光子晶体的应用

光子晶体的应用
引言
光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。

在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。

现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。

为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。

与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。

依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。

光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。

目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。

1.光子晶体简介
1．1光子晶体的由来与概念
光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。

由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。

这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。

我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。

特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。

光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。

光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。

1987 年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。

由于光子和原子问的耦合与原子的始末状态密度有关。

如果电磁波的带隙与电子能带带边重叠，那么电子、空穴的辐射复合就会因状态密度的减少而被强烈的抑制，介质结构在理论上讲是没有损耗的，这种抑制将会比金属波导更为彻底。

据此，可以设计一些特殊的介质结构，按照需要来“剪裁”电磁波的色散关系，使电磁波的状态密度适当得被压缩或增加，甚至使某些状态密度为零，相应器件的模式就能得到控制，以满足器件工作的要求。

与一般的晶体相
类比，把具有不同介电常数的介质材料在空间按一定周期排列起来构筑光子晶体，使其中的光子具有与自然晶体中电子相类似的行为，这种具有周期性介质结构的晶体就称为光子晶体(Photonic Crystal，PC)。

图1．1．1为抽象的光子晶体的结构示意图。

其中可以明显看到光子晶体中的周期性结构。

根据布洛赫定理，光子晶体的这种周期性将会使电磁波的色散关系结成带状
结构，带与带之间有可能会出现类似于半导体里的禁带，即“光子禁带”(Photonic Band Gap，PB6)。

如果只在一个方向上具有周期性，光子禁带就只能出现在这个方向上；如果存在三维的周期性结构，在合适的参数与结构下，这种人造的晶体会具有所有方向的完全光子带隙，只要光子的频率在此范围，不论它的传播方向如何，它在光子晶体中的传播都将被禁止。

这样，光子晶体不仅可以控制光的自发辐射，也可以控制光子的传播行为。

1．2光子晶体的特征
光子晶体外观上的直接特征就是结构的周期性，从理论上来讲，这种周期性就是指出了光子晶体最根本的特征是具有光子能带，在具有完全禁带的光子晶体中，落在禁带中的光子是被禁止传播的。

当原子被放在一个光子晶体里，它的自发辐射频率正好落在光子禁带中，由于自发辐射的几率与光子态的数目成正比，那么该光子态的数目为零使自发辐射被完全抑制。

图1．1．2是一些人造光子晶体的实物图示，可以明显看出周期性的存在，而周期性排列的不同，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。

如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这
个方向。

光子晶体的另一个主要特征是可以实现光子局域态。

当光子无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。

但是，一旦晶体原有的对称性遭到破坏，即有了缺陷，在光子晶体的禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态。

因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见能够自由控制光的行为。

1．3光子晶体的应用
光子晶体的应用范围非常广泛。

利用光子晶体具有光子禁带基本性质，可以将其用作光子晶体全反射镜和损耗极低的三维光子晶体天线；利用光子禁带对原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低因自发跃迁而导致复合的几率，可以设计制作出无域值激光器和光子晶体激光二极管；通过在光子晶体中引入缺陷，使得光子禁带中产生频率极窄的缺陷态，可以制造高性能的光子晶体光滤波器；单频率光全反射镜和光子晶体光波导：如果引入的是点缺陷，则可以制作成高品质因子的光子晶体谐振腔；而二维光子晶体对入射电场方向不同的TE、TM偏振模式的光具有不同的带隙结构，又可以据此设计二维光子晶体偏振片，只要这两种偏振模式的禁带完全错开就可以获得单一模式的透射光，这种偏振光具有很高的偏振度和透射率。

当然，综合利用光子晶体的各种性能，还可以有其他更广泛的应用，如光开关、光放大器、光聚焦器。

另外，如果用金属、半导体与低介电常数材料组成光予晶体以及无序光子晶体，则都会因为其特殊结构而产生一些特殊性质，从而能够制造出一些新型光学器件。

总而言之，由于光子晶体的特点决定了其优越的性能，因此它极有可能取代大多数传统的光学产品，其前景和即将对经济、对社会发展产生的影响是不可估量的。

光子晶体最重要的应用是缺陷的引入，它将使带隙中形成相应的缺陷能级，而如果沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条通路——缺陷条纹，沿着这条条纹，光予得以顺利传播，其它任何试图脱离这条通路的光子都将被禁止，理想状态下，这实现了一条无任何损耗的光通路，而光子晶体光纤正是基于这样一种机理所发展起来的。

而这也正是光子晶体应用的主导思想。

2.主要应用领域
2.1光子晶体光纤
光子晶体光纤(Photoni c Crystal Fiber，PCF)是一种光子晶体，它是不完全光子晶体最重要的应用之一。

它是由带有缺陷的二维光子晶体延展而成。

简单地说，光子晶体光纤就是在二维光子晶体纤维的K度方向上制造缺陷，从而能够导光的光波导。

1996年，英国南安普顿大学的研究小组首次拉制成第一根光子晶体光纤，如图所示。

光子晶体光纤可以根据其不同的导光原理分为两类，即全内反射(Total Internal Reflection，TIR)光纤和带隙波导(Band Gap Guidance，BGG)光纤。

对于光子晶体光纤的导光原理，这里按照两个分类分别说明。

对于带隙波导光纤，前面所简述的光子晶体导光机理既是其能够导光的机理所在，即规则排列的光子晶体使得晶格结构在光纤横截面方向形成了二维禁带，在一定频率范围内的光无法在横向传播，而当该结构中引入缺陷时，就会在禁带中产生局域态。

PCF就有可能利用这个局域态沿着光纤纵向导光，即PBG导光。

不过，禁带的出现是有条件的，孔直径和孔间距的大小要大于一定值的时候才可以出现禁带。

这种导光方式除了要求较大的气孔外，还要求较准确的气孑L排列。

对于全反射结构，我们可以发现这种结构的光纤都是芯部的空气孔缺失形成纤芯，而外围的周期性区域相当于包层，纤芯和包层之间存在着有效折射率的差，光纤在有效折射率差形成的纤芯和包层中发生全反射传播。

由于它的导光机理不同于带隙结构的光子晶体光纤，不需要通过光子禁带的束缚来导光，因此它不要求较大的空气孔，排列的精确程度也要求不大。

光子晶体光纤所具有的优点：通过改变空气孔的大小和排列而使PCF特性的改变具有可调节性，预示着PCF将会有广泛的应用前景。

研究光子晶体光纤具有以下几个重要的意义:第一，由于在这种光纤中，光能量主要在孔芯中传播，与传统光纤的全内反射原理不同，这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播，IN而可以在光祸合系统中极大地提高祸合效率和弯曲状态下的传光效率;第二，比其他光纤明显的另一个优势是，其工作过程很少受到光波与纤芯中固态材料之间的相互作用(吸收或非线性)的限制，它可以大大地限制光纤的非线性效应带来的影响;第三，如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率的液体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在气体传感及检测、利用非线性过程产生多种光波长，以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的用途。

2.2光子晶体LED
光子晶体随著波长不同，会出现于周期性的结构，可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。

而在这些结构当中，最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构，但是，三次元的光子晶体在制造上及商品化，就今天的技术而言是非常困难的。

原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体，所以，今天在LED 领域各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。

一般
的材料构造是属于固定构造，所以材料本身会具有的一定的折射率。

波数（Wave Number）与频率对于一般材料折射率的影响，横轴是物质的波数（Wave Number）、纵轴是频率、斜线就代表折射率。

折射率是非常等比例的成长，也就是代表说不管什么样的波数、什么样的波长，它的折射率都是一定的。

那么光子晶体是什么样的结构，再从另外一个角度来说明。

光子晶体的特性就是周期构造，也因此会产生多重反射。

光子晶体所构成的波数矢量数和光的频率比例，频率的曲线不是那么单纯，曲线已经会变得非常复杂，这个曲线会随著光的多方向性，就是异向性而出现变化，而随著它的偏光性，就可以运用来设计出不同的产品。

光子晶体它有一个很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一个光能隙。

在光能隙这个区域里面，光线是不存在的。

这边的曲线也跟图一A 是的斜率意义是一样的，是折射率的相反。

只要在这一点，斜率等于零。

所以在这一点以外，光的速度就不会产生零这个现象。

所以也可以说，光子晶体也可以控制光的速度。

利用它的特性，可以制作出光子晶体LED。

大致上可以分为2 种，一种是LED，一种是雷射二极管（Laser Diode）。

LD 雷射二极管部分我们可以分为光子晶体 DFB 雷射二极管（Photonic crystal DFB LD）与Photonic crystal defect LD。

光子晶体DFB 雷射二极管是大家比较了解的结构，其雷射值可以控制在非常低的区域来做发射，这样子的结构，是必须存在光能隙的区域，也因为是如此，所以这样结构要实现商品化是比较困难。

3.结束语
光子晶体(光能隙结构)可提供许多新型光电元件的制作，更重要的是可大幅缩小元件的体积，并从事密集的积成。

光子与光子晶体在物质文明和精神文明高度发展的今天,实现更快速、更大容量、更低能耗和强抗干扰的信息传输,既是信息科学及其产业发展的永恒追求,又是现代社会繁荣进步的迫切需要。

拜近年来蓬勃发展的纳米技术之赐，光子晶体制作的能带应用波段从微波减小到红外光及可见光，使应用的层面更加广泛与实际。

虽然二维光子晶体製作简易，仅需一般半导体的蚀刻制作工艺，但其对于光能量的局限效应有限且能带受限于电磁波方向与偏极化，故三维光子晶体便可能是未来元件实际作的基本架构，但其制作过程却非常繁复且困难。

光子晶体的出现使信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命。

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