光子晶体-课件【PPT讲稿】

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 细胞具有极强的致畸作用。手机在使 用过程中，这种电磁波始终围绕着人的 头部。长期、高频率使用手机，会造成 正常脑的支持细胞——胶质细胞DNA 分子链的 电离损害，导致DNA碱基分 子链的断裂，引起细胞的癌变
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)
光子晶体简介
两年之后， Yablonovitch等人卷土重 来， 这回他们调整制作方 式，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)。
(a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤
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
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。
光子晶体天线
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
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。
对于非均匀介质，尤其是其介电常数 是周期性变化时，有
r r kn


可将相对介电常数写为 两个部分之和： 平均介电常数 r 和变动介电常数
则有：k
2
' r
r r

'
c

2
2
代入波动方程，可得： 2 2 2 ' E r 2 r E r 2 r E r c c 2 2 2 ' E r 2 r E r r 2 c c
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
二、光子晶体理论
电磁波可表示为：
~ ~ E E0e ~ ~ i ωt k z H H e 0 i ωt k z



和 k 分别为角频率和波数，它们与周期T
和波长的关系为：
2 T 2 k
光子晶体简介
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
光子
服从方 程 对应波 麦克斯韦 （Maxwell）方 程 矢量波
电子
薛定谔方程标量波来自自旋自旋为1的玻色 子 没有
自旋为1/2 的费米子 很强
相互作 用
四、光子晶体应用
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
普通天线
传统的微波天线制备 方法是将天线直接制备 在介质基底上，导致大 量的能量被天线基底所 吸收，效率很低。一般 用GaAs（钙、砷）介质 作基底的天线，98%的 能量损耗在基底中，只 有2％的能量被发射出去
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。 目前人们是依靠电子来实现微电子技术革命，今后则将依靠光子来继 续这场革命，这就需要能捕获和控制光传播方式的光子晶体之类的新材料。 而光子晶体正是可以胜任这种工作的材料
电子计算机技术中的应用--CPU
整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图
电子计算机技术中的应用--光纤
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。
电子计算机技术中的应用--CPU
目前所遇的困难
自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月 翻一番的速度增长，然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几 年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。 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。
三. 光子晶体制备
1. 一维光子晶体结构简单，制作简便，制备方法有 真空镀膜技术、溶胶－凝胶技术、MOCVD 、分子 束外延等 2. 二维光子晶体主要结构有周期性排列的介质棒阵 列和打孔的薄膜结构。排列方式一般为四边形和三 角形点阵，通过调节棒或孔的直径以及间距大小， 可以实现不同频率与带宽的光子禁带。一般采用激 光刻蚀、电子束刻蚀和外延生长法等制造二维光子 晶体
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
光子晶体简介
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。
光子晶体简介
最初光子晶体的人工制备：
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
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。
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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。
(a)介质棒阵列
(b) 打孔的薄膜结构
3. 三维光子晶体制备
精密机械加工法: Yablonovich等用打孔的方 法在基体表面每一点沿着相差120度的方向往 里打孔,在基底材料里留下了近椭球圆柱形结 构组成的面心立方光子晶体.
只能用于加工微波波 段的光子晶体,对于更短 波长的光子晶体,显得无 能为力
光子晶体简介
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)。
光子晶体简介
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。
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