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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
2 光刻技术
利用光刻技术在材料上 制造微细结构，形成光 子晶体的周期性结构。
3 多晶体堆叠
将多个具有不同周期性 的光子晶体堆叠在一起， 实现更复杂的光子晶体 结构。
光子晶体在光学器件中的应用
光学滤波器
利用光子晶体的能隙特性，制作用于波长选择性滤波的光学器件。
光学波导
将光子晶体结构引导和限制光束的传播路径，实现高效率的光学波导器件。
总结和展望
光子晶体作为一种具有周期性电介质结构的材料，具有广泛的应用前景。未 来，随着技术的进步和研究的深入，光子晶体将在光学领域发挥更重要的作 用。
光子带隙
光子晶体中的周期性结构导致 能隙的出现，使得特定波长的 光波无法传播，从而实现对光 的波长过滤和光学调制。
光束限制
光子晶体可以通过调整结构和 原材料的属性，使光束在特定 方向和模式下被限制和引导， 实现光的高度定向传输。
光子晶体的应用领域
1
光子芯片
2
光子晶体可用于制造微型光子芯片，
实现集成光学元件和光电子器件，为
电子芯片提供高速和低能耗的替代方
3
案。
光通信
光子晶体可用于制造光纤耦合器、波 分复用器、光开关等器件，提高光通 信的带宽和传输速率。
光传感器
光子晶体可用于制造高灵敏度光传感 器，用于环境监测、光学成像和生物 医学应用。
光子晶体的制备方法
1 自组装
通过控制材料的自组装 过程，制备具有周期性 结构的光子晶体。
激光器
通过在光子晶体材料中引入激光介质，制造高质量和高效率的激光器。
光子晶体的未来发展趋势
1
Hale Waihona Puke 超材料结合结合光子晶体与其他类似光学材料如金属和二维材料，构筑功能更强大的光学器 件。
光子晶体及其应用ppt课件
界中早已存在拥有这种性质的物质。
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
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
国际上激烈竞争
DARPA 重组天线计划 美
可调光子晶体计划
日
超快光子学计划
毫米和亚毫米波段的集成天线技术 基于光子晶体的光子集成线路计划 欧
THANK YOU
2019/5/6
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)。
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。
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。
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
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
国际上激烈竞争
DARPA 重组天线计划 美
可调光子晶体计划
日
超快光子学计划
毫米和亚毫米波段的集成天线技术 基于光子晶体的光子集成线路计划 欧
THANK YOU
2019/5/6
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)。
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。
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。
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。
最新整理光子晶体小课题.ppt
Journal of the Experimental Analysis of Behavior, 17,325337(1972)
单层膜与紫外线？
峰数： 2 2 2 2
单层膜与紫外线？
意义：
无论角度如何， 总能保证对紫外 线的反射加强。 鸽子眼睛对紫外 段的敏感使它们 选择了这样的结 构。吸引注意， 方便联络。
鸽子单层膜特点：漂亮的虹彩色
为什么不能从颜色的角度解释？
1.人看到的颜色不等于动物看到的颜色
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
光谱变化，RGB值不一定变化，也即颜 色不一定变化。
为什么不是多层膜？
1.没有必要。对鸽子来说， 紫外线引起色觉的阈值能 量远远低于人类（Blough 1957）
2.由于反射面增多，多层膜 会提高整体反射率，太显 眼。tch function只适用于人。 取另外一套后，前述两种光谱得到的 RGB积分值不一样，也即对应不同颜色。
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
颜色没有参考价值，直接考察谱线。
前三组实验：唯有534nm和547nm滤 光片不允许通过紫外线，其他的都允 许通过。 第四组：事先把紫外部分滤掉 （文中的紫外线处于300nm至400nm）
单层膜与紫外线？
峰数： 2 2 2 2
单层膜与紫外线？
意义：
无论角度如何， 总能保证对紫外 线的反射加强。 鸽子眼睛对紫外 段的敏感使它们 选择了这样的结 构。吸引注意， 方便联络。
鸽子单层膜特点：漂亮的虹彩色
为什么不能从颜色的角度解释？
1.人看到的颜色不等于动物看到的颜色
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
光谱变化，RGB值不一定变化，也即颜 色不一定变化。
为什么不是多层膜？
1.没有必要。对鸽子来说， 紫外线引起色觉的阈值能 量远远低于人类（Blough 1957）
2.由于反射面增多，多层膜 会提高整体反射率，太显 眼。tch function只适用于人。 取另外一套后，前述两种光谱得到的 RGB积分值不一样，也即对应不同颜色。
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
颜色没有参考价值，直接考察谱线。
前三组实验：唯有534nm和547nm滤 光片不允许通过紫外线，其他的都允 许通过。 第四组：事先把紫外部分滤掉 （文中的紫外线处于300nm至400nm）
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
ppt课件.
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能
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二十一世纪： internet era
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全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
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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
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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。
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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
完整版光子晶体及其应用
? 无光子-光子相互作用 ? 更小的能量损耗
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
？
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。
?What is photonic crystal?
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，表面 光子禁带，局域模式， 声子禁带，局域模式，
态
表面态
表面态
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。
光子晶体简介
最初光子晶体的人工制备：
1989年，Yablonovitch及G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 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)
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
？
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。
?What is photonic crystal?
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，表面 光子禁带，局域模式， 声子禁带，局域模式，
态
表面态
表面态
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。
光子晶体简介
最初光子晶体的人工制备：
1989年，Yablonovitch及G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 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)
光子晶体及其应用
吸热池、哮喘治整疗理p、pt 全球气候走向
9
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)。
麦克斯韦方程的解依赖于传播介质 无限自由空间 → 平面波 → 频率连续 波导管 → TE/TM型波 → 截止频率 介电常数周期结构 → ？ → 能带？
整理ppt
20
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
服从方程 对应波 自旋 相互作用
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，因此只具整理有pp虚t 能隙(pseudo gap)
光子晶体
整理ppt
1
一、光子晶体简介 二、光子晶体理论 三、光子晶体应用 四、光子晶体展望
整理ppt
2
人类材料史
• 利用自然材料
2022-2023学年高二物理竞赛课件：光子晶体的应用
▫ 把这种螺旋结构浸泡到二氧化硅的前体溶液中，利用溶胶 凝胶法将二氧化硅的填充率增加到79 % ，并且使方形臂 相互重叠，再把它作为模板利用CVD 法填充硅，去除二 氧化硅后就得到反式结构。这种反式结构的带隙宽度达到 23.7 %，（图27(b) 中小图与结构相应的态密度图），这 为光子晶体制备提供了一种新方法。
3
• 光子晶体反射器件
▫ 在光子晶体中，不允许光子频率禁带范围内的光子存在， 所以当此范围内的一束光入射到光子晶体上时，就会被 全反射。利用这特点可以制造出高效率的反射镜，如一 维光子晶体全方位反射镜。实际应用中，可以用光子晶 体作小型平面微波天线的基底材料，制成高发射率的小 型微波天线。
▫ 微波波段光子晶体可以用来作小型平面微波天线的基底 材料。对于频率位于光子带隙范围里的光波，光子晶体 就像一个理想的全反射镜，使原来进入基底而损失的能 量全部反射到空间，大大提高了天线的发射效率，并解 决了因为转化为热引起的基底材料寿命短的问题。
11
▫ 沉积的晶型可以通过不同的工艺条件生长fcc、bcc、hcp 等晶型。在自组装 的基础上，衍生出了准平衡蒸发法、毛细作用力组装法、胶体外延法、电泳 沉积法、电(磁) 流变技术等胶体晶体制备方法。
▫ 为了获得足够高的折射率对比，将胶体晶体作为模板，在间隙填充其它的高 折射率介电材料，然后将球体除去即可以得到反面心立方结构。
5
• 低阈值激光器
▫ 由于自发辐射的存在，激光出射的方向总会和自发辐射的 方向成一定的角度，这样只有在激光器达到一定的阈值时 才能产生激光。而在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体， 使缺陷态形成的波导与出射方向成一样的角度，这样，自 发辐射的能量几乎全部用来发射激光，这大大减低了激光 器的阈值。光子晶体激光器阈值减小到50μA，已着手无阈 值激光器的研究。
3
• 光子晶体反射器件
▫ 在光子晶体中，不允许光子频率禁带范围内的光子存在， 所以当此范围内的一束光入射到光子晶体上时，就会被 全反射。利用这特点可以制造出高效率的反射镜，如一 维光子晶体全方位反射镜。实际应用中，可以用光子晶 体作小型平面微波天线的基底材料，制成高发射率的小 型微波天线。
▫ 微波波段光子晶体可以用来作小型平面微波天线的基底 材料。对于频率位于光子带隙范围里的光波，光子晶体 就像一个理想的全反射镜，使原来进入基底而损失的能 量全部反射到空间，大大提高了天线的发射效率，并解 决了因为转化为热引起的基底材料寿命短的问题。
11
▫ 沉积的晶型可以通过不同的工艺条件生长fcc、bcc、hcp 等晶型。在自组装 的基础上，衍生出了准平衡蒸发法、毛细作用力组装法、胶体外延法、电泳 沉积法、电(磁) 流变技术等胶体晶体制备方法。
▫ 为了获得足够高的折射率对比，将胶体晶体作为模板，在间隙填充其它的高 折射率介电材料，然后将球体除去即可以得到反面心立方结构。
5
• 低阈值激光器
▫ 由于自发辐射的存在，激光出射的方向总会和自发辐射的 方向成一定的角度，这样只有在激光器达到一定的阈值时 才能产生激光。而在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体， 使缺陷态形成的波导与出射方向成一样的角度，这样，自 发辐射的能量几乎全部用来发射激光，这大大减低了激光 器的阈值。光子晶体激光器阈值减小到50μA，已着手无阈 值激光器的研究。
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晶格的周期性散射, 某些 Bloch频率(电子在固体中做 共有化运动的德布洛意频率) 的电子波不能在晶体中传播, 对应禁带(带隙);其他频率的 电子波能够传播,对应导带 和价带.
• 包含不同介电常数组分的周
期性介质也会对光波产生 Bragg反射/折射,形成能带 结构
光子晶体能带的形成: 角度相关性
波导芯区折射率高于包层
• 当波导弯曲时，有光的泄漏发生→弯曲损耗 • 弯曲损耗时与弯曲半径呈指数关系
存在阈值，弯曲半径在阈值以下，损耗不重要；在阈值以 上，损耗急剧增大 →弯曲半径不能过大 →限制了波导的集成度，无法像电子芯片一样灵活布线
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 分频器
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
声
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 负折射
－折射率为负 －0级透射波被带隙抑制 －只存在1级（或－1级）透射波
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
光子晶体在光通信中的应用 一维光子晶体
• 多层介质膜：广泛用于增透膜、增反膜 • 外腔激光器两端镀膜以增加反射率，降低阈值和
噪声
第一台激光器 原理示意图
光子晶体在光通信中的应用 一维光子晶体
• 半导体激光器中使用
Bragg反射作为光腔的两 个“端面”
• DFB(分布反馈激光器) • DBR(分布布拉格反射激
W2V2 • 用光子晶体调节模式
密度，即可改变自发 辐射率，进而增强微 腔的品质因数(Q值)
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 微腔激光器 • 改变光腔的品质因数，即可改变激光器的特性，
如阈值、噪声等
补充 激光器(1)
• 激光器的三个组成部分
－泵浦：将增益介质的粒子从下 能级泵浦到上能级，造成粒 子数反转，使辐射大于吸收， 产生增益
光器)
• VCSEL(垂直腔面发射激
光器)
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 早期实验验证光子晶体(微波波段)
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 光子晶体波导
• 可以实现直角转弯
补充 传统波导的原理及缺陷
• 金属波导(waveguide)依靠
镜面反射原理
• 传统介质波导依靠全反射原理
• 光纤：光波主要沿与
二维光子晶体所在平 面垂直的方向传播
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(3)
• 三维光子晶体:
– 紧密排列的条状物 – 紧密堆积的小球(颗粒)
光子晶体能带特性与功能: 能带结构
• 光子的色散关系:ω~k(频率与波矢的关系)
光子晶体能带特性与功能: 态密度分布
光子晶 光子晶体能带的形成 – 光子晶体能带特性与功能
光子晶体在光通信系统的应用
– 一维光子晶体 – 二维光子晶体
光子晶体能带的形成:
散射
• 杂乱介质中的光散射
– 光波波长λ»杂质平均间 隔a：Rayleigh散射 光子平均自由程l∝a4 能量以扩散方式传播
– λ«a: 几何光学，l≥a, 能量以波动方式传播
• 态密度：单位频率间隔、
单位体积内能容纳多少 个传播模式
• 带隙中态密度为零 • 带隙的带边处有可能出
现态密度增大(尖峰)
• 带边的态密度急速下降
为零(带隙)或很小的值 (准带隙)
光子晶体能带特性与功能: 影响因素
• 能带结构与几何参数(晶格种类、形状等)有关 • 能带结构与光学参数(介电常数)有关
• 有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构
光子晶体能带的形成: 光在周期性折射率介质中的传播
• 均匀介质中：线性色散，不会形成带隙 • 周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受
到“晶格”的布拉格反射，不能传播，形成带隙
光子晶体能带的形成: 光的“半导体”
• 半导体中,电子波函数受到
– λ~a：光子局域， λ~l~a 临界状态，光子局域
• 相干散射比随机散射更容易
获得光子局域→启发人们设 想光子晶体
光子晶体能带的形成: 布拉格反射
• 菲聂尔(Fresnel)定律
光波在入射到不同折射率的分界面上时,会发生折射/反射
• 布拉格(Bragg)反射
光波穿过周期性调制折射率的介质时,不同层面上的反射光相干叠加,使 总的反射光增强/减弱
• 滤波器
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 抑制自发辐射 • 在有光子晶体存
在的空间，光波 无法穿透而传播
• 光子晶体阻拦的
方向，自发辐射 被抑制
• 其他的方向，自
发辐射被允许
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 光子晶体微腔 • 费米(Fermi)黄金定则：
自发辐射率与光场模 式密度成正比
• 一维光子晶体在近期光
子晶体定义中被排除在 外，不算光子晶体，但 一维光子晶体与二维、 三维的光子晶体在物理 本质上有相通之处
• 一维光子晶体:
– 光栅 – 多层介质膜
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(2)
• 二维光子晶体分为平
板和光纤两大类
• 平板：光波主要在二
维光子晶体所在平面 内传播
－增益介质：提供粒子，将泵浦 的能量通过量子过程转移给 激光
－谐振腔： 1，使光在腔内往复传播，经 历更多的增益 2，光腔有选频和定向作用， 使激光的频宽窄，方向性好
补充 激光器(2)
• 泵浦能量＝泵浦泄漏＋泵浦损耗＋非辐射复合(损
耗)＋自发辐射(噪声)＋腔内激光＋输入激光
• 抑制自发辐射，可以降低激光器的阈值，减少噪
• 光波入射在平面光栅上,不同处反射/透射的光相干叠
加,形成定向传播的反射/投射波
• 光子晶体和普通介质(如空气)的分解面上也有类似现
象
光子晶体能带的形成: 偏振相关性
红色:E偏振的带隙 蓝色:H偏振的带隙 黑色:两者相交,全带隙
• 电磁波为矢量
波,TE波和TM波分 别形成能带结构
• TE波和TM波共同
的带隙为全带隙
• 带隙有频率,角度
(方向)、偏振相关 性
光子晶体能带的形成: 缺陷
• 带隙中的波：指数增长(衰减)形,在纯光子晶体中不能存
在，只能在缺陷中存在
• 缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中 • 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 • 利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(1)
• 包含不同介电常数组分的周
期性介质也会对光波产生 Bragg反射/折射,形成能带 结构
光子晶体能带的形成: 角度相关性
波导芯区折射率高于包层
• 当波导弯曲时，有光的泄漏发生→弯曲损耗 • 弯曲损耗时与弯曲半径呈指数关系
存在阈值，弯曲半径在阈值以下，损耗不重要；在阈值以 上，损耗急剧增大 →弯曲半径不能过大 →限制了波导的集成度，无法像电子芯片一样灵活布线
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 分频器
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
声
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 负折射
－折射率为负 －0级透射波被带隙抑制 －只存在1级（或－1级）透射波
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
光子晶体在光通信中的应用 一维光子晶体
• 多层介质膜：广泛用于增透膜、增反膜 • 外腔激光器两端镀膜以增加反射率，降低阈值和
噪声
第一台激光器 原理示意图
光子晶体在光通信中的应用 一维光子晶体
• 半导体激光器中使用
Bragg反射作为光腔的两 个“端面”
• DFB(分布反馈激光器) • DBR(分布布拉格反射激
W2V2 • 用光子晶体调节模式
密度，即可改变自发 辐射率，进而增强微 腔的品质因数(Q值)
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 微腔激光器 • 改变光腔的品质因数，即可改变激光器的特性，
如阈值、噪声等
补充 激光器(1)
• 激光器的三个组成部分
－泵浦：将增益介质的粒子从下 能级泵浦到上能级，造成粒 子数反转，使辐射大于吸收， 产生增益
光器)
• VCSEL(垂直腔面发射激
光器)
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 早期实验验证光子晶体(微波波段)
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 光子晶体波导
• 可以实现直角转弯
补充 传统波导的原理及缺陷
• 金属波导(waveguide)依靠
镜面反射原理
• 传统介质波导依靠全反射原理
• 光纤：光波主要沿与
二维光子晶体所在平 面垂直的方向传播
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(3)
• 三维光子晶体:
– 紧密排列的条状物 – 紧密堆积的小球(颗粒)
光子晶体能带特性与功能: 能带结构
• 光子的色散关系:ω~k(频率与波矢的关系)
光子晶体能带特性与功能: 态密度分布
光子晶 光子晶体能带的形成 – 光子晶体能带特性与功能
光子晶体在光通信系统的应用
– 一维光子晶体 – 二维光子晶体
光子晶体能带的形成:
散射
• 杂乱介质中的光散射
– 光波波长λ»杂质平均间 隔a：Rayleigh散射 光子平均自由程l∝a4 能量以扩散方式传播
– λ«a: 几何光学，l≥a, 能量以波动方式传播
• 态密度：单位频率间隔、
单位体积内能容纳多少 个传播模式
• 带隙中态密度为零 • 带隙的带边处有可能出
现态密度增大(尖峰)
• 带边的态密度急速下降
为零(带隙)或很小的值 (准带隙)
光子晶体能带特性与功能: 影响因素
• 能带结构与几何参数(晶格种类、形状等)有关 • 能带结构与光学参数(介电常数)有关
• 有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构
光子晶体能带的形成: 光在周期性折射率介质中的传播
• 均匀介质中：线性色散，不会形成带隙 • 周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受
到“晶格”的布拉格反射，不能传播，形成带隙
光子晶体能带的形成: 光的“半导体”
• 半导体中,电子波函数受到
– λ~a：光子局域， λ~l~a 临界状态，光子局域
• 相干散射比随机散射更容易
获得光子局域→启发人们设 想光子晶体
光子晶体能带的形成: 布拉格反射
• 菲聂尔(Fresnel)定律
光波在入射到不同折射率的分界面上时,会发生折射/反射
• 布拉格(Bragg)反射
光波穿过周期性调制折射率的介质时,不同层面上的反射光相干叠加,使 总的反射光增强/减弱
• 滤波器
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 抑制自发辐射 • 在有光子晶体存
在的空间，光波 无法穿透而传播
• 光子晶体阻拦的
方向，自发辐射 被抑制
• 其他的方向，自
发辐射被允许
光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板
• 光子晶体微腔 • 费米(Fermi)黄金定则：
自发辐射率与光场模 式密度成正比
• 一维光子晶体在近期光
子晶体定义中被排除在 外，不算光子晶体，但 一维光子晶体与二维、 三维的光子晶体在物理 本质上有相通之处
• 一维光子晶体:
– 光栅 – 多层介质膜
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(2)
• 二维光子晶体分为平
板和光纤两大类
• 平板：光波主要在二
维光子晶体所在平面 内传播
－增益介质：提供粒子，将泵浦 的能量通过量子过程转移给 激光
－谐振腔： 1，使光在腔内往复传播，经 历更多的增益 2，光腔有选频和定向作用， 使激光的频宽窄，方向性好
补充 激光器(2)
• 泵浦能量＝泵浦泄漏＋泵浦损耗＋非辐射复合(损
耗)＋自发辐射(噪声)＋腔内激光＋输入激光
• 抑制自发辐射，可以降低激光器的阈值，减少噪
• 光波入射在平面光栅上,不同处反射/透射的光相干叠
加,形成定向传播的反射/投射波
• 光子晶体和普通介质(如空气)的分解面上也有类似现
象
光子晶体能带的形成: 偏振相关性
红色:E偏振的带隙 蓝色:H偏振的带隙 黑色:两者相交,全带隙
• 电磁波为矢量
波,TE波和TM波分 别形成能带结构
• TE波和TM波共同
的带隙为全带隙
• 带隙有频率,角度
(方向)、偏振相关 性
光子晶体能带的形成: 缺陷
• 带隙中的波：指数增长(衰减)形,在纯光子晶体中不能存
在，只能在缺陷中存在
• 缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中 • 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 • 利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(1)