第六章_亚波长结构和光子晶体

合集下载

亚波长光学ppt课件

光源
传输
调制
探测
成像
显示存储
4
• 典型的光学系统
光源
透
物
镜
体
5
光纤通信与传输
光纤通信光存储
光存储
光光学信息处理光计算光计算
在线检测
学
激光打印
的
广阔
光空间传输
光遥感光开关
应
光通信
危险环境测量激光医学激光加工军事应用
用光应用计算
遥感测量光传感
分光分析
精密计量
26
近场光学的发展历程
• 1928年英国辛格和1956年美国的欧基夫先后提出在近场光学中进行光学测量，可避免大于一个波长的距离之后光波动性质的呈现与干扰，获得超越绕射极限的空间分辨率。
• 1929年亚许(E.A.Ash)与尼可斯(G.Nichols)以波长是 3cm的微波证实在近场范围中达到1／60波长的空间分辨率。
• Leviatan在1986年和Roberts在1987、1989、1991年运用Bethe的理论分形了近场显微术中非常重要的孔经效应，确认了孔经附近倏逝波的存在。
• 1986年宾尼等人在美国斯坦福大学发明的原子力显微镜。
• 基于隐失场探测的近场扫描光学显微镜、近场光谱仪已经在物理、生物、化学、材料科学等领域中得到应用.
亚波长光学的研究进展及应用
滕树云
2011-4-29 山东师范大学物理与电子科学学院
1
主要内容
• 什么是亚波长光学 • 亚波长光学的研究进展 • 亚波长光学的研究方法 • 亚波长光学的应用
2
一、亚波长光学
1、光学 (Optics)
• 光学——研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。

光子晶体

光子晶体 — 简介篇
王鑫
一、光子晶体简介二、光子晶体中的量子理论三、光子晶体的应用四、光子晶体未来应用之展望
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。其最根本的特征是具有光子禁带
光子晶体简介
光子晶体概念的产生：
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。
返回
光电元件中的应用--低阈值激光发射器
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
光电元件中的应用--低阈值激光发射器
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。
一个周期势场；
2
c2
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
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
微波领域中的应用—天线
平均介电常数

光学玻璃的亚波长结构制造技术考核试卷

B.蚀刻
C.离子束刻蚀
D.抛光
5.光学玻璃亚波长结构的加工中，以下哪种方法能够获得更高的加工精度？（）
A.湿法蚀刻
B.干法蚀刻
C.磨削
D.铸造
6.关于亚波长结构光学元件的光学性能，以下哪个描述是正确的？（）
A.透过率降低
B.散射增加
C.像差减少
D.吸收率升高
7.以下哪种技术可用于亚波长结构的直接成像？（）
答案：__________
3.分析干法蚀刻和湿法蚀刻在亚波长结构加工中的区别，并说明它们各自适用的场合。
答案：__________
4.亚波长结构光学元件的制造面临哪些技术挑战？你认为未来可能会有哪些技术创新来解决这些问题？
答案：__________
标准答案
一、单项选择题
1. A
2. D
3. C
4. A
15.以下哪些条件需要在亚波长结构加工中进行严格控制？（）
A.温度
B.湿度
C.污染控制
D.电压稳定性
16.亚波长结构光学元件在以下哪些领域有应用潜力？（）
A.光通信
B.生物成像
C.太阳能电池
D.显示技术
17.以下哪些技术挑战与亚波长结构的制造相关？（）
A.高分辨率成像
B.加工速度
C.材料选择
D.成本控制
B.更高精度的加工技术
C.自动化与智能化
D.成本效益的提高
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.亚波长结构光学元件通常具有比传统光学元件更小的特征尺寸，这些尺寸一般小于光波的______。
答案：__________
2.在亚波长结构加工中，______技术常用于转移微型图案到光学玻璃表面。

微纳光电子练习题

一、简答题：1. 套准精度的定义,套准容差的定义。

大约关键尺寸的多少是套准容差.套准精度是测量对准系统把版图套准到硅片上图形的能力。

套准容差描述要形成图形层和前层的最大相对位移。

一般，套准容差大约是关键尺寸的三分之一。

2. 亚波长结构的光学特性。

亚波长结构的光学特性：-- 光波通过亚波长结构时，光的衍射消失，仅产生零级反射和透射，等效为薄膜，可用于抗反射元件和双折射元件；-- 采用空间连续变化的亚波长结构可获得偏振面的衍射，形成新型偏振器件；-- 表面等离子波亚波长光学利用表面等离子体波共振（SPR）原理：波导，小孔增强，局域增强等4. 微电子的发展的摩尔定律是什么?何谓后摩尔定律？集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律5. 单晶、多晶和非晶的特点各是什么？单晶：几乎所有的原子都占据着安排良好的规则的位置，即晶格位置；——有源器件的衬底非晶：如SiO2, 原子不具有长程有序，其中的化学键，键长和方向在一定的范围内变化；多晶：是彼此间随机取向的小单晶的聚集体，在工艺过程中，小单晶的晶胞大小和取向会时常发生变化，有时在电路工作期间也发生变化。

6. 半导体是导电能力介于___导体_____和___绝缘体_____之间的物质；当受外界光和热作用时，半导体的导电能力___明显变化______; _______往纯净的半导体中掺入某些杂质_______可以使半导体的导电能力发生数量级的变化。

7. 在光滑的金属和空气界面，为什么不能激发表面等离子体波？对于光滑的金属表面，因为表面等离子体波的波矢大于光波的波矢，所以不能激发表面等离子体波。

8. 磁控溅射镀膜工艺中，加磁场的主要目的是什么？将电子约束在靶材料表面附近，延长其在等离子体中运动的轨迹，提高与气体分子碰撞和电离的几率9. 谐衍射光学元件的优点是什么？高衍射效率、优良的色散功能、减小微细加工的难度、独特的光学功能10.描述曝光波长与图像分辨率的关系，提高图像分辨率，有哪些方法？K1 is the system constant 工艺因子：0.6～0.8NA = 2 ro/D, 数值孔径改进分辨率的方法增加NA 减小波长减小K111. 什么是等离子体去胶，去胶机的目的是什么？氧气在强电场作用下电离产生的活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O及其他气体而被带走；目的是去除光刻后残留的聚合物12. 硅槽干法刻蚀过程中侧壁是如何被保护而不被横向刻蚀的？通过控制F/C的比例，形成聚合物，在侧壁上生成抗腐蚀膜13. 折衍混合光学的特点是什么？折衍混杂的光学系统能突破传统光学系统的许多局限，在改善系统成像质量减小系统体积和质量等诸多方面表现出传统光学不可比拟的优势14. 刻蚀工艺有哪两种类型？简单描述各类刻蚀工艺。

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。

亚波长光学

减全反射现象。
BG
19
2)传输的表面等离子体激元被光栅的周期性缺陷中断，当表面等离子体激元与光栅周期相当时,二者将发生共振,表面等离子体激元被辐射。
BG
20
3)激发表面等离子体激元方式三有随机缺陷的表面形貌的散射
沿金属界面传输的表面等离子体激元被散射单元散射，表面等离子体激元被辐射。
精密计量
BG
6
光学
量子光学激光光谱学非线性光学生理光学信息光学导波光学新型激光器薄膜光学自适应光学
亚波长光学
BG
7
2、亚波长光学 (Sub-wavelength Optics)
• 亚波长光学——以表面等离子体激元为核心研究内容的新兴学科，研究亚波长尺寸下光学器件和光学系统中光的行为和性质，利用表面等离子体和光子的相互作用，在亚波长范围内实现对光的控制和利用。
• 1971年Kretschmann又给出了利用衰减全反射法用不同结构同样获得了界面激元，Kretschmann结构也为 SPR型传感器奠定了基础。
• 纳米光学的发展，使束缚模式的机理研究逐渐拓展到应用领域。出现集成光学。光子器件的尺寸也逐渐缩小至纳米量级，对光束实现控制。
BG
13
• 1998年Ebbesen发现刻有周期性微孔阵列的金属薄膜因激发表面等离子体激元而引起异常透射现象。
BG
17
如何激发表面等离子体激元？
1)激发表面等离子体激元方式一全反射
BG
18
对应于短波长处的透射峰值－表面等离子体激元共振
全内反射时,渗透到金属薄膜内的倏逝波引发金属中的自由
电子产生表面等离子体子, 当表面等离子体与倏逝波的频率
相等时,二者将发生共振。入射光被金属表面电子吸收,界面

光子晶体及其应用ppt课件

• 传播速度更快 • 携带更大信息
– 更大的带宽 • 电子系统：105 Hz • 光纤系统: 1015 Hz
• 无光子-光子相互作用 • 更小的能量损耗
ppt课件.
4
能
全光通讯
否
二十一世纪： internet era
控制
全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
ppt课件.
？5
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，其最根本的特征是具有光子禁带。
ppt课件.
6
•What is photonic crystal?
周期排列的人工微结构材料
ppt课件.
7
光子晶体图示
构成材料:
半导体、绝缘体、金属材料等
单元尺寸:
毫米、微米、ppt亚课件微. 米
8
《科学》1998 Best bets 衰老、对付生化武器、光子晶体、
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p齐pt课的件.次微米结构，选择性反射 25 日光的结果.
green
blue brown
yellow
ppt课件.
26
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。
ppt课件.
27
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

关于光子晶体的认识

摘要迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能.关键词光子晶体缺陷微腔关于光子晶体的认识光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术, 其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动.利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里.光通过90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,在这一点上, 光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势. 由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30°)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去. 上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗,更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究.光子晶体中的另一种缺陷形式——点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件.光子晶体中带隙的调控作用还体现在对光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch 就预见了光子晶体点缺陷形成激光器的可能.大体说来就是将光信号设计在导带区域,使其能够透过晶体继续传播,而噪声落入带隙区域被完全屏蔽,从而获得超过传统光源的高单色性激光输出.12年后,美国加州理工学院的A.Scherer研究小组首次实现了室温下抽运的光子晶体纳米激光器,翻开了世界范围光子晶体激光器研究工作实用化的新一页.该小组在包含有多层量子阱结构的砷化镓桥式薄膜上制作了光子晶体微腔, 利用局域缺陷模的高品质因子,为量子阱结构发光提供了反馈机制,从而实现了具有亚波长尺度的模式体积的纳米激光器.近年来,各种基于光子晶体的有源与无源器件在微纳米加工技术的支持下层出不穷,它们的出现提供了构成光子晶体集成光学回路的基本功能单元.目前人工制作的光子晶体包括一维,二维和三维晶体.一维光子晶体主要应用于薄膜光电子学和光栅光学领域中,但受维度所限,折射率调制作用一般比较小.三维光子晶体现有的应用是作为微波波段的天线,而由于加工和集成化的困难,鲜有应用于光频段的实用三维光子晶体器件出现.对二维光子晶体而言,无论是在微波还是光频波段,其加工技术已经十分成熟,尤其是随着微纳米加工技术的不断发展,二维平板光子晶体器件性能更加可靠,此外由于其所利用的材质与已形成工业化生产的半导体光电材料一致,更为实现光电集成提供了可能.对于完整的光子晶体而言,特定晶向上会出现导带与带隙.光子可以在导带中传播,在带隙中则不能存在.点缺陷是通过破坏一个或多个光子晶体“原子”形成的,它的作用通常是使原先带隙的区域出现若干个缺陷态.光子可以在缺陷态中存在,因此点缺陷被当作是二维平板光子晶体中的光共振腔,提供光子传播过程中的局域或耦合机制.如前所述,不同类型的缺陷(线缺陷和点缺陷)功能各异,所以当它们集于一体时就形成了集成化的二维光子晶体器件.这种尺寸只有传统光学器件几千甚至几万分之一大小的光子晶体集成器件却几乎具备了传统光学器件的全部功能,涵盖了通信和激光源等领域所有的基本需求.光子晶体中的点缺陷形成了光学微腔,微腔的性能参数通过控制微腔的形态和尺寸大小来确定.常见的微腔形成方法有3种:或增大某基元的占空比,或减小某基元的占空比,或使用其他介质替位.这些操作最终形成的微腔功能多种多样,其中典型的两类功能是用作高品质因子的光学共振腔和光传播过程中的耦合器.作为第一种应用是利用微腔对光子局域作用,将波导中传输的光通过微腔与波导间的共振耦合转移并存储到微腔中,微腔的形态经过特定设计,确保光子经多次共振增强后直接向平板光子晶体表面辐射,形成高品质因子的激光输出.这种垂直出射的光学共振腔类似于表面发射激光器,是将水平方向传播的光转换到垂直方向上的发射的一种有效方法.微腔的另一种作用是作为耦合器,将输入波导中的光信号耦合到输出波导中.在这种情况下,需要微腔的共振模与输入输出波导的传播模式完全匹配.当满足共振波长的光子进入输入波导后,将通过波导与微腔之间的共振耦合效应局域在微腔中,进而再由微腔向输出波导耦合.此时微腔起到了耦合器的作用,与传统环形腔耦合器作用近似.高品质因子(Q 值)光子晶体微腔对光子晶体的应用具有举足轻重的作用.一个光学性能优异的微腔不仅为光耦合传输提供了保证,而且其本身作为光学共振腔的存储和发射光子的作用更为重要.如何提高光子晶体微腔的品质因子这一问题已研究多年,虽然方法层出不穷,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存储的稳定性,减少向周围环境的辐射.Painter 小组从傅里叶频谱与光子动量的转换关系出发,制作了Q值达到13000的微腔,但研究的进展还远不止于此,随后Q值的增长呈现出以若干个数量级为单位的趋势.由于微腔由点缺陷构成,缺陷与周围晶体在电场分布上会出现相当“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解决这一问题就需要将腔内电场分布改善为理想高斯型分布,由中心向腔两端对称平缓递减.这样的模式分布使得腔内电场的低空间频率的分量(泄露模式)大幅度减少,从而使腔内光场能量向周围空气背景辐射的几率大大降低了,Q值显著提高.当微腔和两侧区域由不同晶格常数的光子晶体拼接而成时,如果可以将微腔的共振频率设计在两侧光子晶体的带隙中时,理论计算发现,这种所谓的“异质结结构”的光子微腔,其电场分布十分接近于理想的高斯型分布.光子晶体还可以提高发光二极管的发光效率.传统发光二极管发出的光中,有很大比例的能量转化为平面内传播的波导模式,只能从发光二极管的侧面辐射出去,由于侧面的面积远小于上表面的面积,发光效率受到了极大的限制.一个有效的解决方案是在发光二极管的表面制作上一层二维光子晶体,由于平面内光子带隙的存在,使得平面内传播的波导模式受到很大的抑制,从而大大提高光沿发光二极管垂直方向的辐射效率.光子晶体的出现更为许多发光材料的开发拓展了思路,以往被认为由于荧光的难以控制而无法用作可靠光源的材料,比如氧化锌材料,都在光子晶体的发展带动下加入到有源器件的行列中,成为了新一代光源的研究方向.集成化的光学器件不仅包括光信号的产生,还需要在传送的过程中进行适当的调制.光开关是对光信号调制的一个重要方面.当入射光强与介质中原子内场强度相当时,将激发介质的高阶极化,改变了材料的折射率,实现开关效应.利用光子晶体作为光开关时,介质折射率的周期性分布使光子晶体本身产生带隙,落入带隙中的光信号无法通过晶体,此时光开关处于“关闭”的状态,当有强抽运光入射到晶体上,由于晶体材质本身折射率在非线性作用下发生变化,破坏了初始的能带分布.在合理地选择晶体材质与抽运光的情况下,原先带隙的位置及大小受到调制,使原本落在带隙中的光子进入导带,光信号通过晶体继续传播,实现了光开关的“开启”功能.通过对光子晶体更为复杂的设计,还有望实现具有逻辑功能的光学开光,如双稳态光开关,通过多束光的共同作用,使信号输出满足各种需求.任何一种新的科学技术手段的出现都是在人们生产与生活的需求推动下应运而生的.任何一种新技术的成长也是要经历漫长的探索和不懈的尝试才最终得以完善.光子晶体自提出至今已有20年的时间,对它的研究遍及世界范围,从最初概念性的尝试到如今成品化器件的出现,可以看到光子晶体的应用已逐步向实用化迈进.对光子晶体器件设计构思的不断改进,以获得更高效,更稳定,更精密的器件性能为目标,同时继续向更深更广的层面上探索尚未发现的新功能.而实用方面,降低制作难度,减少成本投入,增强稳固性,这也是光子晶体器件用于光学集成所必须实现的目标.虽然仍有许多困难需要克服,但光子晶体无论用于有源还是无源光电子器件的优势已经突显出来,实现了前所未见的功能和效应.相信随着对这一领域研究的深入发展,将进一步推动光子晶体器件的全光集成化,为光电子通信领域带来全新的景象.。

光子晶体知识点

光子晶体知识点光子晶体，也被称为光子晶体材料或光子晶体结构，是一种具有周期性折射率变化的材料。

其结构中的周期性变化可以通过控制原子、离子、颗粒的位置或分布来实现。

光子晶体具有特殊的光学性质，如光子禁带、波导效应和全反射等，因此在光学器件和光电子领域具有重要的应用价值。

本文将介绍光子晶体的基本概念、制备方法、结构特点及应用领域。

光子晶体的概念光子晶体是指具有周期性折射率变化的材料结构，其中的周期性可以是一，二或三维的。

与电子在晶体中受周期性势场限制类似，光子在光子晶体中也受到其结构的制约。

光子晶体的周期性结构会导致光的波长在特定频率范围内受到禁带（光子禁带）的限制，使得该波长的光无法在晶体中传播，从而产生光的反射和折射现象。

光子晶体的制备方法目前，制备光子晶体的方法主要包括自组装法、光刻法和纳米球技术等。

自组装法是最常见的方法之一，它利用颗粒、纳米球等微小颗粒在溶液中自组装成具有周期性结构的光子晶体。

光刻法则是通过光刻技术将光敏材料覆盖在基底上，并利用模具的传递模式，在材料表面形成具有周期性结构的坑洞或凸起。

纳米球技术是利用纳米粒子自组装形成具有周期性结构的光子晶体材料。

光子晶体的结构特点光子晶体的结构特点主要表现在三个方面：禁带效应、波导效应和全反射效应。

首先是禁带效应，即当光的波长与光子晶体的周期性结构匹配时，会出现禁带现象，禁止该波长的光传播。

这种特性使得光子晶体在光学器件中可以实现光的选择性传输和滤波功能。

其次是波导效应，光子晶体中存在能够限制光传播方向的波导通道，使得光可以沿着特定路径在晶体中传输。

最后是全反射效应，当光从光子晶体射入到光密介质中时，会发生全反射现象，使光无法透射到介质中。

光子晶体的应用领域光子晶体由于其独特的光学性质，被广泛应用于光学器件、光学传感、光储存、光通信等领域。

在光学器件方面，光子晶体可以用于制造光纤、光学波导、激光器、滤光片等。

在光学传感方面，光子晶体可以通过对光的散射和透射特性的调控，实现对光场、温度、压力等物理量的测量。

光子晶体原理

光子晶体原理光子晶体是一种具有周期性的光学结构，它可以通过调控光的传播特性来实现光的控制和调制。

光子晶体的研究源于对光子学的深入认识和对光的性质的理解。

在光子晶体中，光的传播受到周期性的折射率分布的影响，从而导致光的传播特性发生改变。

光子晶体的周期性结构可以由不同的材料组成，例如光子晶体可以由二氧化硅或氮化硅等材料制成。

这些材料具有不同的折射率，通过合理选择和设计这些材料的排列方式，可以实现对光的控制和调制。

光子晶体的最基本结构是光子晶格，它是由周期性的折射率分布组成。

在光子晶格中，光的传播受到布拉格散射的影响，从而实现光的衍射和反射。

光子晶格的周期性结构可以通过不同的方法制备，例如光束刻蚀和自组装等技术。

光子晶体的特性主要由其晶格常数和折射率分布决定。

晶格常数是指光子晶体的周期性结构的空间尺度，它决定了光的传播特性和光的波长与晶格常数之间的关系。

折射率分布是指光子晶体中不同位置的折射率大小，它决定了光的传播方向和光的传播速度。

光子晶体的应用非常广泛，特别是在光学器件和光通信领域。

光子晶体可以用于制造光纤、光波导和光调制器等光学器件，这些器件可以实现对光的传输和调控。

光子晶体还可以用于制造光栅和光谱仪等光学仪器，这些仪器可以实现对光的分析和检测。

光子晶体的原理和性质研究已经取得了很大的进展，但仍然存在一些挑战和问题。

例如，如何实现对光的更精确的控制和调制，如何提高光子晶体的制备和加工技术，以及如何实现光子晶体的集成和应用等。

这些问题需要进一步的研究和探索。

光子晶体是一种具有周期性的光学结构，它可以通过调控光的传播特性来实现光的控制和调制。

光子晶体的研究对于光学器件和光通信等领域具有重要的意义，同时也面临一些挑战和问题。

通过对光子晶体原理的深入研究和理解，我们可以进一步推动光子晶体技术的发展和应用。

光子晶体原理及应用

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。

光子晶体课件ppt

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。
解决方法
假若用光线来代替电子传递信号，则可以让生产百亿Hz（1012 Hz）的个人电脑成为可能。这种高速的处理器可以用“光子晶体”（quasicrystal）的物质所产生的光成分实现。这些材料均具有高度的周期性结构，这种周期性可以用来控制和操纵光波的产生和传播。
有2％的能量被发射出去
光子晶体天线
针对某微波频段可设
计出需要的光子晶体，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。
第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功
微波领域中的应用—手机的辐射防护
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，因此只具有虚能隙(pseudo gap)
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维播放护罩，从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用户的头部。这种技术目前还没有成熟，但是至少有一个美好的前景。
手机的危害
手机是一个小型的、但能量极强的电磁波发生器，其工作频率890MHz 到965MHz，辐射出的电磁波对人体

光子晶体——精选推荐

光子晶体光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。

与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。

能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。

所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。

光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。

光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

光子晶体自从被提出后，在光学物理，凝聚态物理，电磁波，信息技术等领域引起了人们广泛的关注。

在这短短的二十年里，光子晶体在理论研究和实验研究方向均取得了显著的成果，并且在某些领域也有了一定的应用。

由于光子晶体的巨大潜在应用价值，设计和制作可见光和近红外波段的完全带隙光子晶体，成为十年来科学研究的热点之一。

在制备复杂结构光子晶体的多种方法中，相对于其它制作方法，例如逐层叠加方法，半导体微加工和自组织生长、激光全息制作方法具有成本低，耗时短，方便制作和有效等优点。

下面介绍用激光全息干涉技术并结合平面波展开法和有限时域差分方法，在理论上比较系统的研究了如何使用伞形配置的多激光束形成具有较宽的完全禁带的光子晶体，提出多种实现全禁带展宽的设计方案，并通过晶体结构及1其能带传输特性的模拟来验证能带计算结果的正确性，其中的创新性工作主要包括一下几个方面：一、全系干涉法优化二维正方结构光子晶体的光束设计及其能带性质的研究由于全系干涉法中格点柱的形状和大小实际是由于干涉场的等强度面决定的，所以得结构的能带性质与制备过程有着密切的联系。

这里提出两种利用全息干涉技术制备的新型二维正方结构光子晶体的方案。

第一种是由绕z轴旋转45度的针垫形柱组成的正方晶格点阵。

另一种由不规则介质柱组成的相似晶体结构。

第六章亚波长结构和光子晶体

《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》1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
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%
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；
• 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