带隙材料都是具有特殊光学性质的材料。

它们通过光子带隙效应实现了对光波的波长和传播方向的控制,具有广泛的应用前景。

光子晶体技术的应用前景

光子晶体技术的应用前景

光子晶体技术的应用前景近年来,光子晶体技术的研究取得了长足的进步,成为了一个新的热点领域。

光子晶体是一种周期性的介质,它的微观结构呈现出三维的周期性,可以选择性地控制光的传播和反射,被誉为光学中的“半导体”。

光子晶体技术的应用前景广阔。

其中,最有吸引力的是其在通信领域中的应用。

通信领域对光纤的需求越来越高,而光子晶体技术可以实现高效的光纤设备,因此它非常适合应用在通信网络中。

光子晶体光纤可以直接在芯片上制造,它利用光子晶体中的光子禁带结构来控制光的传输,具有高效稳定的传输性能,通信速度可比传统光纤快几倍甚至十倍以上。

另外,随着光子晶体技术的发展,它的应用范围不断扩大,比如在医疗领域中,光子晶体可以用于制造超光学显微镜、纳米探针、光子芯片和药物释放系统等。

超光学显微镜利用光子晶体控制光束,具有足够的分辨率和灵敏度,可以实现单分子分辨率的显微成像;纳米探针则利用光子晶体的光子禁带结构,制造探头并使其进入细胞进行生物的光学测量;光子芯片用光子晶体控制光子在芯片上传输,可用于集成光通信器件;药物释放系统则利用光子晶体的响应特性,可以实现药物在特定区域的定向释放。

此外,光子晶体技术在生物传感领域也有一定的应用前景。

如今,人们越来越注重健康,因此对这方面的研究也越来越多。

光子晶体结构能够对特定环境下的,如温度、湿度等物理机理变化敏感,能够制造出具有高精度的生物物理传感器。

在生物诊断中可以用于检测蛋白质、糖类等生物分子的浓度和活性,具有非常高的检测精度和灵敏度,可以大大提高临床识别疾病的准确性。

光子晶体技术在能源领域也有应用前景。

如光催化剂的制备,通过调节光子晶体结构,可以最大限度地利用太阳光来催化光解水的过程,生成氢气,提供光催化的效率和稳定性。

光子晶体还能够发挥其他能源领域的作用,如钙钛矿太阳能电池、有机光伏器件等。

光子晶体技术的应用前景非常广阔,是未来科技发展的一项重要技术。

虽然光子晶体技术还有很多问题需要解决,如光子晶体材料制备的问题、大规模制造的难度、芯片成本的高昂等,但是这些都不能阻挡它的发展趋势。

光子晶体的新材料及应用

光子晶体的新材料及应用

光子晶体的新材料及应用光子晶体是一种由一维、二维或三维周期性结构组成的材料。

光子晶体具有多种优良的光学特性,如光子带隙、负折射率、高色散等,因此在光学器件和光子学中有着广泛的应用。

一、光子晶体的制备方法目前,光子晶体的制备方法主要有自组装法、光刻法、溶胶-凝胶法、电化学法、离子束法和模板法等。

其中,自组装法是目前最常用的制备方法之一,它将聚集的矽烷或金属离子自发排列成三维光子晶体结构,在光子带隙的位置会出现光的反射与折射,形成有特殊光学性质的材料。

二、新型光子晶体材料1、量子点光子晶体量子点是一种极小尺寸的材料,具有发光和荧光性质,并具有尺寸效应等特性。

将量子点与光子晶体结合起来可制得量子点光子晶体材料,拥有多个光子能带隙和多重发光谱的特性,有望广泛应用于生物医学成像、信息存储、光电器件等领域。

2、纳米线光子晶体纳米线光子晶体是由一维或二维有序排列的纳米线构成的光子晶体材料,拥有很高的表面积和与光相互作用的有效面积。

纳米线光子晶体的光电性能在光传感和太阳能电池等领域有广泛应用前景。

3、金属有机骨架光子晶体金属有机骨架(MOF)是一种由金属离子和有机小分子通过共价键或配位键链接构成的材料。

研究人员发现,MOF可作为一种新型、有前途的光子晶体材料,用于气体分离、药物运载、光催化和光采集等方面。

三、光子晶体的应用光子晶体具有多种优异的光学特性,因此在各种光子学器件和光学器件中有广泛的应用,如激光、光通信、光传感、光敏器件、太阳能电池等。

以下是几个典型的应用案例:1、光子晶体光纤光子晶体光纤是一种用于光通信和制备光纤传感器的新型光学芯片,其特点是有多个光子带隙,能抑制传输波长的传输,避免光的散射和衰减,可大幅提高光纤传输信号的稳定性和精度。

2、光子晶体传感器光子晶体传感器是利用光子晶体的光学结构和生物分子的相互作用实现物质检测的传感器。

它不仅具有高灵敏度、快速响应和高可重复性的优良特性,而且可以实现对多种不同物质的高效检测。

有望掀起一场新技术革命的特殊材料——光子晶体

有望掀起一场新技术革命的特殊材料——光子晶体

图1 一维光子晶体(a),二维光子晶体(b)和三维光子晶体(c)
其实,自然界中早就存在光子晶体,例
图2 具有光子晶体结构的蛋白石(a),蝴蝶翅膀(b)和鱼鳞片(c)
光子晶体的出现给科学家以无限遐想,而其最引人入胜之处在于,科学家将有望自由
它们突然“苏醒”过来了,又“记忆”起了
(a) 原始形状 (b) 拉 直 (c) 加热后恢复
图1 形状记忆效应简易演示实验
形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百,即恢复到和原来一模一样的形状,更可贵之处在于这种“记忆”本领即
(a)记忆合金 (b)马 达 (c)蚂 蚁 (d) 人 图2 形状记忆合金形状是名副其实的大力士。

光子晶体的原理及应用

光子晶体的原理及应用

光子晶体的原理及应用概述光子晶体是一种具有周期性结构的材料,可以对光进行控制和操纵。

它类似于电子晶体,但是光子晶体的周期性结构大小与光的波长相当,因此它对光的传播和散射具有特殊的影响。

本文将介绍光子晶体的原理以及它在光电子学等领域的应用。

光子晶体的原理光子晶体的原理基于光的干涉和衍射现象。

它由周期性变化的折射率组成,这种周期性结构可以通过控制材料的特殊制备过程来实现。

光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播和流向,以及光的波长选择性。

它的原理有以下几个关键要点:•布拉格散射:光子晶体的周期性结构与光波的波长相当,因此光波在晶格中会发生布拉格散射。

这种散射是由晶格的周期性结构引起的,使得光波沿特定方向传播,并且只允许特定的频率通过。

这种特性使得光子晶体可以用来制作光的滤波器和反射镜等光学元件。

•光子禁带:光子晶体中的周期性结构会导致光的禁带现象,即某些频率的光波在光子晶体中无法传播。

这是因为这些频率的光波与光子晶体的周期性结构发生干涉,导致光的能量被散射或吸收。

光子禁带可以用来制作光的隔离器和光的相位调制器等光学元件。

•衍射光栅:光子晶体的周期性结构与光波的干涉现象导致衍射光栅的形成。

衍射光栅可以通过改变光子晶体的周期性结构来控制光的传播方向和强度。

这种控制性质使得光子晶体可以用于制作光的衍射光栅和光的波导等光学元件。

光子晶体的应用光子晶体的原理使其在光电子学、光通信和光传感等领域有了广泛的应用。

以下是一些光子晶体的应用示例:•光纤通信:光子晶体可以用作光纤通信系统中的光缆保护层和光解复用器。

光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播方向和波长选择性,从而提高光纤通信系统的传输效率和带宽。

•光子晶体激光器:光子晶体激光器是一种基于光子晶体原理制作的激光器。

光子晶体的禁带特性可以用来增强激光器的单模特性和抑制杂散光的产生,从而提高激光器的性能和稳定性。

•光子晶体光探测器:光子晶体光探测器是一种基于光子晶体原理制作的光探测器。

光子晶体——精选推荐

光子晶体——精选推荐

光子晶体光子晶体即光子禁带材料,从材料结构上看,光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。

与半导体晶格对电子波函数的调制相类似,光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时,由于存在布拉格散射而受到调制,电磁波能量形成能带结构。

能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。

所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。

光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处,原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件,达到控制光子运动的目的。

光子晶体(又称光子禁带材料)的出现,使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

光子晶体自从被提出后,在光学物理,凝聚态物理,电磁波,信息技术等领域引起了人们广泛的关注。

在这短短的二十年里,光子晶体在理论研究和实验研究方向均取得了显著的成果,并且在某些领域也有了一定的应用。

由于光子晶体的巨大潜在应用价值,设计和制作可见光和近红外波段的完全带隙光子晶体,成为十年来科学研究的热点之一。

在制备复杂结构光子晶体的多种方法中,相对于其它制作方法,例如逐层叠加方法,半导体微加工和自组织生长、激光全息制作方法具有成本低,耗时短,方便制作和有效等优点。

下面介绍用激光全息干涉技术并结合平面波展开法和有限时域差分方法,在理论上比较系统的研究了如何使用伞形配置的多激光束形成具有较宽的完全禁带的光子晶体,提出多种实现全禁带展宽的设计方案,并通过晶体结构及1其能带传输特性的模拟来验证能带计算结果的正确性,其中的创新性工作主要包括一下几个方面:一、全系干涉法优化二维正方结构光子晶体的光束设计及其能带性质的研究由于全系干涉法中格点柱的形状和大小实际是由于干涉场的等强度面决定的,所以得结构的能带性质与制备过程有着密切的联系。

这里提出两种利用全息干涉技术制备的新型二维正方结构光子晶体的方案。

第一种是由绕z轴旋转45度的针垫形柱组成的正方晶格点阵。

另一种由不规则介质柱组成的相似晶体结构。

光子晶体简介

光子晶体简介
光子晶体简介
目录
光子晶体原理 光子晶体应用 光子晶体制备
一、光子晶体原理
• 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我 们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性 的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.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衍射, 从而形成能带结构,带与带之间可能存在带隙.电子波的 能量如果落在带隙中,就无法继续传播。
• P型(100)硅片制备二维光子晶体
光子禁带较宽的二维大孔硅光子晶体的填充比
也较大( r ≥0.4 a) . 实验如果直接在掩膜中刻印圆形窗口,则由于孔壁非常薄,将给制版、光刻 等工艺带来较大难度,另外,随后的电化学腐蚀过 程在垂直于孔洞轴线方向上的各向同性腐蚀会加 大孔洞直径.因此,我们改为首先在掩膜中刻印方 形窗口,然后利用KOH 溶液对(100) 硅片的各向 异性腐蚀特性产生V 形尖坑阵列,最后通过优化 电化学参数,利用其沿孔隙纵向的腐蚀速率远大 于垂直于孔隙轴线方向上的腐蚀速率的特性来制 备满足设计要求的大深宽比孔洞.
2.微波波段可以作为微波天线以及手机防护设备
• 利用光子晶体可以设计出针对某微波频段的光子 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.
• 同样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微波防护罩, 从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用 户。
二、光子晶体应用
1.利用光被禁止出现在光子晶体带隙中作面发射的 激光器
• 可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰 好落于光子晶体的禁带之中.由于这些波长的光是 禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射.而如果通 过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允 许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以 用来制备面发射的激光器

光子晶体的半导体制备和应用

光子晶体的半导体制备和应用

光子晶体的半导体制备和应用光子晶体(Photonic crystal)是一种具有周期结构的材料,其结构重复周期与光波长相当,可以实现光子禁带(photonic band gap),这种禁带可以使材料对特定频率的光进行选择性反射、透射、折射和吸收。

因此,光子晶体被广泛应用于光学通信、传感、光学计算、能量转换等各个领域。

其中,光子晶体的半导体制备技术是光子晶体研究的重要组成部分,下面我们来详细探讨一下。

一、光子晶体的制备技术1.自组装技术自组装技术是目前光子晶体制备中最常用的技术。

这种技术利用化学反应或物理过程,自然形成具有光子晶体结构的周期性材料。

自组装技术中最常用的方法是溶剂挥发自组装和模板法自组装。

溶剂挥发自组装:在溶剂中分散有多种物质,这些物质在挥发后聚结成具有周期性的结构。

模板法自组装:在化学反应中,通过添加一定的相变剂,可以在反应过程中形成纳米孔道,最终得到具有周期性结构的纳米材料。

2.光子晶体生长技术光子晶体生长技术是通过化学反应或物理气相沉积方法,使材料从无序到有序逐渐转变为具有光子晶体结构的材料。

生长技术中最常用的方法是溶胶-凝胶法、电化学沉积法和热氧化法等。

三、光子晶体的应用1.光学通信光子晶体材料对不同频率的光有不同的反射和折射能力,因此可以用于制作光子晶体光纤。

这种光纤可以使不同波长的信号在不同的波段内传输,从而提高光传输的效率和速率。

2.传感光子晶体的光子禁带可以选择性地吸收、反射或透射特定频率的光,因此可以用于制作高灵敏度、高分辨率的光谱传感器和生物传感器。

3.光学计算光子晶体的光子禁带可以控制光的传输方向,也可以将多个输入信号进行逻辑运算,因而可以用于光学逻辑门、光学开关和光学数据处理器等。

4.能量转换光子晶体的光子禁带可以用于机械能的转换和光热能的转换。

例如,将光子晶体与振动器结合,可以将光的能量转换为机械能,产生微动力。

将光子晶体与表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance)技术结合,可以将光能转化为热能,用于制作太阳能电池等。

光子晶体光子学器件实现高效能源传输与处理的新设备

光子晶体光子学器件实现高效能源传输与处理的新设备

光子晶体光子学器件实现高效能源传输与处理的新设备随着科技的发展,人们对于能源的需求也越来越大。

在传统能源转化与传输方面,存在着许多问题,如电能的损耗、电磁辐射等。

然而,近年来,光子晶体光子学器件的诞生为解决这些问题提供了一种新的方式。

光子晶体光子学器件凭借其独特的结构和性能,实现了高效能源传输与处理,成为了能源领域中备受关注的新设备。

一、光子晶体光子学器件的原理和特点光子晶体光子学器件是一种利用周期性结构对光的传播进行控制的装置。

它由周期性改变的折射率构成,具有光子带隙、负折射等特性。

光子晶体光子学器件通过调节光子带隙的宽度和位置,可以实现对特定波长光的选择性透过和反射,从而实现光的传输和处理。

光子晶体光子学器件具有以下几个特点:1. 光子带隙:光子晶体光子学器件可以通过定义特定的周期性结构,形成光子带隙,只允许特定波长的光通过。

这使得光子晶体光子学器件在能源传输和处理方面具有更好的选择性。

2. 负折射:与常规材料不同,光子晶体光子学器件能够实现负折射。

负折射是指光线在进入器件时向相反的方向弯曲。

利用负折射的特性,可以实现光的聚焦和传输的控制。

3. 结构可调性:光子晶体光子学器件的结构可以通过调节周期性结构的参数进行调整。

这种可调性使得光子晶体光子学器件在不同能源传输和处理场景下具备更大的适应性。

二、光子晶体光子学器件在能源传输中的应用1. 光纤通信:光子晶体光子学器件的特性使其在光纤通信领域有着广泛的应用。

光子晶体光子学器件可以实现对光信号的选择性传输,提高光纤通信系统的传输效率和信号质量。

2. 光伏发电:光子晶体光子学器件可用于光伏发电系统中的能量转换和光的集中。

通过调节光子晶体光子学器件的结构,可以实现对特定波长光的选择性吸收和转换,提高太阳能的利用效率。

3. 太阳能电池板:光子晶体光子学器件可用于太阳能电池板表面的光的控制和调节。

通过调节光子晶体光子学器件的结构,可以实现对太阳光的散射和反射,提高太阳能电池板的光吸收效率。

光子晶体及其应用ppt课件

光子晶体及其应用ppt课件
界中早已存在拥有这种性质的物质。
盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球 (nano-sphere)沉积形成的矿物,其色彩缤纷的外观与色素无关, 而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构,随着能隙位 置不同,反射光的颜色也跟着变化;换言之,是光能隙在玩变色把戏。
翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶
一个周期势场;
2
c2
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
国际上激烈竞争
DARPA 重组天线计划 美
可调光子晶体计划

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
THANK YOU
2019/5/6
光子晶体简介
两年之后, Yablonovitch等人卷土重 来, 这回他们调整制作方 式,在块材上沿三个夹120 度角的轴钻洞,如此得到 的fcc晶格含有非球形的 “原子”(如右图), 终于 打破了对称的束缚,在微 波波段获得真正的绝对能 隙,证实该系统为一个光 子绝缘体(photonic insulator)。
具有极强的致畸作用。手机在使用过
程中,这种电磁波始终围绕着人的头部。 长期、高频率使用手机,会造成正常脑 的支持细胞——胶质细胞DNA算机技术中的应用--CPU
目前所遇的困难
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,然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的 几年内必将逐渐的走向平缓,直至目前的极限。
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。

聚氨酯光子晶体

聚氨酯光子晶体

聚氨酯光子晶体
聚氨酯光子晶体是一种具有特殊结构和性质的材料,它在光学领域具有广泛的应用。

聚氨酯光子晶体的特殊之处在于其具备了光子禁带的特性,这使得它能够控制光的传播和波长选择性。

聚氨酯光子晶体的制备过程相对复杂,首先需要通过化学反应制备出聚氨酯基体,然后在聚氨酯基体中掺入一定比例的光子晶体粉末。

这些光子晶体粉末具有不同的折射率,通过精确控制折射率的分布,可以形成具有周期性结构的光子晶体。

聚氨酯光子晶体的周期性结构使得它能够控制光的传播。

当光线传播到光子晶体中时,光子晶体中的周期性结构会对光进行散射和反射,从而形成光子禁带。

光子禁带是一种禁止光在一定波长范围内传播的现象,使得聚氨酯光子晶体具有波长选择性。

聚氨酯光子晶体的波长选择性使得它在光学传感、光学器件和光学通信等领域有着广泛的应用。

例如,在光学传感领域,聚氨酯光子晶体可以用来制备各种传感器,通过测量光子禁带的变化来检测环境中的温度、湿度或化学物质的浓度。

在光学器件领域,聚氨酯光子晶体可以用来制备光纤、激光器或光学透镜等设备,通过控制光子禁带的特性来实现对光的控制和调节。

在光学通信领域,聚氨酯光子晶体可以用来制备光纤光栅或光纤耦合器等器件,用于实现光信号的传输和调制。

聚氨酯光子晶体的发展为光学领域带来了许多新的可能性。

通过对其结构和性质的深入研究,可以进一步优化其性能和应用。

相信在不久的将来,聚氨酯光子晶体将在光学领域发挥更加重要的作用,为人类的科技进步和生活带来更多的惊喜和便利。

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光子晶体波导
二维光子晶体波导
woodpile型三维光子晶体
在光子晶体中引入线缺陷后具有束缚光传播的功能,因而可以 作为波导使用。但是光子晶体与其它类型的波导相比具有其独 特的优点。对于普通型波导,由于在弯曲部分存在弯曲损耗, 因而波导的弯曲半径需要满足一定的条件,但是对于光子晶体 型波导,波导的弯曲半径是非常小的。 光子晶体波导可以缩小集成波导器件的尺寸,实现趋小型 PLC , 如分路器,耦合器等。
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Woodpile型光子晶体
Woodpile 型 光 子 晶 体 主要针对 GaAs 基和 InP 基 材料,制备工艺采用 Wafer fused 技术[4,5] 。 这种工艺有两个特点, 第 一 , 采 用 Wafer fused 技术 , 在 H2 气 氛下 ,将 两样品熔融连接 , 第二, 为了保证接触点的对准 , 采用了激光衍射对准技 术。 这种 Woodpile 型光子 晶体以四层为一个单位 , 当层数越多时,光学禁 带现象表现地越为突出 。
非线性弯曲波导作为光逻辑门 (当输入光的功率增大时,光逻辑门由 ‘关’态转化为‘开’态)
在光子晶体直波导和弯曲波导中引入非线性缺陷都可以实 现非线性效应。
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光子晶体的非线性光学效应 光子晶体中的非线性局域模作为信息载体
在光子晶体中引入非线性缺陷 从工艺上讲比较困难,但可以 在线性光子晶体中引入非线性 介质形成非线性光子晶体波导, 由于材料的非线性缺陷,可以 出现非线性局域模(离散光孤 子)。 在非稳定区的局域态模可以转 换成高频或低频模,相当于是 个双稳态。 离散光孤子在急剧弯曲波导中 的能量损失很小。 利用光孤子的特性可能实现路 由、逻辑操作等功能。
4
什么是光子晶体
光子晶体是折射率在空间周期性变化,存在一定 光学能带间隙的介质结构。 特点: 具有一定的光学禁带,对于某些波长是不能透 射过光子晶体的。 折射率在空间排列的周期是波长量级。 光子晶体的材料对工作波段的光的吸收很小。
5
光子晶体与半导体的异与同
单晶半导体是原子或分子在空间周期性排列,存在一 定能带间隙的介质结构。
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二维SOI光子晶体波导的制备方法
1、 热氧化 2、HF溶解二氧化硅,减薄顶部硅层 3、旋涂PMMA 4、 在150℃烘烤,45分钟 5-6、电子束曝光(30KV) 7、化学辅助离子束刻蚀(CAIBE) 8、去除PMMA 9-10、减薄衬底,解理,用HF去除 夹层SiO2
14
制备工艺流程
三维光子晶体的种类及制备方法
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其他三维光子晶体结构
(Diamond 型)
Scaffolding 型
反opal型
FCC型
Square Spiral 型
可调3D反opal型
17
光子晶体缺陷的引入与控制方法 光子晶体的应用主要基于其缺陷态的基础上的,因
而对光子晶体缺陷的引入和控制是使光子晶体走向 实用化的关键。目前对于一维和二维光子晶体的控 制从工艺角度上还是容易的,而对于三维光子晶体 中的缺陷的引入和控制目前还是个难题。 以通过版图设计实现。
25
光子晶体中的大群折射率和群色散
理论发现:线缺陷型光子 晶体波导中的群折射率体波导中光的传 播速度只有空气中的传播 速度的1/100,这是常规 波导所不具有的特性。
光子能带平坦部份 dk 很小, dn 对应的n和 d 将很大。
dw
光子晶体的大群折射率和 群色散为实现光子晶体功 能波导提供可能,如实现 高效的光放大、超棱镜效 应等。
光子晶体光纤的导波特性
M-TIR光纤[15]

M-TIR光纤远场像 (红绿光激发)[15]
超强非线性光纤[17]
M-TIR光纤纤芯是SiO2,且空气填充率很小,不出现光子禁带,但有效折 射率差仍很大; 对多模泄漏严重,只承载单模传输,且与芯区尺寸无关,可比传统单模光 纤大得多(>10) 强限制又使芯区尺寸可比传统光纤<10以上,高功率密度强非线性,10-6J (比传统的<103)即能产生光孤子,Raman效应,四波混频 热点:用于研制宽带平坦闭光纤激光器
如果比较薛定谔方程和波动方程:
2 2 [ V(x)]ψ(x)t) E΅υ(xt) (薛定谔方程) 2m
(2 ki2 ) ( x, y) 2 ( x, y)(波动方程)
并让以下两式成立: ki2
2m V ( x) 2
2
2m E 2
可以发现两式形式是相近的。 由于光子晶体折射率的排列与晶体中原子的排列类似,都具有 周期性,分析时都可以引入布洛赫波函数,因而可以得出: 当光子晶体中折射率周期为波长量级时 ,可以出现与固体 能带理论中的禁带相类似的光学禁带。
光子晶体与半导体的相同点: 都是周期性排列的结构 都具有一定的能带结构,都存在能带间隙
光子晶体与半导体的主要不同点: 光子晶体的理论基础建立在Maxwell方程基础上; 半导体的理论基础建立在Schrodinger方程基础上; 它们分别属于电动力学和量子力学的范畴。
6
光子晶体的传播态与光学能态的结构
24
光子晶体微腔
光子晶体微腔
光子晶体垂直腔面发射激光器及其输出特性 =850nm AlGaAs/GaAs PC VCSEL(SMRS>45 dB)
由于局域缺陷态的存在,光被限制在这个缺陷态中 ,光在微腔中不仅仅存在全反射,限制光的横向 传输,而且横向光学禁带的存在,因而光不可能 从横向出射,而只有从垂直方向出射。对于一个 光子晶体微腔,它具有高Q值和大的自发辐射因子 ,因而制备出无阈值的激光器成为可能。
西安交通大学
Chapter 6
Photonic Crystal and Photonic Chip
Ren R
1
提要
一、光子晶体的内涵 二、光子晶体的分类与制备 三、光子晶体的物理属性与功能应 用 四、光子晶体的基础研究与发展前 景 五、结论
2
光子晶体的发展过程



光子晶体于1987年由E. Yablonovitch提出。 在此之前人们已经应用了光子晶体:布拉格光栅。 布拉格光栅属于一维光子晶体。 在DFB激光器中使用了布拉格光栅,并且利用了光 子晶体的缺陷态。 DFB 激光器中的 /4 相移实际为 一个一维光子晶体中的面缺陷。 1991 年 制 造 出 第 一 个 人 造 三 维 光 子 晶 体 —— Yablonovite型光子晶体。 光子晶体光纤是典型的二维光子晶体,最早由ST. J. Russell 等人于1992年提出。1998年报道了第一个真 正利用光子禁带(PBG)导光的光子晶体光纤。 V. Berger于1998年提出非线性光子晶体。
对于一维光子晶体和二维光子晶体,缺陷的引入可
光子晶体中的缺陷与固体理论中的空位型和间隙型
缺陷类似。缺陷在光学禁带中引入的缺陷能级与材 料的折射率差,缺陷大小等因素有关。要是缺陷态 能级符合人们需要的能级,需要较高的设计水平。
18
光子晶体的特性与功能
光子晶体导波特性与应用
传统全反射型导波 布拉格型导波 光子晶体与传统的介质波导的导波特性有本质的区别: 介质光波导采用全反射型导波, 光子晶体利用光子禁带的局域态导波,即布拉格型导波。
19
改进型全反射光子晶体光纤(M-TIR fibres) 光子晶体光纤利用以上两种导波特性可以分为两类 :一类为 改进型全反射光子晶体光纤(M-TIR fibres),又被称为无尽 单模光纤(endlessly single-mode fiber);另一类为光子禁带光 纤(PGB fiber)。
a
frequency w (2πc/a) = a /
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Grap are QuickTim neede hics deco e?and d to see mp a re this ssor p icture .
Ph oton ic Ba nd Ga p TE ba nds TM b ands
3
光子晶体的内涵
自然界中的光子晶体
蛋白石是天然界的光子晶体
蝴蝶翅膀鳞片具有光子晶体结构

澳大利亚盛产的蛋白石具有光子晶体结构,它是有二氧化 硅纳米球堆积而成,它的色彩与色素无关,而是由于具有 不同带隙的光子晶体结构,反射不同颜色的光。 蝴蝶翅膀的鳞片也是光子晶体结构,它的色彩与选择反射 光有关。
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在钛宝石fs激光泵浦后 光子晶体光纤产生的超连续光谱
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光子禁带光纤(PBG Fiber)
空气型PCF
空气芯PCF近场像
空气型PCF传输谱
PCF导光是利用光子晶体的局域态导光 PCF导光通道可以是真空,空气或其他低低折射率介质 PCF对不同光的传输具有选择性 PCF如以真空和空气作为传播通道,可以传输高能量密 度的光,损耗很小,没有色散,不出现非线性效应,但 也可以填充某些气体和液体,产生较强的非线性效应 用于长途干线光通信
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光子晶体缺陷态 对光子的俘获与释放作用
垂直发射型光子晶体滤波器
1.545和1.548m光子晶体滤波器
与半导体中的缺陷俘获电子或空穴的能力一样,光子晶体中 的缺陷也具有俘获光子的能力。俘获光子的能量与缺陷的 大小有关,因而可以利用这一特性,在直波导附近引入不 同大小的缺陷,制备出面发射型上下路器。
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负折射率现象
光子晶体中的负折射率与固体能带 理论中的负电子质量
光子晶体中的负折射率现象 及数值模拟图
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负折射率的应用
利用光子晶体的负折射率 现象可以可以获得3D图像, 而且不需要附加透镜情况 下成像。突破衍射极限, 缩小光斑尺寸,可提高DVD 存储密度。
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光子晶体的非线性光学效应
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