光子晶体的应用及其发展前景

光子晶体的应用及其发展前景

光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用

1、物理基础

(1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。

2、光子晶体的原理

(1)什么是光子晶体

光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。

(2)光子晶体的特性

根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。

光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。

制备方法

自然界中存在天然的光子晶体，例如蛋白石和蝴蝶翅膀。蛋白石是由二氧化矽小球沉积形成的矿物，有其分布的周期结构形成了不完全的光子能隙;由蝴蝶翅膀上得鳞粉排列成的整齐的次微米结构所产生的光子能隙可选择性的反射日光，使翅膀出现斑斓的色彩。但绝大多数的光子晶体还是依靠人工制备的。

人工制备光子晶体的一般方法是将一种材料周期排列于另一种介电常数不同的介质中。在实际应用中，人们希望得到具有较宽的完全带隙。从已有的理论及实验研究可知，光子禁带的产生于介质的折射率的差，填充比及晶体的几何结构有关。

一维光子晶体的制备较为简单，目前应用镀膜工艺可以制备出具有完全带隙的结构。这也是一种制备光子晶体使用最广泛的方法。二维和三维光子晶体的制备较为复杂，从最初单一的传统机械加工，到后来才去半导体工艺、胶体自组织、干涉全息法及光子聚合技术等，方法愈发丰富先进，得到的结构也越来越精细。

(1) 传统的机械加工法

1989年两位科学家在三氧化铝块中按照面心立方的排列方式钻了将近

8000个球状空气洞，由此构成了一个人造的晶体周期结构，及晶格常数为

1.27?.实

验测得在15GHz频率时出现了宽度

4、应用

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