光子晶体
光子晶体及其应用
子晶体定义中被排除在 外，不算光子晶体，但 一维光子晶体与二维、 三维的光子晶体在物理 本质上有相通之处
• 一维光子晶体:
– 光栅 – 多层介质膜
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(2)
• 二维光子晶体分为平
板和光纤两大类
• 平板：光波主要在二
维光子晶体所在平面 内传播
光子晶体在光通信中的应用
二维光子晶体：光子
• Index Guided
－不是真正的“光子 晶体光纤”
－包层含有空气孔， 芯区没有孔，只有SiO2
－包层平均折射率小于 芯区，靠全反射导光
• Band Gap Guided
－真正用光子晶体特性导光 －包层是二维光子晶体(Ring型为一维光子晶体) －频率落在带隙内的光波无法穿透包层而辐射，从而被限制
内容提要
光子晶体简介
– 光子晶体能带的形成 – 光子晶体能带特性与功能
光子晶体在光通信系统的应用
– 一维光子晶体 – 二维光子晶体
光子晶体能带的形成:
散射
• 杂乱介质中的光散射
– 光波波长λ»杂质平均间 隔a：Rayleigh散射 光子平均自由程l∝a4 能量以扩散方式传播
– λ«a: 几何光学，l≥a, 能量以波动方式传播
的带隙为全带隙
• 带隙有频率,角度
(方向)、偏振相关 性
光子晶体能带的形成: 缺陷
• 带隙中的波：指数增长(衰减)形,在纯光子晶体中不能存
在，只能在缺陷中存在
• 缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中 • 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 • 利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(1)
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。
光子晶体和光子晶体结构
光子晶体和光子晶体结构光子晶体是一种具有周期性层状结构的材料，其特点是能够控制光波的传播和调制。
光子晶体的研究和应用在光学、电子、通信等领域有着广泛的应用前景。
光子晶体结构的形成是通过改变材料中介质折射率的分布而实现的。
光子晶体的基本单元是具有不同折射率的周期性结构，每个单元的尺寸一般在光波的波长范围内。
通过改变周期性结构的尺寸和形状，可以调控光的传播速度、频率和波长选择性。
光子晶体能够形成光子带隙，使光波在特定频率范围内被禁止传播，这种特性使得光子晶体在光学器件设计和光学信号处理中具有重要的作用。
在光子晶体的研究中，最常见的结构包括一维、二维和三维的光子晶体。
一维光子晶体是由多个介质层交替叠加而成，如Fabry-Perot腔、DBR腔等，可用于制备窄带滤波器和调制器。
二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球状结构组成，可用于制备光学波导、微透镜和分光器。
三维光子晶体具有更复杂的结构，可以形成全息拓扑结构，制备出具有高度对称性和复杂功能的光学器件。
光子晶体的制备通常采用自组装、光刻、溶胶凝胶法等方法。
其中，自组装是一种常用的方法，通过微流控技术和界面控制来实现光子晶体的组装。
自组装方法可以制备出具有高度有序结构和周期性的光子晶体，并且具有较高的可扩展性和可控性。
光子晶体的应用涵盖了众多领域。
在光学传感方面，光子晶体可以通过改变环境折射率来实现对光波传播的调控，从而实现对环境中物质浓度、温度和压力等参数的检测。
在光学通信中，通过光子晶体的结构设计和调控，可以实现高效率的光信号传输和调制，提高通信系统的性能。
此外，光子晶体还可以应用于光子计算、光子集成电路、太阳能电池和光子器件等领域。
光子晶体的研究还面临着一些挑战。
首先，光子晶体的制备技术需要进一步发展，提高自组装方法的可控性和稳定性。
其次，光子晶体的性能和应用还需要深入研究，特别是在高温、高压和强光照射等复杂环境下的应用。
最后，光子晶体在制备成本和规模化生产方面还存在一定的限制，需要寻找更加经济和可行的制备方法。
光子晶体
光子晶体光子晶体（Photonic Crystal）指能对光作出反应的特殊晶格。
光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。
光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。
原理光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。
这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。
我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。
特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
应用光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。
使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。
2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。
这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。
光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。
英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。
光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体技术
光子晶体技术光子晶体是一种具有周期性介电常数或介电导率分布的材料结构。
由于其特殊的光学性质，光子晶体技术已经成为光学、光电子学和纳米科技领域的研究热点。
本文将探讨光子晶体技术的原理、应用以及未来发展方向。
一、光子晶体技术的原理光子晶体技术的实现是通过制备周期性的结构，使得材料对特定波长的光具有反射、传播、干涉等特殊性质。
光子晶体的周期性结构通常是由两种或多种材料交替排列组成，其中每种材料的折射率或导电性质不同。
二、光子晶体技术的应用光子晶体技术在光学和光电子领域有着广泛的应用。
一方面，光子晶体技术可用于设计和制备各种光学器件，例如光波导、光滤波器、光传感器等。
另一方面，光子晶体技术也可应用于光子集成电路、光子计算和光子通信等领域。
1. 光子晶体传感器光子晶体传感器利用光子晶体对特定波长光的敏感性，可以实现高灵敏度和高选择性的传感器。
通过调控光子晶体的结构参数，可以实现对特定物质的浓度、温度、压力等参数的检测。
2. 光子晶体光波导光子晶体光波导是一种基于光子晶体的光传输手段，其具有低损耗、高传输效率的特点。
通过调节光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行引导和控制，从而实现光信号的调制和耦合。
3. 光子晶体滤波器光子晶体滤波器是一种具有特定波长选择性的光学器件。
通过调整光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行滤波，从而实现光的频率选择和光谱分析。
三、光子晶体技术的发展趋势光子晶体技术凭借其独特的光学性质和广泛的应用前景，受到了越来越多的研究关注。
未来，光子晶体技术有望在下述方面有进一步的发展和应用。
1. 多功能光子晶体材料的设计与合成当前的光子晶体材料多局限于某一特定波长范围内应用。
未来，研究人员将致力于开发具有更宽波长范围响应的多功能光子晶体材料，并探索更灵活的调节机制，以满足不同应用场景的需求。
2. 新型光子晶体器件的研发与应用随着光子晶体技术的发展，越来越多的新型光子晶体器件被提出和实现。
光子晶体
光子晶体绪论光子晶体是一种在微米亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，按照其折射率变化的周期性，可以分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出[1]。
1991年，由E. Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子晶体后，随着各种工艺的发展，多种多样的晶体结构陆续的被制备出来，许多理论预测得到了验证。
光子晶体的原理光子晶体的原理是从类比晶体开始的。
晶体中原子的周期性的排列使晶体中产生了周期性的势场，当电子在这种周期性势场中运动时会受到布拉格散射，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。
不论电磁波还是其它波(如光波)，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都可能出现带隙，而能量落在带隙中的波一样也不能传播。
光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率(如人工造成的气泡)的材料，高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动[2~5]。
自然界中存在一些有着光子晶体结构的物质，例如用来装饰的蛋白石( Opal)，还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉，它们在不同的角度反射不同波长的光。
通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的[6~7]。
参见图1~5。
但是，这些都是粗糙的光子晶体，因为它们没有形成完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系。
一般说来，两种材料的折射率差值越大，就越有可能形成光子禁带，当两种材料的折射率差大于2的情况，可以形成完全禁带。
在自然界尚未曾发现此类的晶体。
因实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备。
常见的光子晶体的制备方法有自然生长法，机械制备法，光刻法，光学方法，化学刻蚀方法，薄膜生长法，胶体自组织密堆积方法，反蛋白石光子晶体合成方法等[8~13]。
光子晶体简介-精品文档
三、光子晶体制备
• 光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的乙烯（折 射率为1.59）,理论计算表明由这些材料构成的面心立 方结构的胶体晶体没有光子带隙.对于相对低于空气折 射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成 三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难使 用TiO2来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2有较高的折射 率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2包围的球状空 气空穴.这样就可以形成三维的光子禁带了.但是这种方 法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多 的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用 。
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。 • 与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了 光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中 的运动.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。
3.制备低阈值的激光器
• 当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷 模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭 而被扩增. • 在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而 形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射 从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集 中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收 而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄波 长范围内的激光发射器.
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
光子晶体的研究与应用
光子晶体的研究与应用光子晶体是一种微结构材料，具有类似于晶体的周期性结构，但是不是由原子或者分子组成，而是由光子晶胶体颗粒组成。
光子晶体在光子学、化学、物理、材料科学等领域得到了广泛的应用，例如，在能源、传感、信息处理、生物医学等领域都有着很好的应用前景。
一. 光子晶体的制备实验中通常采用的制备光子晶体的方法有：自组装法、电沉积法、光刻法等。
1.自组装法这种方法通常使用胶体晶球作为模板，通过溶液挥发或者热处理等方式使其形成光子晶体。
其中最常见的是球形非晶胶体晶球模板的法。
这种方法不仅能够制备不同大小、形状的光子晶体，而且可以使得光子晶体具有良好的结构、周期性和层次性。
2.电沉积法这种方法是利用高温与化学反应的原理，将规定形状的金属纳米颗粒水化合物电解沉积在电极上，从而构造出光子晶体。
这种方法制备的光子晶体不仅结构完整，而且具有良好的光谱性能和多样化的形态。
3.光刻法这种方法主要是在硅素晶体的表面上使用类似于摄影的技术，在可见光和紫外线的照射下使得硅片发生化学反应形成光子晶体。
最主要的优点是可以制备出复杂的几何形态的光子晶体，并且可以通过改变所使用的物质以及优化制备工艺来得到更好的特性。
二. 光子晶体的应用在一些领域中，光子晶体的应用已经具有了丰富多彩的形式。
下面将从绿色能源、传感、光变材料及生物医学四个方面来分述。
1.绿色能源光子晶体有着一些特殊的物理性质，例如光子晶胶体颗粒之间的纳米光学场相互作用可以引起光学透射波长的变化。
光子晶体通过其光电性质协同作用，开发了太阳能电池、能谱光源等领域。
例如，人们可以通过制备某些特定的光子晶体，使得其在光谱范围内具有较好的反光特性，可以提高太阳能转换并使其效率更高。
2.传感光子晶体在光学传感器上应用的研究日益深入。
光子晶体材料运用其光学特性提高传感器的灵敏度和响应速度，实现了对多种物质、直线运动方向等多因素的探测。
例如，对于细胞的定位、动力学探测以及化学性质的判断，可以通过制备出相应的质感光子晶体来完成，从而获得更加精准的信息和控制。
光子晶体
光子晶体的制备及应用王文瀚12S011029 1 引言光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。
1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。
实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。
这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。
正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。
这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。
当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。
1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。
1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。
[1]2 光子晶体原理最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。
A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。
普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。
比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。
根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。
(a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构图1 光子晶体结构示意图一维光子晶体是由多层介质薄膜构成，在光子晶体概念提出以前，就已经得到广泛研究和应用，如分布布拉格光栅。
光子晶体的制备及其应用
光子晶体的制备及其应用光子晶体，是一种能够控制光子传导和储存的新材料，在光子学、光通信、微电子学、化学和生物医学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光子晶体的制备方法及其应用。
一、光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法主要包括模板法、垂直自组装法、微影法等，其中模板法是目前应用最广泛的制备方法之一。
以下分别介绍这三种方法。
1. 模板法模板法是通过在模板表面沉积光子晶体的方法来制备光子晶体的。
模板一般有硅胶、聚氨酯、聚焦炭等材料，具体的制备步骤分为以下几个步骤：(1) 制备模板先制备好需要成为模板的材料，如硅胶。
将硅胶涂在玻璃表面，然后将其放入硫酸铜溶液中进行氧化，使硅胶在玻璃表面形成孔洞。
(2) 沉积光子晶体将需要制备的光子晶体材料制成溶液，然后将其滴到硅胶孔洞中，等待其自主形成晶格结构。
最后，用乙醇将硅胶与溶液分离，即可得到光子晶体。
2. 垂直自组装法垂直自组装法是一种利用表面张力使自组装颗粒排列成为光子晶体的方法，主要分为三个步骤：(1) 表面处理将衬底表面进行化学或物理处理，使得粒子可以自由组装。
(2) 悬浮颗粒将粒子置于液体中，然后将液体滴到表面处理后的衬底上，利用表面张力使粒子自动排列成为光子晶体。
(3) 固化晶体将光子晶体放置于紫外灯下进行固化，以保持其原有结构。
3. 微影法微影法是一种通过光默认技术制备光子晶体的方法。
以二氧化硅为例，其制备步骤如下：(1) 制备基板将尽量平整的硅片进行表面处理，使得光可以很好地穿透并形成图案。
(2) 光刻将需要形成的光子晶体图案进行设计，然后用光刻胶对硅片进行覆盖。
(3) 电荷转移将光照射光刻胶，使其发生电荷转移，从而使得光刻胶固定。
(4) 刻蚀利用刻蚀技术将硅片中的光刻胶和不需要刻蚀的硅部分进行区分，最终得到光子晶体。
二、光子晶体的应用由于其微小的尺寸和无规则的结构，光子晶体具有许多惊人的特性和应用。
以下列举几个主要的应用领域：1. 光子学作为一种光绝缘体材料，光子晶体具有很多特殊的光学性质。
光子晶体
Opal
Sea mouse
什么是光子晶体
在半导体材料中由于周期势场的 的作用，电子会形成能带结构，带和 带之间（如价带和导带）有能隙，电 子波的能量如果落在带隙中，传播是 被禁止的。 光子的情况与此类似。如果将具 有不同介电常数的介质材料在空间按 一定的周期排列，由于存在周期性， 在其中传播的光波的色散曲线将成带 状结构，带和带之间可能会出现类似 的半导体带隙的“光子带隙”，频率 落在带隙中的光是被禁止传播的（图 1），我们将由于存在光子带隙而对频 率有选择性的周期性介质结构称为光 子晶体。
' r
c
2
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体的量子理论 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
应用
光子晶体光纤 高效率发光二极管 微波天线 在电子计算机技术中的运用 手机辐射保护 低阈值激光发射器 光子晶体波导 光子晶体滤波器 光子晶体谐振腔 高性能反射镜
光子晶体
2013.11.21
目录
1 3 2
光子晶体的简介 光子晶体的量子理论
3 4
光子晶体的应用
光子晶体的未来与展望
光子晶体
光子晶体(Photonic Crystal)是一种在微 米、亚微米等光波长的量级上折射率呈 现周期性变化的介质材料
光子晶体
光子晶体--自然界中的例子
Butterfly
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。 要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，就必须减少电信 号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元 件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分 惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。
关于光子晶体的构成与特性
关于光子晶体的构成与特性光子晶体是一种具有特殊的光学性质的材料，由于其独特的结构和特性，被广泛用于光子学、光电子学、纳米技术等领域。
本文将介绍光子晶体的构成及其主要特性。
一、光子晶体的构成光子晶体是由孔径微米级别的周期性结构组成的材料。
它的构成与晶体类似，但光子晶体是针对光波长而设计的，因此它的周期长度与光波长具有相似的比例关系。
为了构成周期性结构，光子晶体通常采用人造、天然和自组装等方式进行制备。
人造光子晶体：人造光子晶体是利用周期性的材料相嵌入到另一种不同介质中，形成周期性结构。
这种结构具有高度的可控性和可重复性。
人造光子晶体的制备方式包括从上到下的刻蚀、从下到上的堆叠、3D打印等。
天然光子晶体：天然光子晶体是一种自然形成的周期性结构材料，如蛋白质晶体、翅膀、羽毛等材料中的结构。
这些天然光子晶体由于形成时间长，所以材料性质稳定，但制备难度大，制备成本也高。
自组装光子晶体：自组装光子晶体是利用类似半导体材料的微米球来自行组装形成的材料。
这种材料具有自组装、制备简单等特点。
但由于完全依靠自组装，所以其周期性结构需要进一步探究。
二、光子晶体的特性光子晶体具有许多优异的光学特性，可广泛应用于各种光电子学和光子学装置中，包括波导、过滤器、激光、液晶和超材料等。
1. 光子禁带：光子禁带也称作光子带隙，是指在特定波长范围内，光波无法在材料中传播。
这种现象类似于晶体中的电子禁带，但它是针对光子的。
由于光子禁带特性，光子晶体可以有效的控制光波的传播和过滤，具有重要的应用价值。
2. 光学拓扑：现代拓扑学已成为一个热门领域，光学拓扑也因此得以应用到光子晶体中。
光学拓扑是指光子晶体中的光波只能在某些路径中传播，而在其他路径中无法传播。
因此，在光学器件最小的情况下，光子晶体器件可以实现更高效的信号处理。
3. 负折射率：光子晶体的另一个独特特性是负折射率，也就是折射率小于零。
这种特性是由于光波在材料中回中心反向传播，导致折射率出现负值。
光子晶体
目录
提出背景及发展历史 理论研究 数值研究
光子晶体的制备
实验研究
性质
应用
光子晶体的提出
在1987年之前，光子晶体已取得了一些进展 1987年，Eli Yablonovitch和Sajeev John发表了2篇有关光 子晶体里程碑的文章。
自从1987年起，具有空间周期性介质的结构的一维光 子晶体（如布拉格镜面）就开始被广泛地研究。 此后，二维、三维的光子晶体也逐渐受到了人们的关 注。
4、光子晶体全光开关
光子与非线性光子晶体的相互作用 光束传输过程的开与关 的控制作用。 体积小 全光驱动 更快速的时间响应 更高的开关效率 2005年, 日本NTT研究员 微加工技术 硅片上刻蚀出周期性三角晶格的空气孔, 制备出二维硅光子晶体
5、光子晶体超棱镜
分开能力比常规的要强100-1000倍, 体积只有常规的 1%。 2004年, 英国南安普敦大学与 M esophoton i cs有限 公司的研究人员 能够在可见光波长上工作的光子晶体超棱镜。 从整个可见光延伸到近红外的宽带光谱和角光谱技术 发现, 在几个主要的光子带隙附近, 角分散超过了 1%/nm, 比折射系数相同的普通棱镜大了100多倍,比等效衍射 光栅大了10多倍, 这对光通讯中的信息处理有重要的意义。
更大的设计自由度，是未来集成光路设计的基础。
(2)微谐振腔 原子的自发辐射几率与光子模式的态密度成正比 在光子晶体中引入点缺陷，且其缺陷模频率与原子自 发辐射频率相同 自发辐射将得到显著增强 光子晶体的尺寸与波长在同一量级 高品质因数微谐振腔的设计
光子晶体及其应用
吸热池、哮喘治整疗理p、pt 全球气候走向
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光子晶体简介
光子晶体概念的产生：
到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不约 而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介 电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段 的电磁波强度会因破 坏性干涉而呈指数衰减，无
法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于 是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能 带结构(photonic band structures)。具有光子能 带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称光子 晶体(photonic crystals)。
麦克斯韦方程的解依赖于传播介质 无限自由空间 → 平面波 → 频率连续 波导管 → TE/TM型波 → 截止频率 介电常数周期结构 → ？ → 能带？
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20
固体物理中的许多其它概念也可以用在光子
晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶 体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如右图
服从方程 对应波 自旋 相互作用
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，因此只具整理有pp虚t 能隙(pseudo gap)
光子晶体
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1
一、光子晶体简介 二、光子晶体理论 三、光子晶体应用 四、光子晶体展望
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2
人类材料史
• 利用自然材料
光子晶体及其在激光电磁学中的应用
光子晶体及其在激光电磁学中的应用光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其晶格常数比可见光波长要小得多，所以具有对光的完美控制特性，其光学性质优于普通的材料。
因此，光子晶体在激光电磁学中有着广泛的应用。
一、光子晶体的构造及其特性光子晶体是一种由周期性结构单元构成的材料，其周期性结构单元必须满足材料中的光子能够在其中传播的条件，也就是说，其周期应该与波长相当。
光子晶体可以用于在某些特定波段和极化状态下完美地反射和透射光线，其光学特性与普通材料不同。
光子晶体的物理特性随着结构和材料的变化而发生变化。
通过调整其内部的构造和成分，可以实现对光场的高度定制，可以控制光的传播方向、速度、损耗等性质。
光子晶体还具有非线性光学性质，可以产生与普通材料不同的非线性光学效应。
二、光子晶体在激光电磁学中的应用光子晶体是一种典型的光学材料，其在激光电磁学中有着很多的应用。
1. 光子晶体光纤光子晶体光纤是一种由光子晶体材料制成的光纤，受到物理尺寸和波长限制的传统光纤无法彻底解决多模干扰问题，导致光纤通信中的数据传输质量下降。
与传统光纤相比，光子晶体光纤的中心井宽和周期性结构单元的数量可以调整，改变传播模式，可实现单模传输，光传输带宽更大，并且混合模式可以避免在传输中的失真。
因此，光子晶体光纤可以用于长距离通讯、高速通讯、卫星通讯等领域。
2. 光子晶体激光器光子晶体激光器是一种基于光子晶体材料制成的激光器，可以用于光通信、光信息存储等领域。
光子晶体激光器利用光子晶体中的光子能带结构，实现了高效的光增强效应，它的光学特性比传统的激光器具有更好的稳定性和更高的高功率输出。
光子晶体激光器也可以实现波长调制，可以在大范围内实现波长调整，具有优良的单模性、高精度和低成本等优点。
这种波长可调激光器可以用于激光雷达、气体探测、医学诊断等领域。
3. 光子晶体光学振荡器光子晶体光学振荡器是一种基于光子晶体材料制成的光学器件，有着极高的透过率和较低的损耗率。
光子晶体简介
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。
• .制作二维光子晶体的实际例子是Bath大学的研制的特别 不寻常的“多孔纤维” .这种纤维具有规则的气孔晶格,并 且可以无散射的长度连续的传播光波.这是通过围绕一个在 中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的.由几 百个传统的SiO2棒和SiO2毛细管依次绑在一起组成六角阵 列,然后在2000℃下把这个结构加热拉伸产生直径只有几 微米的长纤维而成
3.制备低阈值的激光器
• 当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷 模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭 而被扩增.
• 在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而 形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射 从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集 中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收 而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄波 长范围内的激光发射器.
• 与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了 光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中 的运动.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。
1.布拉格衍射
• 在物理学中，布拉格定律给出晶格的相干及不相干散射 角度。当X射线入射于原子时，跟任何电磁波一样，它 们会使电子云移动。电荷的运动把波动以同样的频率再 发射出去；这种现象叫弹性散射。当中子波与原子核或 不成对电子的相干自旋进行相互作用时，会发生一种与 上述电磁波相近的过程。这些被重新发射出来的波来相 互干涉，可能是相长的，也可能是相消的。而所产生的 波干涉图样就是衍射分析的基本部份。这种解析叫布拉 格衍射。
完整版光子晶体简介
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 g。ap)
Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062 John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489
光子晶体 --自然界中的例子
Butterfly
Opal
Sea mouse
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。
波的传播速度（相速）为：
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Tk 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 H~ 0 ? H 0 e i? H
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定态下的电磁波波动方程为
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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。
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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。
一般的光纤波导中， 波导拐弯时，全内反 射条件不再有效．会 漏掉部分光波能量， 使传输效率降低。而 光子晶体弯曲波导中， 利用不同方向缺陷模 共振匹配原理。原则 上只要达到模式匹配， 不管拐多大弯，都能 达到很高的传输效率。
（二）能量传输基本无损失，也不会出现 延迟等影响数据传输率的现象。 （三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传 输频带，可全波段传输。
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
代入波动方程，即可得： k r 0 r 0
2 2
定态下的电磁波波动方程为 2 2 Er k E r 0
四、光子晶体的发展前景
光子晶体被科学界和产业界称为“光半 导体”或“未来的半导体”。 可以预计，在五年之内，光子晶体的许 多基本应用将会在市场上体现出来，在这些 应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和 高亮度的发光二极管。 在十年内，应该制造出第一个光子晶体 “二极管”和“晶体管”。
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。
二、光子晶体中的量子理论
电磁波可表示为：
~ ~ E E e 0 ~ ~ i ωt k z H H e 0 i ωt k z
和k分别为角频率和波数，它们与周期T
和波长的关系为：
2 T 2 k
波的传播速度（相速）为：
如果介质为非磁性介质，则r 1.
对于非均匀介质，尤其是其介电常数 是周期性变化时，有
r r kn
可将相对介电常数写为两个部分之和： 平均介电常数 r 和变动介电常数
则有：k 2 r r '
' r
c
2
2
代入波动方程，可得： 2 2 r r rr r r 2 ' E r 2 rE r 2 r E r c c
折射率导光机理 光子能隙导光机理
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。
根据固体物理理论，电子在晶体中的运动可 视为一个电子在周期势场中的运动，由薛定谔方 程描述为
h2 2 r 2m V r E r r r V r V r Tn 是以Tn为周期的周期势场
PCF导光机理可以分为两类：
参考文献： 《材料物理课件－－光纤》，孔勇发， 2006年，南开大学。 《光子晶体引发光通信的技术革命》，张 宁，2006年1月 《光子晶体光纤发展动向》，苏方宁， 2005年4月。
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。
光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集 成、光通信的一种关键性基础材料。