光子晶体简介英文版

合集下载

光子晶体水凝胶的英文

光子晶体水凝胶的英文Photonic crystal hydrogels are pretty cool materials. They're like the combo of two amazing things: photonics and hydrogels. You know, photonics deals with light and its interaction with matter, while hydrogels are those super-absorbent polymers that can hold a lot of water.When you put them together, you get something that can manipulate light in a really unique way. Imagine being able to control how light passes through a material just by changing its water content. That's what photonic crystal hydrogels allow you to do.These materials are also really responsive. They can change their properties based on external stimuli like temperature or pH. So, not only can you control light, but you can also make the material respond to its environment.Photonic crystal hydrogels are super versatile, too. You can use them in sensors to detect chemicals or indisplays that change color based on some input. The possibilities are endless!Plus, they're just so fascinating to look at. The way the light dances through the crystal structure is like a mini light show. It's like nature's own version of a laser light display, but much more subtle and elegant.In a nutshell, photonic crystal hydrogels are a marriage of science and beauty. They're not just useful materials; they're also a visual treat. Who knows, maybe one day we'll see them everywhere, from our smartphones to our homes, adding a bit of magic to our daily lives.。

_英文_-短波长三维光子晶体

第29卷第2期光　子　学　报 V o1129N o12 2000年2月 A CTA PHO TON I CA S I N I CA Feb ruary2000　SHORT-W AVEL ENGTH THREE-D I M ENSI ONALPHOT ON I C CRY STAL SQ uyang Zhengb iao,L i J ingzhen,Sun Y iling,L in M inD ep t.Op to2E lectron ic E ng g.,S chool of S ci.&T ech.,S henz hen U n iv.,S henz hen518060,P.R.Ch inaAbstract　A new k ind of th ree2di m en si onal p ho ton ic crystal,called as com b ined th ree2di m en si onal p ho ton ic crystal,is p resen ted and show n to be p ractical th rough theo reticalanalyses.T he com b ined th ree2di m en si onal p ho ton ic crystal is an enclo sed so lid struc2tu re m ade of several p ieces of one2di m en si onal p ho ton ic crystals.It is found ou t that,under p resen t techno logy,there ex ists no difficu lty in the fab ricati on of the p ropo sedcom b ined th ree2di m en si onal p ho ton ic crystals w o rk ing in sho rt w avelength s,includingtho se in the visib le.T h ree p ractical schem es are given and discu ssed. Keywords　Pho ton ic crystal;Sho rt2w avelength;T h ree2di m en si on0　I n troduction Pho ton ic crystals(PC s)are of great in terest in recen t years fo r their po ten tial w ide app lica2 ti on s1～10.It is found that spon taneou s radiati on of atom s and m o lecu les in PC s can be con tro lled, w h ich m akes it po ssib le to ach ieve zero2th resh2 o ld sem iconducto r lasers and h igh efficiency ligh t em itting di odes1～2.T he band2gap characteristics of PC s can be app lied to design single m ode h igh Q m icro2cavities,ligh t em itting di odes of laser quality ou tp u t,h igh quality directi onal an tennas, efficien t ligh t w avegu ides,and h igh p erfo rm ance ligh t2w ave filters3～6.Fu rtherm o re,non linear PC s are u sefu l fo r sp litting coup ling,dem u lti p lex ing m u lti p lex ing and all2op tical s w itch ing of ligh t2 w aves in op tical comm un icati on s,and fo r the generati on of second harm on ics7～10.M uch p rogress is m ade in tw o2and th ree2di2 m en si onal PC s w o rk ing in the long w avelength regi on ranging from m icrow ave to the near in2 frared11～14.T h ree2di m en si onal(32D)PC s op erat2 ing in op tical w avelength s has also been investi2 gated bo th theo retically and exp eri m en tally15～17. Yet,un til now there still ex ist p len ty of techn ical difficu lties in the fab ricati on of32D PC s op erat2 ing in the sho rt w avelength regi on,esp ecially inthe visib le ligh t w avelength regi on.In th is p ap er,w e p resen t a new k ind of p ractical schem e fo r con structing32D PC s that m ay op erate in the regi on s from m icrow ave to the visib le ligh t2w ave.Each of the p ropo sed new 32D PC s con sists of a num ber of one2di m en si onal (12D)PC s.It is know n that there ex ists no diffi2 cu lt in fab ricating12D PC s op erating bo th in long w avelength s and in sho rt w avelength s.So ou r schem es are of p ractical sign ificance fo r p ro2 ducing32D PC s that m ay op erate in a w ide range of w avelength s,esp ecially,in the visib le ligh t w avelength s.1　Theoretica l m odel and ana lysis T he essen tial characteristic of12D PC s is that the tran s m issi on of electrom agnetic w aves is p roh ib ited in the directi on s in one di m en si on. W h ile in32D PC s,the tran s m issi on of electro2 m agnetic w aves is fo rb idden in all directi on s in th ree di m en si on s.F rom these essen tial charac2 teristics of12D and32D PC s,w e m ay get the idea that som e structu res con sisted of several p ieces of12D PC can p lay the ro le of32D PC s and can be con sidered as a new k ind ofR eceived date:1999-09-2032D PC .T h is new k ind of 32D PC s is advan ta 2geou s fo r its si m p licity in configu rati on and fab 2ricati on ,w h ich is sp ecially u sefu l fo r ob tain ing 32D PC s that op erate in the visib le ,becau se 12D PC s w o rk ing in the visib le can be fab ricated w ithou t m uch difficu lty by conven ti onal tech 2n iques .W e find that the necessary and sufficien t conditi on fo r a structu re m ade of 12D PC s to be 2have like a 32D PC is that the in tersecting su r 2faces of the 12D PC s in the system are enclo sed in sp ace by these 12D PC s .T h is can be show n to be true from the fo llow ing th ree asp ects .111　The m otion of Photon s i n an UnclosedStructure L et ′s con sider the m o ti on of p ho ton s in a general unclo sed system m ade of a few p ieces of 12D PC s ,as show n in F ig .1.T ak ing no tice of the fact that the su rface of a 12D PC behaves like a m irro r to inciden t p ho ton s ,from F ig .1(a )～(c )it can be easily seen that p ho ton s over a w ide range of directi on s in the structu re w ill escap e ou t of it .T h is m ean s that the m o ti on of the p ho 2ton s in the system is divergen t .T hu s an unclo sed system con sisted of a few p ieces of 12D PC s is no t a su itab le structu re that can serve as a 32D PC .H ere the unclo sed structu re is referred to be that the in tersecting su rfaces of differen t 12D PC s are unclo sed in sp ace.F ig .1　T he mo ti on of pho ton s in an unclo sed structu re ,w here ( )～( )rep resen t differen t 12D PC s ,w here V 1and V 2are respectively the inciden t and ou tgo ing velocities of the pho ton s112　The m otion of photon s i n the i n tersecti ngreg ion of 1-D PCs w ith an acute i n tersect -i ng angleTo analyze the m o ti on of p ho ton s in an en 2clo sed structu re by several p ieces of 12D PC s ,w e first con sider the m o ti on of p ho ton s in the cro ss 2ing regi on of th ree p ieces of 12D PC s w ith a cro ssing angle being acu te ,as show n in F ig . 2.L et ′s fo llow and analyze the m o ti on of a p ho ton starts from an arb itrary po in t A in F ig .2at an arb itrary directi on of m o ti on .Suppo se Η1be thein tersecti on angle of the tw o cro ssing p ieces of12D PC s ( )and ( ).W e m ay w rite the inci 2den t angle of the p ho ton at the su rface S 1of thebo ttom 12D PC as Ηi n (n =1,2,3…),w h ile that at the su rface S 2of the upp er 12D PC as Βi n (n =1,2,3…)1T hen from F ig .2w e can ob tainΗi n =2Η1+Ηi (n -1)=2(n -1)Η1+Ηi1 (n =1,2,3,…+)(1) Βi n =2Η1+Βi (n -1)=2(n -1)Η1+Βi1 (n =1,2,3,…+)(2)F ig .2　T he mo ti on of pho ton s near the in tersectingarea of 12D PC s w ith an acu te in tersecting angle ,w here regi on s ( )～( )are differ 2en t 12D PC sEqs .(1)and (2)tell u s that Ηi n and Βi n w illbe greater than 90°fo r certain large values of n .T h is m ean s that th rough certain ti m es of reflec 2ti on by the su rfaces of the in tersecting 12D PC s ,the inciden t p ho ton w ill m ove tow ards the directi on aw ay from the cro ssing regi on of the 12D PC s .W e can say that the inciden t p ho ton is reflected back by the acu te angle .113　The m otion of photon s i n the i n tersecti ngreg ion of 1-D PCs w ith a non -acute i n ter -secti ng angleN ow w e tu rn to analyze the m o ti on of p ho 2ton s in the cro ssing regi on of 12D PC s w ith the in tersecting angle being non 2acu te ,as show n in F ig .3.It is easy tosee from F ig .3(a )～(d )F ig .3　T he mo ti on of pho ton s near the in tersecting areaof the th ree p ieces of 12D PC s ( )2( )w ith a non 2acu te in tersecting angle ,w here V 1,V 2and V 3are the velocities of pho ton s3112期 Q uyang Zhengb iao ,et al .Sho rt 2w avelength th ree 2di m en si onal pho ton ic crystalsthat all p ho ton s m oving tow ards the in tersecting area of the th ree p ieces of 12D PC s w ith a non 2a 2cu te in tersecting angle w ill be reflected aw ay from the regi on near the in tersecting angle .F rom the above analyses w e m ay conclude that p ho ton s in side an enclo sed strucu re con sisted of several p ieces of 12D PC s are w ho lly fo rb idden in the enclo sed sp ace .In the sam e w ay w e m ay get the conclu si on that p ho ton s ou tside the enclo sed sp ace are p roh ib ited to p enetrate in 2to the in side of the structu re .T hu s an enclo sed structu re m ade of 12D PC s can serve as a 32D PC .2　Exam ples of conf igura tion ofpractica l 3-D photon ic crysta lsA s show n in the above secti on s ,any en 2clo sed structu re m ade of several p ieces of 12D PC s can serve as a 32D PC .T hu s a lo t of schem es can be ob tained acco rding to th is p rinci p le .H ere w e ju st give th ree exam p les to save p ages ,asshow n in F ig .4～6.A so lid cub ic structu re m ade of five p ieces of 12D PC s is show n in F ig .4.It shou ld be po in t 2ed ou t that the effective sp ace fo r fo rb idding p ho ton s in the structu re show n in F ig .4(d )is the vo lum e of the cen tral 12D PC b lock [W ].T h is structu re can be fab ricated acco rding to the fo llow ing step s :first the cen tral b lock ,then the fou r ou tside b lock s one by one ,either th roughdepo siting ,grow ing o r fil m coating techn iques.F ig .4　A cub ic structu re (d )m ade of th ree typesof 12D PC s :[U ],[V ]and [W ]show n in (a ),(b )and (c ),respectivelyA so lid cylinder configu rati on con sisted of tw o p ieces of 12D PC s is p resen ted in F ig .5.H ere the effective sp ace fo r fo rb idding p ho ton s in th is structu re is the vo lum e of the cen tral cylinder m ade of several dielectric discs .T he cen tral cylinder of th is structu re can be ob tained th rough laser cu tting of an o rdinary 12D PC .T he ,12,can be p rep ared by dielectric grow ing around the cen tral cylinder .T h assu re good quality ,one m ay ro tate the cen tral cylinder w h ile grow ing di 2electrics around it.F ig .5　A cylindrical structu re m ade of tw o specialk inds of 12D PC s ,w here (b )is a secti onal view of (a )A nd a so lid sp herical structu re is given in F ig .6.T he dielectric con stan t in the structu re varies p eri odically in the radial directi on s ,w ith 2ou t any dep endence on the o ther tw o coo rdi 2nates .T hu s th is structu re is theo retically a 12D PC .B u t it is easily seen that th is structu re is en 2clo sed and the p ho ton s in side the sp here are fo r 2b idden in it .A lso ,p ho ton s ou tside the sp here w ill no t be ab le to p enetrate the sp here .A ctual 2ly ,it can be con sidered as a structu re m ade of an infin ite num ber of 12D PC p ieces .T hu s th is structu re can serve as a 32D PC.F ig .6　A spherical structu re m ade of dielectric sphericalshells ,w here (b )is the secti onal view of (a )H ere w e po in t ou t that ,in conven ti onalsen se ,the structu res given above are no t 32D PC s .B u t they have the sam e functi on s as tho seconven ti onal 32D PC s .So ,fo r si m p licity ,w e m aystill call the structu res p resen ted above 32D PC s .To avo id confu si on ,w e m ay call the new 32D PC s p ropo sed in th is p ap er as com b ined 32D p ho ton ic crystals (PC s ).T he calcu lati on of p ho ton ic band gap s is no t given in th is p ap er becau se the p ropo sed 411 光　子　学　报 29卷calcu lati on of p ho ton ic band gap s in 12D PC s can be found elsew here .3　Conclusion sA new idea is p resen ted and show n to be u sefu l that an enclo sed structu re m ade of several p ieces of 12D PC s ,called as a com b ined 32D PC ,can serve as a 32D PC .T he advan tage of the newidea is that it b rings techn ical si m p licity in fab ri 2cati on ,being esp ecially m ean ingfu l fo r the p ro 2ducti on of 32D PC s op erating in sho rt w ave 2length s as in the visib le ,becau se there ex ists no techn ical difficu lty in the fab ricati on of 12D PC sw o rk ing in sho rt w avelength s.References1　Fan S ,et al .H igh ex tracti on efficiency of spon taneou s em issi on from slab s of pho ton ic crystals .Phys R ev L ett ,1997,78(17):3294～32972　Kopp V I ,et al .L ow th resho ld lasing at the age of a pho ton ic stop band in cho lesteric liqu id crystals .Op t L ett ,1998,23(21):1707～17093　Sm ith D R ,et al .Band gap cavity .A pp l Phys L ett ,1994,65(5):645～6474　L ei X Y ,et al .N oval app licati on of a pertu rbed pho ton ic crystal :h igh quality filter .A pp l Phys L ett ,1997,71(20):2889～28915　B loem er M J ,Scalo ra M .T ran s m issive p roperties of A g M gF 2pho ton ic band gap s.A pp l Phys L ett ,1998,72(14):1676～16786　Barkou S E ,et al .Silica 2air pho ton ic crystal fiber design that perm itsw avegu iding by a true pho ton ic band gap effect .Op t L ett ,1999,24(1):46～487　L in H 2B ,et al .Tw o di m en si onal pho ton ic band gap op tical li m iter in the visib le .Op t L ett ,1998,23(2):94～968　Enoch S ,A khouayri H .Second 2harmon ic generati on in m u lti layered devices :theo retical too ls .J Op t Soc Am B ,1998,15(3):1030～10419　Ko saka H ,et al .Pho ton ic crystals fo r m icro ligh t w ave circu its u sing w avelength 2dependen t angu lar beam steering .A pp l Phys L ett ,1999,74(10):1370～137210　T ran P .A ll 2op tical s w itch ing w ith a non linear ch iral pho ton ic band gap structu re .J Op t Soc Am B ,1999,16(1):70～7311　Yab lonovitch E ,et al .Pho ton ic band structu re :the face 2cen tered 2cub ic case emp loying non 2spherical atom s .PhysR ev L ett ,1991,67(17):2259～226212　A nderson C M ,Giap is K .L arger tw o 2di m en si onal pho ton ic band gap s .Phys R ev L ett ,1996,77(14):2949～295213　Feiertag G ,et al .Fab ricati on of pho ton ic crystals by deep X 2ray lithography .A pp l Phys L ett ,1997,71(11):1441～144314　Sievenp i per D F ,Yab lonovitch E ,32D m etallo 2dielectric pho ton ic crystals w ith strong capacitive coup ling betw eenm etallic islands.Phys R ev L ett ,1998,80(13):2829～283215　V lasov Y A ,et al .Ex istence of a pho ton ic p seudo 2gap fo r visib le in syn thetic opals .Phys R ev (B ),1997,55(20):R 13357～1336016　Ro sner B T ,et al .In terferom etric investigati on of pho ton ic band 2structu re effects in pu re and doped co llo idal crys 2tals .J Op t Soc Am (B ),1998,15(11):2654～265917　M iguez H ,et al.B ragg diffracti on from indium pho sph ide infilled fcc silica co llo idal crystals .Phys R ev (B ),1999,59(3):1563～15665112期 Q uyang Zhengb iao ,et al .Sho rt 2w avelength th ree 2di m en si onal pho ton ic crystals短波长三维光子晶体欧阳征标　李景镇　孙一翎　林　敏(深圳大学科技研究院光电子技术工程系,深圳518060)收稿日期:1999—09—20摘　要　本文提出了一种新型三维光子晶体—组合式三维光子晶体,它是由数块一维光子晶体组合而成的封闭式结构1从理论上论证了它的可行性1指出在短波长工作区域,这种新型光子晶体的制造工艺简单易行1文中给出并讨论了三个例子1 关键词　光子晶体;短波长;三维;光子材料 Ouyang Zhengb i ao w as bo rn in Dongkou ,H unan P rovince on Feb .20,1963.H e received h is Ph .D in electron p hysics and devices from the U n i 2versity of E lectron ic Science and T echno logy of Ch ina in 1988.A t p re 2sen t ,he is an associate p rofesso r .H is research in terests in recen t years include p ho ton ic m aterials ,quan tum op tics ,laser di ode and non linear op 2tics .H e has p ub lished m o re than 20academ ic p ap ers .611 光　子　学　报 29卷。

光子晶体及运用

1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90 500
1000
1500
2000
2500
3000
Wavenumber(cm-1)
可见光透射光谱
Transmission
0.5
0.4
黄
色
0.3
带
红色
0.2
带
0.1
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
Light Sneaks through Small Holes
J. A. Porto, et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999)
修饰发射特性：红外隐身
发射率
光子晶体热辐射材料
黑体辐射
实际材料
有光子晶体
频率
Photonic Molecule
Photons confined within the photonic molecule are restricted to a set of discrete energies, like electrons in a real molecule
S. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (1999)
Sonic bandgap material
J.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (1998).
波晶体
波
波能带
周
期
性
波禁带
电磁波、声波、水波、地震波 …...

光子晶体简介

光子晶体的发展与应用
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

光子晶体

缺陷真的是不完美吗？——光子晶体的理论计算、制作工艺以及器件应用（综述报告）Do defects really mean imperfection?On theory, fabrication and applications of photonic crystals（Review）胡小龙034698无研01摘要光子晶体材料的介电系数在空间中呈周期分布，这种材料存在光子带隙，引入缺陷对光有局域效应，为更好地控制光和利用光提供了新的方法。

本文综述了近几年来光子晶体理论和实验方面研究进展，包括：理论计算方法、制作工艺以及器件应用。

AbstractThe dielectric coefficient of photonic crystals is periodic in space. Photonic bandgap exits and light can be localized in the defect. The emergence of this new material provides new methods and possibilities for the control and manipulation of light. A brief overview of the progress in both theoretical and experimental research in recent years is presented, including: theoretical computation methods, fabrication and applications.§1 引言在刚刚过去的50年里，半导体物理以及相关技术迅猛发展，影响并推动了整个社会现代化的进程。

人们通过控制材料导电特性、改变电子能带实现了各种各样功能卓越的电子器件。

如果能找到合适的材料来改变（tailor）光子能带，那么是不是同样对光进行控制呢？光子晶体的概念是1987年由S.John[1]和E.Yablonovitch[2]等人分别提出来的。

光子晶体

由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。
1
光子晶体简介
散射矩阵法：
散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的
三维金刚石结构禁带计算结果
光子晶体由折射率为 3.6 的球形介质构成金刚石结构 ,分布在空气中 , 介质的填充比( 所占空间体积的比) 为 0.34。
研究指出：光子晶体可以抑制自发辐射，我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零 , 因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制. 反过来 , 光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子的态的数目便可实现。如在光子晶体中加入杂质 ,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。
为解决这一问题，人们发明了反蛋白石结构,又称为模板法,即利用二氧化硅、聚苯乙烯等生长出的胶体晶体作为模板，再往其空隙中填充高折射率材料的有机或无机材料,如染料、金属纳米粒子、硅等, 多次填充后通过高温煅烧或刻蚀除去模板,留下反蛋白石三维周期结构。
4
光子晶体的应用
1. 光电元件中的应用—光子晶体发光二极管
构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者
难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下
传输矩阵法：
传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传

光学性质的光子晶体PhotonicCrystal

光学性质的光子晶体PhotonicCrystal美国科学家研发出了一种新方法，改变了半导体的三维结构，使其在保持电学特性的同时拥有了新的光学性质，并据此研制出了首块光学电学性能都很活跃的新型光子晶体(Photonic Crystal)，为以后研制出新式太阳能电池、激光器、超材料等打开了大门。

研究发表在最新一期《自然·材料学》杂志上。

光子晶体(Photonic Crystal)材料具有独特的物理结构，它能采用不同于传统光学材料和设备的特殊方式诱发非同寻常的现象并影响光子的行为，可广泛应用于激光器、太阳能设备、超材料等中。

之前由科学家们研制出的光子晶体(Photonic Crystal)只能得到用光学方法激活的设备，这些设备能引导光，但无法被电所激活，因此，其无法将电变成光或相反。

伊利诺斯大学材料科学和工程学教授保罗·布劳恩领导的科研团队研制出的最新光子晶体(Photonic Crystal)却兼具光学和电学性质。

该研究的参与者埃里克·尼尔森解释道，新光子晶体(Photonic Crystal)可以让光学和电学性能同时达到最优化，这就使人们能更好地控制光的散射、吸收以及增强。

为了制造出该三维光子晶体(Photonic Crystal)，科学家们先让一些细小的球簇拥在一起形成一块模板，接着，他们将一种广泛应用于半导体中的材料砷化镓(GaAs)沉积在模板上，让砷化镓通过模板填充球之间的缝隙。

砷化镓作为单个晶体开始从下往上生长，这个过程被称作外延生长技术，工业界一般使用该技术来制造平的、二维的单晶体半导体薄膜，但布劳恩团队却对这种技术进行了升级改造，用来制造错综复杂的三维结构。

这种自下而上的外延生长技术消除了制造三维光子结构普遍采用的自上而下构造方法可能导致的很多缺陷。

另一个好处是，它让制造出层层堆积而成的半导体异质结构变得更方便。

例如，可以通过先用砷化镓部分填充该模板，再用另一种材料填满，从而将一个量子势阱层引入光子晶体(Photonic Crystal)中。

光子晶体课件

下面是两能带各自的concentration factor
A Square Lattice of Dielectric Veins
X点的集中参数
TM模式的band1把能量集中在vein的交叉点，TE模式把能量集中在vein 的交叉点之间连线上，能量都集中在高介电常数区域，所以不会出现 gap。而对于TE模式，band1电场线集中在穿过交叉点的vein上，而 band2必须穿入空气，所以出现gap。
Electromagnetism
Symmetry
1D PhC (Layer)
2D PhC (Slab)
3D PhC
macroscopic Maxwell equations
Constitutive relations
ρ = 0 and J = 0; ignorable nonlinearity
Electromagnetism
The photonic band structures for on-axis propagation
The low frequency modes concentrate their energy in the high-ε regions, and the h-igh frequency modes have a larger fraction of their energy in the low-ε regions.
Off-Axis Propagation
1.离轴方向上没有明显的禁带
与on-axis传播相比的区别 2.原on-axis传播的旋转对称性不存在了存在旋转对称性的时候TE模、TM模是简并的，虽然离轴时旋转对称性不存在了，但有可能存在其他对称性，如镜面对称性等

光子晶体简介及应用

光子晶体及其应用的研究(程立锋物理电子学)摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。

近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。

的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。

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，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。

光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。

关键词：光子晶体；算法；应用；1光子晶体简介在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。

推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。

半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。

但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。

人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。

与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。

光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。

电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。

光子晶体光纤简介及原理

光子晶体光纤简介及原理中文摘要: 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。

光子晶体光纤有很多奇特的性质。

例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。

中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications.英文关键字: photonic-crystal fiber光子晶体（PC）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，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。

光子晶体光纤简介及原理

光子晶体光纤有很多奇特的性质。

中文关键字：光子晶体光纤PCF导光机理PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications.英文关键字: photonic-crystal fiber光子晶体（PC）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，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。

光子晶体光纤

光子晶体光纤
学习汇报
主要内容：

光子晶体简介两种不同导光机制的光子晶体光纤介绍光子晶体光纤的制备
光子晶体 (photonic crystal)

光子晶体是在光波长量级（微米、亚微米）上折射率呈现周期性变化的介质材料，它使某些频率范围内的光子态密度大大降低，甚至完全形成光子禁带。光子晶体自20世纪80年代提出来，相关理论和技术得到了迅速发展，其中光子晶体光纤在通讯、传感技术、光谱分析及医学上的应用都深具潜力。
◆ 蜂窝状PBG光纤：蜂窝结构的包层相对于三角形结构来说，可以以更小尺寸的空气孔获得光子带隙。其特点是，能量场只集中在硅材料区域，并且非线性耦合系数相当大。
◆ 空心PBG光纤：这种结构决定了光波更容易注入光纤，导入光与纤芯材料相互作用受到抑制。传递功率大幅提高且无色散效应。
◆ 高折射率棒PBG光纤：空心孔的位置由高折射率材料代替。光线中心的硅缺陷现在形成了低折射率的纤芯，通过光子禁带效应捕获导摸，将光波限制在其中。大大降低耦合损耗。
第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构：首先选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英棒轴线方向钻一个直径为16mm 的孔。接着将石英棒磨成一个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制成直径为0.8mm 的六角形细棒，拉丝温度在2000℃左右。第二步是形成光子晶体结构：将六角形细棒按三角形或蜂窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气孔孔距为50μm 的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。第三步是复制堆积拉丝过程
二维光子晶体的两种常用结构

光子晶体及其应用

光子晶体及其应用光子晶体( 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,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,分别见图1～3. 光子晶体的概念首先在1987 年被E. Yablonovitch提出 . 光子晶体被视为电子晶体的光学领域内的对应物,如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样,光子晶体的折射率的变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构,这些被禁止的频率区域称为光子禁带(Phtonic Band Gap) .关于光子晶体的研究一开始只是在理论上,因为光波长尺度上的工艺非常困难.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 . 其中应用较多的三维结构是“木柴垛结构”(图3) 和“蛋白石结构”(图4) .光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质,例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等. 它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来(图5)可以使自发辐射的光只能以单波长输出;也可以使波长相差很小的光分开60°,使其色散达到普通棱镜的500 倍. 这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值,因而在短短十余年时间内,受到了物理、材料等领域的学者的广泛关注. 可以相信,在不久的将来,光子晶体将在基础研究领域以及光通信、光计算、激光技术等诸多应用领域内起到不可替代的作用.2 光子晶体的原理光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的,因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识. 对于晶体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. 其实,不论是电磁波,还是其它波(如光波等) ,只要受到周期性调制,都有能带结构,也都有可能出现带隙. 而能量落在带隙中的波同样不能传播. 由此我们知道在离子晶体中,离子的周期性排列产生了能带结构,而能带又控制着载流子(半导体中的电子或者空穴) 在半导体中的运动.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. 如图1～3 所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在. 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(Band Gap ,类似于半导体中的禁带,也可以理解为光受到了布拉格散射引起的) . 而周期的大小不同,导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应. 也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播.因为光被禁止出现在光子晶体带隙中,所以可以预见到我们能够自由控制光的行为. 例如,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.3 光子晶体的制备光子晶体在自然界是存在的,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. 参见图6～9.因为Opal 形式与后面讲到的小球密堆积完全相同,因而暂且不提. 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. 通过Maxwell 方程的求解可以发现,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. 因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备.目前制作光子晶体的材料主要是无机材料,如金刚石, Si , SiO2 , TiO2 , GaAs ,AlGaAs 等,另外还有一些金属材料等. 主要的思想就是人为的构造周期性的结构. 在制备工艺上对于一维、二维和三维而言有许多不同. 下面分别进行介绍.最先制备成功的的是三维光子晶体,但是主要工作在微波波段. 在可见光部分曾经比较时兴的一种办法是类似于自然界的Opal 结构,人工制备亚微米量级的小球,然后让他们密堆积起来形成周期性排列.制作光学波段的光子晶体常用的技术是胶体颗粒(如SiO2 颗粒) 的自组织生长. SiO2 颗粒的大小一般为微米或亚微米,悬浮在液体中. 由于颗粒带电,而整个体系呈电性,这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的范德华力. 自组装时先使用一种有机无机复合的材料使SiO2 小球表面电荷被除去以呈现电中性. 因而小球之间的作用力消失,在重力或其他外力的作用下经过一段时间,悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的面心立方结构而形成胶体晶体. 这种方法简便而且经济. 一般采用的胶体颗粒是聚合物等,因为一般胶体颗粒的折射率都比较小,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. 制备成功的样品SEM 图见图4. 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于实际.另外制备三维光子晶体的办法是刻蚀法,这种采用硅工艺的方法十分有效,但是通常只是做到了近红外,可见光部分有难度,而且价格昂贵,操作复杂,同样不利于推广.对二维光子晶体的制作也有许多的研究. 二维光子晶体也有许多用途,而且制作比三维光子晶体要相对容易. 在微波或厘米波波段,可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法;在红外和光学波段用刻蚀等方法. 最早制作的二维光子晶体是用机械钻孔或用介质棒方法制得. 目前,二维光子晶体的带隙已经达到红外和光学波段. 制作二维光子晶体的实际例子是Bath 大学的Philip Rus2sell 和Jonathan Knight 以及他们的合作伙伴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2 000 ℃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. 这种光纤被称为光子晶体光纤,它具有零色散点可调的特点,而且可以在芯径很大的情况下实现单模传输. 这种光纤的缺点是会受到水汽的影响,因为它多是中空的. 制备的样品见图10.一维光子晶体的制备非常简单,而且在光子晶体的概念提出之前就已经被广泛制备并且应用. 因为它就是我们通常所说的多层膜. 制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束外延技术等.4 光子晶体的应用应用光子晶体控制光在其中传播的性质可制成全新的高性能器件。

反蛋白石结构光子晶体

反蛋白石结构光子晶体理学名词：反蛋白石结构(inverse opal)代表了一大类可望实现完全光子带隙的结构。

这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质（例如空气）的比值达到一定的数值时，其周期对称的结构将出现完全光子带隙。

简介：它以SiO2，PS，PMMA等蛋白石为模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，填充完毕待材料在空隙间矿化后，通过锻烧、化学腐蚀、溶剂溶解等方法除去初始的SiO2或聚合物模板。

原有的模板除去后得到规则排列的球形的空气孔，空气的折射率接近1，要求填充材料有高的折射率(如2.8)和所在波长的光学透明。

特性：光子晶体的带隙越宽，其性能越好。

一般而言，光子禁带会受到晶体的晶格结构及两种介质的填充率、介电常数比的影响。

对于晶格结构，完全禁带更容易出现在具有近球形第一布里渊区的结构中，因此二维六角结构和三维面心结构能得到较大的带隙。

周期排列的两种介质的介电常数差越大，布拉格散射越强烈，就越有可能出现光子禁带。

由已有的研究得知，降低光子晶体的对称性，可以增大光子晶体的带隙。

球形构成的fcc结构具有很高的对称性，对称性引起的能级简并使它难于产生完全禁带。

为了消除对称性，在fcc结构的晶胞内引入两个球形粒子构成diamond结构，能产生很宽的完全禁带。

woodpile结构具有面心四方对称性，它可以看成是fcc结构沿垂直方向伸长后的结构。

通过理论计算发现，fcc结构由于高对称性引起的能级简并，除了在背景材料为高介电材料、空气小球密堆积排列时能产生完全禁带，其他情况下不产生完全禁带。

diamond结构实际上是基于双球结构的fcc结构，相比fcc结构，它的对称性明显降低，更容易产生完全禁带。

在高介电材料中钻孔形成的diamond结构比由介质小球在空气中堆积形成的diamond结构更容易产生完全禁带，且禁带宽度和最大带隙率也都非常理想。

woodpile结构是由层层叠加法制作出来的，虽然制作工艺比较复杂，但产生的禁带宽度和最大带隙率都比较理想，相比diamond结构，填充率的调节范围更宽，这给实验制备的精度要求带来了方便。

光子晶体汇报

1.在波导中的应用
平面波导结构——光子晶体结构+全内反射
目的：避免在垂直方向光泄漏
(a)
(b)
(c)
光子晶体光纤
利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在芯层形成的缺陷中存在和传播。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。光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。
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。
光子能带和电子能带
电子在周期性势场中薛定鄂方程：
2 V (r ) E 2m
V ( r ) V ( r R)
R为晶格矢量
单频光在介电常数周期性变化结构中麦克斯韦方程:
日本松下电器第一个将光子晶体运用导入蓝色LED
(a) top xiew of PhC blue LED
(b)Cross-section view of 2-D PhC
在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。光子晶体 LED的效率比一般的 LED高出 50％。
二. 光子晶体的应用

光子晶体的禁带特性。光子晶体的最根本特性就是具有光子禁带，一定频率的光不能在光子晶体中传播，可以用来实现滤波器以及微波天线。对自发辐射的控制。如果原子的自发辐射频率落在光子禁带内，这种自发辐射就会被抑制；如果在光子晶体中加入杂质，光子禁带中就出现了杂质态，可以实现自发辐射的增强。对自发辐射的抑止或增强可用于无阈值激光器和高效发光二极管。光子晶体的缺陷态。在光子晶体中引入点缺陷，就相当于制作了一个可以捕获光的微腔，可以实现高 Q 值的谐振腔；而引入线缺陷，就相当于在光子晶体中引入了光的传播通道，可以作为光波导和光纤。

光子晶体及其应用

机械波的传播玻色子
参量
普适常数原子数
各组元的介电常数
各组元的质量密度，声波波度
晶格常数 1-5Å
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，表面态
系的特点是
Ep
和 k 呈线性关系
整理ppt
49
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
波长尺度的通讯用光子部件
整理ppt
50
四、光子晶体应用
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
光子晶体
整理ppt
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
整理ppt
2
人类材料史
• 利用自然材料
–石器时代、铜器时代、铁器时代 ...
• 材料改性
–青铜、陶瓷、水泥 …
• 更深层次
–电学特性：金属、半导体 … –磁学特性
• 光学性质
整理ppt
3
光子比电子的优点
• 传播速度更快 • 携带更大信息
39
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)。