第八章微纳光电材料及器件

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％。
出去。实验表明，采用光子晶体后 ，发光二极管的效率会从
目前的1 0左右提高到 9 0 以上 。
左边是传统的 LED结构，可以看到它的全反射，现有的 LED临界 度是比较小的，相对的，光子晶体蓝色 LED所设计出来的 LED， 由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以可进入临 界角投射到外面，改善过去 LED的光会全部反射的问题。
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)。
小尺寸效应
表面效应 量子尺寸效应
纳米光电器件
• 量子点光电器件
量子点太阳能电池 量子点发光二极管
量子点激光器
• 纳米线光电器件
8.2 光子晶体及光子晶体器件
光子晶体指介电常数(或折射率)周期性变化的一类物质，英 文Photonic Crystal，简称PC 。
1.1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光
光子晶体光纤
光子晶体带隙保证了能量基本无损 失，而且不会出现延迟等现象。英国 Bath 大学的研究人员用二维光子晶体 成功制成新型光纤：由几百个传统的氧 化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组 成六角阵列，然后烧结从而形成蜂窝结 构亚微米空气孔。引入额外空气孔做为 导光通道，可导波的范围很大，从而增 加数据传输量。 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。
解决的方法还有一种就是采用单 模光纤，即尽量减少光纤纤芯的直 径，从而可以只允许一个模式的光 路通过，从而避免上述问题。但同 时成本将大大提高。
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， (a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤 可全波段传输。
1989年，Yablonovitch及Gmitter首次 尝试在实验上证明三维光子能带结构的存 在。实验中采用的周期性介电系统是Al2O3 块材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式钻了将近八千个球状 空洞，如此形成一个人造的巨观晶体。 三 氧化二铝和空气的介电常数分别为12.5和 1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据
众所周知，很多的研究 都是起源于对自然界不同领 域存在类似现象的假设开始 的。因为宇宙万物遵循着相 同的规律，即使外表再怎样 的千变万化，而内在的规则 却是有着高度一致性。
科学家们在假设 光子也可以具有类 似于电子在普通晶 体中传播的规律的 基础上发展出来的
晶体内部的原子是周期性有序排列的，这 种周期势场的存在，使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。 相似的，在光子晶体中是由光 的折射率指数的周期性变化产生 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。
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
服从方程
光子
麦克斯韦 （Maxwell）方程 矢量波
电子
薛定谔方程
对应波
标量波
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
相互作用 没有 很强 自旋 自旋为1的玻色子 自旋为1/2的 费米子
最初光子晶体的人工制备：
自然界中的光子晶体： 光子晶体虽然是个新名词，但自然界中 早已存在拥有这种性质的物质。
自然界中的光子晶体
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。
第三式两边用 k叉乘得 k (k E ) k (k E ) k 2 E k 2 E 0 k H 即k H k 2E
0
k2
k E 0,
0
)E 0
把第四式代入上式，有 ( 0
2
k H 0, k E 0 H , k H 0 E.
• 超材料具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不
具备的）； • 超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决 定于其中的人工结构。
负折射率的预言
麦克斯韦方程的微分形 式如下： D 0， B 0， E B t ， H j0 D t 。 各向同性介质的电磁性 质方程 D 0E , B 0 H , j0 E. 无源各向同性介质中， 有 E 0， H 0， E 0 H t ， H 0 E t 。
左手材料
光子晶体器件
光子晶体的这些特性可用于光纤通讯、微波器件、光路集成、光开关、滤波器件等 方面。目前，市场上已经有基于光子晶体的光纤和波分复用器件产品。 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。 特点：
子局域时分别提出光子晶体这一新概念。
2.1991年，Yablonovitch在实验室中人工制造了第一块被认为
具有完全禁带的三维光子晶体。
• 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。
光子晶体图示
光子晶体概念的产生：
以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之
间处于中问物态的固体颗粒材料。 一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。 分为纳米线和纳米管。 纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒
粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层
致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜
纳米光电材料的性能:
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)。
第一个具有绝对能 隙的光子晶体，及 其经过特别设计的 制作方式
基本特性
光子晶体通常具有:光子禁带结构、异常色散和抑制原子的 自发辐射的特点
1.实现大功率单模激光传输；.
2. 宽波段的单模性质 3. 具有良好的色散性质
4. 高的双源自文库射特性
5.可以实现多芯传输
传统光纤的缺点
不同波长的光穿过光纤纤芯的 速度也不同。考虑长距传输时，在 信号中就将出现时间延迟，所以信 号就需要在不同的波长编码。光纤 纤芯越粗延迟越厉害，通过这样的 纤维的一个光脉冲变宽，必将限制 能精确接收的数据率。
1 E有非零解时要求 k 0 0 c 另一方面由定义有 k n / c n 而光速的定义为 c 1 / 0 0 , 所以有n 2
2 2 2
光子晶体发光二极管
一般的发光二极管发光中心发出的光经过周围介质的
无数次的反射 ，大部分光不能有效地耦合出去， 二极管的
光辐射效率很低 。如果将发光二极管的发光中心置入一块特 制的光子晶体中，并使得该发光中心 的自发辐射频率与该光 子晶体 的光子禁带重合 ，则发光中心发出的光不会进入包 围它的光子晶体中，而只能沿着特定设计的方向辐射并传导
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
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。
第八章 微纳光电材料及器件
8.1 纳米光电材料及器件
• 纳米材料是一种粒子尺寸在0.1到100nm的材料。纳米光
电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的
一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。其 原理如下： •
纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。 纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米
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 列整齐的次微米结构，选择性反射 日光的结果.
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。 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
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)
两年之后，Yablonovitch等人 卷土重来， 这回他们调整制作方式，
出现在能隙中的缺陷态
1 9 9 9年， 美国加州理工学院谢勒( A．S c h e r e r ) 领导的研究组首次报道了可在室温下工作且运转 在 1 5 5 0纳米的光子晶体激光器。
光子晶体激光器顶部和剖面示意图
8.3 超材料及相关器件 什么是超材料？
超材料的三个重要特征
• 超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；
对于时谐单色平面电磁 波，可设其电磁场分别 为 E E0 e j (t k r ) , H H 0 e j (t k r ) , 此时偏微分算子对应关 系如下： jk , / t j 代入麦克斯韦方程得 k E 0, k H 0, k E 0 H , k H 0 E. 可以看出E , H均与k两两垂直， 2 ˆ n ˆ ˆ构成右手系。 其中k k k，定义E , H和k c