光子晶体汇报PPT
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光子晶体光纤在传感中的应用PPT课件
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
激光束经起偏器和 波片后变为圆偏振 光，对传感用高折射单模光纤的两个正交偏 振态均匀激励。由于其相移不同，输出光的 合成偏振态可在左旋圆偏振光、45o线偏振光、 右旋圆偏振光、135o线偏振光之间变化。若 输出端只检测45o线偏振分量，则输出光强为：
式中 是受外界因素影响而发生的相位变化。
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
光纤传感技术的优点：
一、光纤工作频带宽，动态范围大，灵敏度高，由 于传输的信息载体是光，光信号载频高，频带宽 ，光器件己较成熟，所以己研制成功的光纤传感 器分辨率大部分优于其他同类传感器。
二、在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或被 测场的加载，是一种优良的敏感元件：光纤是一 种优良的低损耗传输线， 适合于遥测遥控，因此 不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置；特别 适合于带电传感器不太适于的地方，可以与光纤 遥测技术相配合实现远距离测量与控制。
光子晶体光纤传感技术
三、光纤是无源器件，对被测对象不产生影 响，光纤材料有很好的电绝缘性，同时易 为各种光探测器件接收，可方便地进行光 电或电光转换，易与高度发展的现代电子 装置和计算机相匹配。
四、其自身独立性好，可适应各种使用环境。 光纤体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗 辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空 间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下 使用。
光子晶体光纤传感技术
Mach-Zehnder光纤干涉仪有一个重要的 缺点，由于利用双臂干涉，因此外界因素对 参考臂的扰动常常会引起很大的干扰，甚至 破坏仪器的正常工作。为克服这一缺点，可 利用单根高双折射单模光纤中的两正交偏振 模在外界因素影响下相移的不同进行传感。 下图是利用这种办法构成的光纤温度传感器 的原理图，这是一种光纤偏振干涉仪。
《光子晶体》PPT课件
Electrons
Coulomb interactions （库伦力作用）
Electron-tunneling with the amplitude (probability) decaying exponentially 遂穿效应几率幅指数衰减
Strong scattering derived from a large variation in coulomb interactions. eg. in electronic semiconductor crystals
Photons
·
Interaction potential in a
medium:
Dielectric constant (refractive index)
·
Propagation in classically
forbidden zone
Photon tunneling (evanescent wave) with wave vector k imaginary and hence amplitude decaying exponentially
能隙
Valence Band
k
k
(a) Direct Bandgap (b) Indirect Bandgap
(eg. GaAs, InP,
(eg. Si, Ge, GaP)
CdS)
光子晶体
光子晶体可分为一维、二维和三维。 +时间：四维。
1-D
2-D
3-D
一维： 眼镜、 滤波器、 光纤光栅等
periodic in one direction
此时有：
只要有周期的折射率差出现就会有能带
带隙的宽度：
光子晶体简介-15页PPT资料
三、光子晶体制备
• 光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的乙烯（折 射率为1.59）,理论计算表明由这些材料构成的面心立 方结构的胶体晶体没有光子带隙.对于相对低于空气折 射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成 三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难使 用TiO2来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2有较高的折射 率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2包围的球状空 气空穴.这样就可以形成三维的光子禁带了.但是这种方 法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多 的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用 。
2.布拉格定律
• 威廉·劳伦斯·布拉格使用了一个模型来解释这个结果， 模型中晶体为一组各自分离的平行平面，相邻平面间 的距离皆为一常数d。他的解释是，如果各平面反射出 来的X射线成相长干涉的话，那么入射的X射线经晶体 反射后会产生布拉格尖峰。当相位差为2π及其倍数时 ，干涉为相长的；这个条件可经由布拉格定律表示：
光子晶体简介
目录
光子晶体原理 光子晶体应用 光子晶体制备
一、光子晶体原理
• 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我 们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性 的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.这种周期势 场的存在,使得运动的电子受到周期势场的布拉格衍射, 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。
• P型(100)硅片制备二维光子晶体
光子禁带较宽的二维大孔硅光子晶体的填充比
也较大( r ≥0.4 a) . 实验中如果直接在掩膜中刻
印圆形窗口,则由于孔壁非常薄,将给制版、光刻 等工艺带来较大难度,另外,随后的电化学腐蚀过 程在垂直于孔洞轴线方向上的各向同性腐蚀会加 大孔洞直径.因此,我们改为首先在掩膜中刻印方 形窗口,然后利用KOH 溶液对(100) 硅片的各向 异性腐蚀特性产生V 形尖坑阵列,最后通过优化 电化学参数,利用其沿孔隙纵向的腐蚀速率远大 于垂直于孔隙轴线方向上的腐蚀速率的特性来制 备满足设计要求的大深宽比孔洞.
光子晶体课件
下面是两能带各自的concentration factor
A Square Lattice of Dielectric Veins
X点的集中 参数
TM模式的band1把能量集中在vein的交叉点，TE模式把能量集中在vein 的交叉点之间连线上，能量都集中在高介电常数区域，所以不会出现 gap。而对于TE模式，band1电场线集中在穿过交叉点的vein上，而 band2必须穿入空气，所以出现gap。
Electromagnetism
Symmetry
1D PhC (Layer)
2D PhC (Slab)
3D PhC
macroscopic Maxwell equations
Constitutive relations
ρ = 0 and J = 0; ignorable nonlinearity
Electromagnetism
The photonic band structures for on-axis propagation
The low frequency modes concentrate their energy in the high-ε regions, and the h-igh frequency modes have a larger fraction of their energy in the low-ε regions.
Off-Axis Propagation
1.离轴方向上没有明显的禁带
与on-axis传播 相比的区别 2.原on-axis传播的旋转对称性不存在了 存在旋转对称性的时候TE模、TM模是简并的，虽然离轴时旋转 对称性不存在了，但有可能存在其他对称性，如镜面对称性等
光子晶体光纤的原理及应用ppt
谢谢！
周期结构
晶格常数 服从方程
原子
Å 量级 薛定谔方程
微结构
波长量级 Maxwell方程
波函数
分布
标量波
费米子
矢量波
玻色子
光子晶体光纤
发展历史
1987年提出光子能带的概念 1992年提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的概念 1996年研制出第一根PCF 2000年第一家PCF公司成立 近年来光子晶体研究中比较热门的一个方向
光子晶体光纤－结构
solid core holey cladding forms
effective
low-index material
表征PCF结构特点和性能的3个特征参数：纤芯直径，包层 空气孔直径及空气孔间距。 由于PCF的空气孔排列和大小 有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。
光子晶体光纤－分类
光子晶体光纤的原理及应用
提纲
基本原理
特性及应用 商业化
前景展望
光子晶体
光子晶体是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，周期结构形成光子 带隙（Photonic Bandgap，PBG ），实现控制 光子运动的目的，被成为光信息时代的“半导 体”。
光子晶体
晶体 光子晶体
特性及应用
高双折射
只需要破坏PCF剖面圆对称性，就 可以形成很强的双折射。
与传统保偏光纤(PMF)相比:
高双折射 单模工作范围大 温度稳定性好 ……
应用：
PMD补偿 单偏振单模光纤 孔中填充液晶等材料实现可方向移动，够在波长低于 1.3μm获得反常色散，同时保持单模。
光子晶体
23
Make photonic crystals methods
製作光子晶體的方式可以分為： (1)「由大縮小」(top-down) (2)「由小做大」(bottom-up)
列常見的製作的方法，包括： (1) 鑽孔法(drilling method) (2) 疊層法 (layer-by-layer method) (3) 自組裝方式 (self assembly method)
25
現代技術
從布拉格繞射條件： 2d sinθ = nλ 可知，
光子能隙處的光波波長與光子晶體的晶格常數 必須有相同的數量級。
隨著半導體製程技術的成熟發展，利用製作積 體電路的微影蝕刻技術 (lithography and etching)，例如：深紫外線曝光顯影技術 (deep-UV photolithography)、電子束微影 (E-beam lithography)以及聚焦離子束蝕刻 (focused ion-beam etching)
26
半導體製程技術優缺點
優點： 1. 半導體的製程技術使得光子晶體二維平面結 構的製作變得容易，有利於未來量產製作的實 現。 2. 微影蝕刻技術不但可以精確地製作出高度有 序的陣列，更可利用光罩的設計來達到控制光 波導的行徑方向。
缺點： 1. 微影製作技術通常適用於二維的平面結構， 並不適合於製作三維的光子晶體。
8
What’s photonic crystals？
具有光波波長尺度的週期性排列介質，則類比於電 子的物質波 (de Broglie wave) 與原子晶格的大小， 光( 電磁 ) 波在此巨觀排列的行為將有如電子在晶 體中一般，因此可藉由排列週期、空間結構和介質 的介電常數等性質來控制光的行為。 光子晶體是一個能與光產生交互作用的週期性結構 材料，其折射率 (refractive index) 在空間上為 週期性函數。
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
– 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
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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
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？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
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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
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
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
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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％。
E.Yablonovitch. Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062 S.John . Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489
光子带隙
光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率落在 其中时，它被全反射，不能穿过光子晶体。处于具 有完全带隙（所有方向的入射都被全反射）光子晶 体中的原子自发辐射被禁 物理上，光子带隙来源于：被周期性介电结构 强散射的光之间的干涉
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：
2m
2 V (r ) E
R为晶格矢量
V ( r ) V ( r R)
2 E ( E )
单频光在介电常数周期性变化结构中麦克斯韦方程:
2
c
2
1 ( r ) E 0 E
1 (r a) 1
周期变化的介电常数
c 在介电常数以光波长周期变化 的结构中光子的运动规律类似于晶体中电子的运动。
1 (r ) V (r )
0
2
2
E
本质上光子是自旋为1的玻色子,是矢量上的饿电磁 波,而电子是自旋为1/2的费米子,是标量波;另外,普 通晶体的能隙一般利用光电子能谱中的吸收边测量 出来,而光子晶体的带隙则是通过透射系数的测量 确定.在带隙里,入射电磁波将完全反射,透射系数为 零.
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。
一.
引言 二. 光子晶体的应用 三. 光子晶体制备方法 四. 光子晶体的发展前景 五. 总结
一、引言
光子晶体（photonic crystal） E. Yablonovitch 和S.John在 1987年分别 独立地提出了光子晶体的概念, 是一种介电常 数在空间呈周期性排列的光学微结构。分为 一维、二维和三维光子晶体.
光子晶体LED的设计重点:
在光子晶体的设计上有一些重点，有一个指标是周期这一 部分，周期和衍射的距离有关，如果周期越小，衍射的距离就 越大，纵使经过修正后还是没有办法将光发射到外面去。相对 的如果周期变大，衍射的距离越小，因为这样的关系，光就可 以移到外面去了，所以在设计上需要找到一个最适合的周期。 还有一个要点就是高度，高度跟衍射的效率有相当紧密 的相关联性，实际上并不是所有的光都会受到衍射的影响， 受到衍射影响的光都会跟衍射率产生相关联，所以这两个重 要指标就是在开发光子晶体 LED时，需要计算出最适当的 数值
(a)介质棒阵列
(b) 打孔的薄膜结构
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
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。
(a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤
光子晶体LED
左边是传统的 LED结构，可以看到它的全反射，现有的 LED临界 度是比较小的，相对的，光子晶体蓝色 LED所设计出来的 LED， 由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以可进入临 界角投射到外面，改善过去 LED的光会全部反射的问题。
光子晶体LED有关文章
Light extraction enhancement from nanomprinted photonic crystal GaN-based blue light-emitting diodes Opt. Express 14, 8654-8660 (2006)
Appl. Phys. Lett. 89,181109 (2007).
半导体制造技术的方法:将电子束蚀刻,反应 离子束蚀刻,化学气相淀积等技术运用于堆积 式的光子晶体制造.
(1) 利用电子束,激光束等在Si基上 进行蚀刻,留出一系列彼此平行的 Si棒; (2) 再用水解等方法将Si棒之间的 区域用SiO2进行填充,并进行表面 机械抛光; (3) 然后再用多晶Si沉积的方法在 S. Y. Lin et al.,Nature (2)中所得的层上铺一层Si,以便蚀 394, 251 (1998) 刻与(2)中Si棒向垂直的第二层Si 棒 (4) 重复以上步骤以制得所需的层数,然后再用酸将SiO2清洗掉, 即得三维周期性结构
Appl. Phys. Lett. 89,091116 (2006).
三. 光子晶体的制备方法
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