光子晶体的应用与研究

光子晶体的应用与研究

IsSN1009—3044

Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术

V o1.7,No.22.August2011.

光子晶体的应用与研究

陆清茹

(东南大学成贤学院,江苏南京210000)

E—mail:kfyj@.ell

Tel:+86—551～56909635690964

摘要:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand～Gap,简称为PBG)g~性的人造周期性电介质结构.有时也称为PBG光子晶体结

构.该文系统的阐述了光子晶体的产生,制备及应用.

关键词:光子晶体;光子频率禁带;激光全息:

中图分类号:TN364文献标识码:A

光子晶体激光器:微波天线

文章编号:1009—3044(2011)22—5468—02

进入2O世纪后半叶以来,全球迎来了电子时代,电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域,尤其是促进了计算机

和通讯行业的发展.但是进入21世纪以后,伴随着电子器仲不断深入的小型化,低耗能,高速度,其进一步的提升也越来越困难.人

们感到了电子器件发展的瓶颈,开始把目光转向了光子,有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想.电子器件的基

础是电子在半导体中的运动,类似的,光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动.光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量

损耗小,运行速度快,所以工作效率高.光子器件在高效率发光二极管,光子开关,光波导器件,光滤波器等方面都具备巨大的应用

潜力.近年来,光子晶体相关的理论研究,实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展,光子晶体领域已经成为现在世界范围

的研究热点.1999年l2月17日,《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一.

1光子晶体的由来

1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand—Gap,简称为

PBG)特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG光子晶体结构.它是根据电子学上的概念类比得出的.我们知道,在固体物理

学的研究中,晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用.在介电常数周期性分布的介质

中的电磁波的一些频率是被禁止的,光子晶体也类似.通常这些被禁止的频率区间为光子带隙,也叫光子频率禁带,而将具有"光子

频率禁带"的材料称作为光子晶体

2光子晶体的分类与结构

我们可以根据光子晶体的结构进行分类根据其能隙空间分布的不同,我们把光子晶体分为一维光子晶体,二维光子晶体,三

维光子晶体.

3光子晶体的制造

光子晶体在自然界中几乎不存在,它是一种人造做结构,其制备工艺主要有以下几种:

3.1机械加工法

机械加工法又叫精密机械加工法.这种加工法是存光子晶体的早期研究中发展起来的方法.机械加工法通过在集体材料上进

行机械接卸钻孑L,利用空气介质和集体材料的折射率差束获得光子晶体,这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在

厘米至毫米量级的微波波段光子晶体.

3.2半导体微制造法

半导体制备技术中的"激光刻蚀","反应离子束刻蚀","电子束刻蚀"以及"化学汽相

淀积"等能够应用于面心立方结构的光子

晶体的制备.

这类制备方法的优点在于可以利用现有半导体产业的技术和设备,并且用这种方法制备的光子晶体具有较宽的禁带,在集成

光电子元件的应用方面有很大的潜力.但是这类制备方法的]二艺太过复杂,而且成本过高,并且在向光子晶体中引入缺陷和制备更

短波长的光子晶体等方面存在不足.

3.3胶体自组织法

分散的聚苯乙烯乳胶球能自发的在水中排列成面心立方和体心立方等有序结构,这种胶体体系被人们称为胶体晶体.目前制

备交替晶体的多为二氧化硅小球体系或者聚苯乙烯球.这种方法制备的光子晶体的折射率比值不会太大.蛋白石光子晶体的折射

率比值比较小,这也就决定了此种胶体光子晶体的光子禁带较窄,它们是非完全光子带隙晶体.为解决胶体晶体的低介电常数配比

问题,人们又发展了模板法.

模板法和胶体法可以用于制备可见光和近红外波段的i维光子晶体.它们的缺点是不易引入人们想要的缺陷,以及制得的光

子晶体机械强度较低,尺寸较小等.

3.4激光微制造法

有一种相对比较简单的制备光子晶体的方法叫做激光微制造法.其原理是,光线能通过透镜产生汇聚,从而在焦点处可以产生

收稿日期:2011—06—23

作者简介:陆清茹,硕士,现就职于东南大学成贤学院.

5468计算机工程应用技术;;*本栏目责任编辑:梁书

第7卷第22期(2011年8月)Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术很高的温度.如果将紧密聚焦后的激光束直接照射存透明材料上,只要光强足够大,则材料内部的亚微观尺寸区得光学性质会被改

变光学改性区取决于激)匕束的聚焦情况,如果使用配有高数值孔径的显微镜对激光束聚焦,则所得的光学改性区的尺寸有可能达

到进行为制造的激比波长量级

3.5激光全息制造法

激光伞息制造法的原理是:两束或多束相关光线在相重叠汇聚处能产生在空间上呈周期性变化的罔案,然后再通过光与物

质的相互作用,就能形成介质折射率在空间}:呈周期性变化的结构.因为存光强比较高的地方,液态树脂会发生固化,而其他地方

还是液态,所以该电磁波场强的图案能被转印到树脂材料中,进而得到需要的光子晶体结构.

3.6双光子聚合法

双光子聚合是近些年来发展起来的一种新型光聚合技术,它要求材料中能引发光聚合的活性成分能在同时吸收两个光子,产

生一种活性物质,进而引发聚合反应.双光子聚合技术是点聚合,能通过计算机辅助设计进行立体结构加工,所以加工精密度要比

普通光聚合更高.

4光子晶体的应用发展

4.1光子晶体激光器

传统光学器件尺寸的缩小已经接近物理极限,光子晶体为突破这一瓶颈限制带来了曙光,可望满足元器件不断微型化的需要.另

外从理论性上看,光子晶体激光器的起振阈值可以为零.因此光子晶体激光器的研究受到了广泛重视,日本,美国,德国,韩国,英国,瑞

士,法国等国的研究者都已研制出光子晶体激光器装置.但由于其制作工艺复杂,目前国内在这方面的研究基本上还是空白状态.

从作原理上看.光子晶体激光器可以分为两类,一类基于缺陷态光子晶体的特性,另一类基于光子晶体的理想反射特性.

从工作特点上看,光子晶体激光器可分为半导体光子晶体激光器,光子晶体光线激光器,光子晶体激光二极管,有机聚合物光

子晶体激光器.

从结构特点看.已研制出的有光子晶体带间缺陷模激光器,表面发射型光子晶体激光器,脊形波导光子晶体激光器,六角波导