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--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。
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
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；
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
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；
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 禁带
带隙
允许带
a
工作波段:
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
《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
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%
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．
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)