光子晶体介绍
光子晶体
光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
(2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
此外，光子晶体还可用于制造各种性能优 良的光通讯器件，如光子晶体激光器。
利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理 想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。
' r
2
c
2
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
三、光子晶体的应用 --光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤
2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E ）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；
2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数相当于
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的应用－光子晶体光纤 四、光子晶体的发展前景
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。 从晶体结构来说，晶体内部的原子是周 期性有序排列的，正是这种周期势场的存 在，使得运动的电子受到周期势场的布拉 格散射，从而形成能带结构，带与带之间 可能存在带隙。
优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。
光子晶体的制备及其在光学中的应用
光子晶体的制备及其在光学中的应用光子晶体又叫做光子带隙材料，是指具有光学带隙的人工纳米结构材料。
光子晶体在光学、电子、能源、材料科学等领域中都有广泛应用。
本文将对光子晶体的制备和在光学中的应用进行简单介绍。
一、光子晶体的制备光子晶体的制备方法主要有溶胶-凝胶等离子体共振等离子体化学气相沉积、自组装、电子束和离子束雕刻、原子层沉积等多种方法。
其中最常用的是自组装法。
自组装法是指通过静电作用、疏水亲和性、亲疏水等分子间相互作用，自发地形成有序的纳米结构的复合材料。
这种自组装制备光子晶体的方法比传统方法更简单，能够大规模制备，具有可重复性好等特点。
二、光子晶体在光学中的应用1. 光学滤波器光子晶体具有光学带隙的特点，因此可以通过调整光子晶体的结构，实现光的选择性反射、透射和折射。
这种特性被广泛应用于光学滤波器中。
光学滤波器可以选择性地过滤掉某些波长，用于光学信号处理、光通信等领域。
2. 光学传感器光子晶体在光学传感器领域中也有很好的应用。
当光学传感器需要对某一特定波长的光信号进行检测时，可以利用光子晶体的光学带隙来实现选择性光信号反射或透过。
通过检测反射或透射的光功率变化，可以实现对物理量的测量。
3. 光子晶体光纤利用光子晶体的带隙性质，可以实现光的纵向传输。
通过制作光子晶体光纤，可以实现光功率在波长范围内的选择性传输。
这种光子晶体光纤具有优异的光学性能，可以用于高速光通信、激光器输出耦合和光学信号处理等领域。
4. 光子晶体光阻光子晶体光阻是一种新型的光电材料，川合成光子晶体的方法与普通光阻有很大的差别。
使用这种光子晶体光阻制作光学器件时，可以通过变化光子晶体的结构和纳米粒子的形状来调节相关器件的光学性能。
由于光子晶体光阻的光学特性可编程性较高，因此在光通信、可穿戴电子等领域中有良好的应用前景。
结语光子晶体具有非常广泛的应用前景，在光学、电子、材料科学等领域都得到了广泛的应用。
本文简单介绍了光子晶体的制备方法和在光学中的应用，并说明了这种材料的重要性。
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
光子晶体
1
光子晶体简介
散射矩阵法：
散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和 尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅 立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的
三 维 金 刚 石 结 构 禁 带 计 算 结 果
光子晶体由折射率为 3.6 的球形介 质构成金刚石结构 ,分布在空气中 , 介质的填充比( 所占空间体积的比) 为 0.34。
研究指出：光子晶体可以抑制自发辐射，我们知道，自发辐射的几率与光子所在 频率的态的数目成正比。当原子被放在一个光子晶体里面 ，而它自发辐射的光频率正 好落在光子禁带中时 ，由于该频率光子的态的数目为零 , 因此自发辐射几率为零，自 发辐射也就被抑制. 反过来 , 光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子的态 的数目便可实现。如在光子晶体中加入杂质 ,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质 态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。
为解决这一问题，人们发明了反蛋白石结构,又称为模板法,即利用二氧化硅、 聚苯乙烯等生长出的胶体晶体作为模板，再往其空隙中填充高折射率材料的有机或 无机材料,如染料、金属纳米粒子、硅等, 多次填充后通过高温煅烧 或刻蚀除去模板,留下反蛋白石三维周期结构。
4
光子晶体的应用
1. 光电元件中的应用—光子晶体发光二极管
构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者
难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个 确定的本征方程形式，这种情况下
传输矩阵法：
传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传
光子晶体的应用及原理
光子晶体的应用及原理1. 光子晶体的概述光子晶体，又称光子晶格，是一种具有周期性介质结构的材料。
其结构可以通过控制折射率或介电常数的分布来实现光子的禁带和光子能级的形成。
光子晶体可以有效地控制光的传播和衍射，因此在光学领域有着广泛的应用。
2. 光子晶体的原理光子晶体的原理基于布拉格衍射理论和克劳修斯-莫塞利拓扑定理。
布拉格衍射理论指出，当入射光与周期性结构的晶格参数相符合时，将会出现衍射现象。
而克劳修斯-莫塞利拓扑定理则描述了光子禁带的形成和光子晶体的特殊光学性质。
通过调控晶格参数和物质的折射率，光子晶体能够产生光子禁带并实现光的定向传输、波导效应等特性。
3. 光子晶体的应用3.1 光子晶体的传感应用光子晶体具有对特定波长的光进行选择性反射或传输的特性，因此可以用于光传感器的制备。
光子晶体传感器能够实现对特定物质的浓度、温度、压力等参数的测量，具有高灵敏度、快速响应和稳定性的优点。
3.2 光子晶体的光学器件应用光子晶体的周期性结构使其具备光学功能，常被用于制备光学滤波器、光学波导、光学反射镜等器件。
光子晶体的光学器件具有高透过率、低损耗和调制性能好的特点，被广泛应用于光通信、激光器、显示器件等领域。
3.3 光子晶体的光学传感应用光子晶体可通过微小结构的调节来实现对自然界中的光学信号的响应。
通过改变晶格参数或替换晶体中的物质，可以实现对光学信号的调控和检测。
光子晶体的光学传感应用在生物医学、环境监测、光子计算等领域具有潜在的应用前景。
3.4 光子晶体的光子学研究光子晶体的结构和光学性质具有很大的可调性，因此被广泛应用于光子学研究中。
通过改变晶体中的物质、形状和晶格参数等因素，可以实现光子禁带的调控、光子缺陷模式的控制以及非线性光学效应的调制等。
光子晶体为理解和探索光子学的基础原理提供了重要的实验平台。
4. 光子晶体的发展趋势随着制备技术的不断发展，光子晶体的结构和性质得到了进一步的优化和调控。
未来，光子晶体有望在光通信、传感器、光电器件等领域发挥更加重要的作用。
光子晶体的特性及制备技术
光子晶体的特性及制备技术光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其结构具有质量影响光的性质。
其基本结构单元是孔隙和介质，用于控制光子的传输。
这种材料的一些特殊属性和结构，以及它被制造出来的方法，使得它在传感、通信、光学和电子学等领域具有广泛的应用。
光子晶体的特性1. 禁带一般来说，光子晶体具有禁带现象，这意味着其光学性质中存在某些范围的光波不能通过。
禁带的位置和宽度可以根据特定的设计进行调整，从而能够在特定的波长范围内控制光传输。
2. 光子导电光子晶体具有极好的光子传输性能。
当光穿过这种材料时，可以选择将光传输到材料的特定部分。
这种选择性传输现象被称为光子导电。
光子导电有助于制造微型光子学元件和光电/光学器件。
3. 玻色凝聚光子晶体可以像溶液一样被受压缩而形成玻色凝聚体。
在这个过程中，通过控制禁带的大小和位置，光可以被压缩到极小的空间中，形成高密度、高度相干的光束。
此外，光子晶体还可以用来制造用于光通信的光学器件，如振荡器和无源筛。
光子晶体的制备技术1. 自组装法自组装法是一种非常有前景的制备光子晶体的方法。
这种方法利用生物有机体化学的特性，通过自组装形成有序介质。
这种方法可以通过简单的化学反应实现。
2. 压印法压印法是一种快速、高效的制备光子晶体的方法。
这种方法利用特殊的麦克斯韦场的影响，在介质表面上形成周期性的结构。
这种方法可以实现大规模生产和低成本制造。
3. 光刻法光刻法是一种利用光学景深和光学栅技术的制备光子晶体的方法。
这种方法可以使用常规光刻技术来制备高质量的介质结构。
同时，这种方法可以结合其它制备技术进行更加复杂的光子晶体结构的制造。
结论光子晶体是一种新型的材料，具有很多有用的特性。
它可以应用于通信、光学、传感器等领域，并且可以通过各种方法进行制备。
这种新型材料的出现，将为光电子学领域带来更广阔的应用前景。
光子晶体材料
光子晶体材料光子晶体材料是一种新型的光学材料，具有优异的光学特性和广泛的应用前景。
本文将介绍光子晶体材料的原理、制备方法和应用领域。
一、光子晶体材料的原理光子晶体材料是一种具有周期性结构的材料，其结构中的周期性阵列会对光波的传播和能带形成产生调控作用。
通过调控光子晶体材料的结构，可以实现对光波的反射、吸收、散射等特性的精确控制。
其基本原理是利用晶格常数与光波波长之间的相互作用，形成能带结构，控制光的传播特性。
二、光子晶体材料的制备方法1. 自组装法：利用溶液中的光子晶体颗粒自发排列形成有序结构。
例如，可以利用胶体颗粒在溶液中的沉降过程，通过调节颗粒浓度、粒径和溶液pH值等参数来实现自组装。
2. 模板法：利用微米或纳米级模板来制备光子晶体材料。
例如，可以利用多孔材料模板或光刻技术制备具有所需结构的光子晶体材料。
3. 非球形颗粒组装法：利用非球形颗粒通过絮凝、沉积或压缩等方式来形成光子晶体材料。
例如，可以利用纳米棒、多面体颗粒等非球形颗粒来制备具有多样化结构的光子晶体材料。
三、光子晶体材料的应用领域1. 光子晶体传感器：由于光子晶体材料对不同波长的光具有高度选择性吸收或散射，因此可以应用于传感器领域。
通过改变光子晶体材料的结构，可以实现对特定化学物质、生物分子等的高灵敏度检测。
2. 光子晶体光伏材料：光子晶体材料对光波的调控能力使其在太阳能电池领域具有广阔应用前景。
通过调节光子晶体材料的能带结构，可以提升光伏转换效率。
3. 光子晶体显示器件：光子晶体材料的结构调控特性使其在显示器件领域具有潜在应用。
通过改变光子晶体材料的结构，可以实现光波的频率调制，从而实现对显示器件的图像增强或色彩调节。
4. 光子晶体光纤：光子晶体材料在光纤领域的应用也具有广泛的前景。
其特殊的光学性质可以实现对光波的调控和传输，提高光纤通信的速率和稳定性。
综上所述，光子晶体材料是一种具有非常广阔应用前景的光学材料。
通过调控光子晶体材料的结构，可以实现对光波的精确控制，从而应用于传感器、光伏材料、显示器件和光纤等领域。
光子晶体的结构和光学特性
光子晶体的结构和光学特性光子晶体，又称为光子带隙材料，是指具有周期性的折射率分布的材料，能够通过控制光子的行为，实现对光的操作和调控。
它的折射率分布几乎彻底地阻止了某些波长的光在材料内的传播。
光子晶体的特殊结构使得它具有独特的光学特性。
首先，光子晶体可以形成光子带隙。
光子带隙是指光子不能通过的频率范围，这就像晶体带隙，阻止电子通过一般，光子带隙也阻止了某些频率的光子通过光子晶体。
其次，光子晶体的禁带宽度取决于材料的周期和折射率差异，可以通过改变材料的周期和折射率等参数来控制光子带隙的宽度和位置。
最后，光子晶体的光学特性还包括正常衍射和负常衍射，以及光子晶体的非线性光学行为等。
光子晶体的结构主要有两种：一是一维光子晶体，它由多层纵向分布的周期性结构组成，其周期和布拉格衍射中的禁带的宽度和位置密切相关；二是三维光子晶体，它是一种由周期性排列的孔洞或球体组成的晶体材料，与一般的立体晶体类似。
与一维光子晶体不同的是，三维光子晶体拥有三个中等禁带和两个大禁带，同时，它可以产生不同的光子能带和非线性光学性质。
光子晶体在实际工业应用中具有广泛的用途。
例如，光子晶体可以作为光学传感器，可以测量物质的折射率变化；它可以用来增强光子定向发射，从而提高光通信的速度；还可以应用于太阳能电池、LED灯、激光器等光电器件的优化设计中，以提高能量转化效率。
除此之外，光子晶体还可以应用于微纳光学器件、光子晶体慢光器、光子晶体超透镜和光子晶体光波导等，这些器件具有极高的性能，有助于提升光学器件的性能和效率。
在未来，随着科技的不断发展和进步，光子晶体的应用将会更加广泛和重要。
人们正在研究和探索光子晶体的新领域和新应用，如光子晶体传感、光子晶体数据传输信道、光子晶体太阳能电池等，这些领域具有广阔的前景和多样的应用需求。
总而言之，光子晶体是一种具有独特结构和光学特性的新型材料，在光电子学、新材料、信息技术等领域中拥有广泛应用前景和巨大的发展潜力。
光子晶体简介
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 。
3.制备低阈值的激光器
• 当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷 模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭 而被扩增. • 在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而 形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射 从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集 中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收 而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄波 长范围内的激光发射器.
• 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.
其中n为整数，λ 为入射波的波长，d为原子晶格内的平面间距， 而θ 则为入射波与散射平面间的夹角。在干涉图样中，当散射波 满足布拉格条件，就会产生非常强的强度，它们叫布拉格尖峰。
光子晶体及其应用
机械波的传播 玻色子
参量
普适常数 原子数
各组元的介电常数
各组元的质量密度， 声波波度
晶格常数 1-5Å
1m-1cm
1mm-1m
尺度 原子尺度
电磁波波长
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 态
系的特点是
Ep
和 k 呈线性关系
整理ppt
49
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
基于蛋白石结构的光子晶体
波长尺度的通讯用光子部件
整理ppt
50
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
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
–石器时代、铜器时代、铁器时代 ...
• 材料改性
–青铜、陶瓷、水泥 …
• 更深层次
–电学特性：金属、半导体 … –磁学特性
• 光学性质
整理ppt
3
光子比电子的优点
• 传播速度更快 • 携带更大信息
39
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)。
光子晶体讲稿
S. Y. Lin et al.,Nature 394, 251 (1998)
(4) 反复以上环节以制得所需旳层数,然后再用酸将SiO2清洗掉, 即得三维周期性构造
四、光子晶体应用
1.微波领域中旳应用 2.电子计算机技术中旳应用 3.光电元件中旳应用 4. 其他方面应用
微波领域中旳应用—天线
一般天线
半导体制造技术旳措施:将电子束蚀刻,反应 离子束蚀刻,化学气相淀积等技术利用于堆积 式旳光子晶体制造.
(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旳 Si棒; (2) 再用水解等措施将Si棒之间旳 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沉积旳措施在 (2)中所得旳层上铺一层Si,以便蚀 刻与(2)中Si棒向垂直旳第二层Si 棒
r
和变动介电常数
' r
则有：k 2
r r '
2
c2
代入波动方程，可得：
2
E
r
2
c2
' r
E
r
2
c2
r
E
r
2
2
c2
' r
E r
2
c2
r
E
r
比较电子和光子（在晶体中）旳定态波动方程， 能够看出两式得相同之处：
2
c2
' r
rr
~ V r,即周期变化的介电常数相当于
一个周期势场；
都是起源于对自然界不同领 域存在类似现象旳假设开始 旳。因为宇宙万物遵照着相 同旳规律，虽然外表再怎样 旳千变万化，而内在旳规则 却是有着高度一致性。
科学家们在假设 光子也能够具有类 似于电子在一般晶 体中传播旳规律旳 基础上发展出来旳
光子晶体简介
光子晶体简介光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类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。
与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构光子晶体。
能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。
所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。
光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。
光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
背景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光子晶体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。
微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-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。
光子晶体知识点
光子晶体知识点光子晶体，也被称为光子晶体材料或光子晶体结构，是一种具有周期性折射率变化的材料。
其结构中的周期性变化可以通过控制原子、离子、颗粒的位置或分布来实现。
光子晶体具有特殊的光学性质，如光子禁带、波导效应和全反射等，因此在光学器件和光电子领域具有重要的应用价值。
本文将介绍光子晶体的基本概念、制备方法、结构特点及应用领域。
光子晶体的概念光子晶体是指具有周期性折射率变化的材料结构，其中的周期性可以是一，二或三维的。
与电子在晶体中受周期性势场限制类似，光子在光子晶体中也受到其结构的制约。
光子晶体的周期性结构会导致光的波长在特定频率范围内受到禁带（光子禁带）的限制，使得该波长的光无法在晶体中传播，从而产生光的反射和折射现象。
光子晶体的制备方法目前，制备光子晶体的方法主要包括自组装法、光刻法和纳米球技术等。
自组装法是最常见的方法之一，它利用颗粒、纳米球等微小颗粒在溶液中自组装成具有周期性结构的光子晶体。
光刻法则是通过光刻技术将光敏材料覆盖在基底上，并利用模具的传递模式，在材料表面形成具有周期性结构的坑洞或凸起。
纳米球技术是利用纳米粒子自组装形成具有周期性结构的光子晶体材料。
光子晶体的结构特点光子晶体的结构特点主要表现在三个方面：禁带效应、波导效应和全反射效应。
首先是禁带效应，即当光的波长与光子晶体的周期性结构匹配时，会出现禁带现象，禁止该波长的光传播。
这种特性使得光子晶体在光学器件中可以实现光的选择性传输和滤波功能。
其次是波导效应，光子晶体中存在能够限制光传播方向的波导通道，使得光可以沿着特定路径在晶体中传输。
最后是全反射效应，当光从光子晶体射入到光密介质中时，会发生全反射现象，使光无法透射到介质中。
光子晶体的应用领域光子晶体由于其独特的光学性质，被广泛应用于光学器件、光学传感、光储存、光通信等领域。
在光学器件方面，光子晶体可以用于制造光纤、光学波导、激光器、滤光片等。
在光学传感方面，光子晶体可以通过对光的散射和透射特性的调控，实现对光场、温度、压力等物理量的测量。
光子晶体的原理及应用
光子晶体的原理及应用概述光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以对光进行控制和操纵。
它类似于电子晶体，但是光子晶体的周期性结构大小与光的波长相当，因此它对光的传播和散射具有特殊的影响。
本文将介绍光子晶体的原理以及它在光电子学等领域的应用。
光子晶体的原理光子晶体的原理基于光的干涉和衍射现象。
它由周期性变化的折射率组成，这种周期性结构可以通过控制材料的特殊制备过程来实现。
光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播和流向，以及光的波长选择性。
它的原理有以下几个关键要点：•布拉格散射：光子晶体的周期性结构与光波的波长相当，因此光波在晶格中会发生布拉格散射。
这种散射是由晶格的周期性结构引起的，使得光波沿特定方向传播，并且只允许特定的频率通过。
这种特性使得光子晶体可以用来制作光的滤波器和反射镜等光学元件。
•光子禁带：光子晶体中的周期性结构会导致光的禁带现象，即某些频率的光波在光子晶体中无法传播。
这是因为这些频率的光波与光子晶体的周期性结构发生干涉，导致光的能量被散射或吸收。
光子禁带可以用来制作光的隔离器和光的相位调制器等光学元件。
•衍射光栅：光子晶体的周期性结构与光波的干涉现象导致衍射光栅的形成。
衍射光栅可以通过改变光子晶体的周期性结构来控制光的传播方向和强度。
这种控制性质使得光子晶体可以用于制作光的衍射光栅和光的波导等光学元件。
光子晶体的应用光子晶体的原理使其在光电子学、光通信和光传感等领域有了广泛的应用。
以下是一些光子晶体的应用示例：•光纤通信：光子晶体可以用作光纤通信系统中的光缆保护层和光解复用器。
光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播方向和波长选择性，从而提高光纤通信系统的传输效率和带宽。
•光子晶体激光器：光子晶体激光器是一种基于光子晶体原理制作的激光器。
光子晶体的禁带特性可以用来增强激光器的单模特性和抑制杂散光的产生，从而提高激光器的性能和稳定性。
•光子晶体光探测器：光子晶体光探测器是一种基于光子晶体原理制作的光探测器。
光子晶体原理
光子晶体原理光子晶体是一种具有周期性的光学结构，它可以通过调控光的传播特性来实现光的控制和调制。
光子晶体的研究源于对光子学的深入认识和对光的性质的理解。
在光子晶体中，光的传播受到周期性的折射率分布的影响，从而导致光的传播特性发生改变。
光子晶体的周期性结构可以由不同的材料组成，例如光子晶体可以由二氧化硅或氮化硅等材料制成。
这些材料具有不同的折射率，通过合理选择和设计这些材料的排列方式，可以实现对光的控制和调制。
光子晶体的最基本结构是光子晶格，它是由周期性的折射率分布组成。
在光子晶格中，光的传播受到布拉格散射的影响，从而实现光的衍射和反射。
光子晶格的周期性结构可以通过不同的方法制备，例如光束刻蚀和自组装等技术。
光子晶体的特性主要由其晶格常数和折射率分布决定。
晶格常数是指光子晶体的周期性结构的空间尺度，它决定了光的传播特性和光的波长与晶格常数之间的关系。
折射率分布是指光子晶体中不同位置的折射率大小，它决定了光的传播方向和光的传播速度。
光子晶体的应用非常广泛，特别是在光学器件和光通信领域。
光子晶体可以用于制造光纤、光波导和光调制器等光学器件，这些器件可以实现对光的传输和调控。
光子晶体还可以用于制造光栅和光谱仪等光学仪器，这些仪器可以实现对光的分析和检测。
光子晶体的原理和性质研究已经取得了很大的进展，但仍然存在一些挑战和问题。
例如，如何实现对光的更精确的控制和调制，如何提高光子晶体的制备和加工技术，以及如何实现光子晶体的集成和应用等。
这些问题需要进一步的研究和探索。
光子晶体是一种具有周期性的光学结构，它可以通过调控光的传播特性来实现光的控制和调制。
光子晶体的研究对于光学器件和光通信等领域具有重要的意义，同时也面临一些挑战和问题。
通过对光子晶体原理的深入研究和理解，我们可以进一步推动光子晶体技术的发展和应用。
光子晶体——精选推荐
光子晶体光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类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。
与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。
能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。
所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。
光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。
光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
光子晶体自从被提出后，在光学物理，凝聚态物理，电磁波，信息技术等领域引起了人们广泛的关注。
在这短短的二十年里，光子晶体在理论研究和实验研究方向均取得了显著的成果，并且在某些领域也有了一定的应用。
由于光子晶体的巨大潜在应用价值，设计和制作可见光和近红外波段的完全带隙光子晶体，成为十年来科学研究的热点之一。
在制备复杂结构光子晶体的多种方法中，相对于其它制作方法，例如逐层叠加方法，半导体微加工和自组织生长、激光全息制作方法具有成本低，耗时短，方便制作和有效等优点。
下面介绍用激光全息干涉技术并结合平面波展开法和有限时域差分方法，在理论上比较系统的研究了如何使用伞形配置的多激光束形成具有较宽的完全禁带的光子晶体，提出多种实现全禁带展宽的设计方案，并通过晶体结构及1其能带传输特性的模拟来验证能带计算结果的正确性，其中的创新性工作主要包括一下几个方面：一、全系干涉法优化二维正方结构光子晶体的光束设计及其能带性质的研究由于全系干涉法中格点柱的形状和大小实际是由于干涉场的等强度面决定的，所以得结构的能带性质与制备过程有着密切的联系。
这里提出两种利用全息干涉技术制备的新型二维正方结构光子晶体的方案。
第一种是由绕z轴旋转45度的针垫形柱组成的正方晶格点阵。
另一种由不规则介质柱组成的相似晶体结构。
光子晶体及其应用
光子晶体及其应用光子晶体( Photonic Crystal) 是一种在微米、亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料,按照其折射率变化的周期性,可以分为一维、二维和三维光子晶体,分别见图1～3. 光子晶体的概念首先在1987 年被E. Yablonovitch提出 . 光子晶体被视为电子晶体的光学领域内的对应物,如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样,光子晶体的折射率的变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构,这些被禁止的频率区域称为光子禁带(Phtonic Band Gap) .关于光子晶体的研究一开始只是在理论上,因为光波长尺度上的工艺非常困难.1991年,由E. Yablonovitch 制成了第一个微波波段的光子晶体后,随着各种工艺的发展,多种多样的晶体结构陆续的被制备出来,许多理论预测得到了验证 . 其中应用较多的三维结构是“木柴垛结构”(图3) 和“蛋白石结构”(图4) .光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质,例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等. 它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来(图5)可以使自发辐射的光只能以单波长输出;也可以使波长相差很小的光分开60°,使其色散达到普通棱镜的500 倍. 这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值,因而在短短十余年时间内,受到了物理、材料等领域的学者的广泛关注. 可以相信,在不久的将来,光子晶体将在基础研究领域以及光通信、光计算、激光技术等诸多应用领域内起到不可替代的作用.2 光子晶体的原理光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的,因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识. 对于晶体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. 其实,不论是电磁波,还是其它波(如光波等) ,只要受到周期性调制,都有能带结构,也都有可能出现带隙. 而能量落在带隙中的波同样不能传播. 由此我们知道在离子晶体中,离子的周期性排列产生了能带结构,而能带又控制着载流子(半导体中的电子或者空穴) 在半导体中的运动.与之类似,光子晶体中是折射率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. 光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴) 的材料. 如图1～3 所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在. 高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(Band Gap ,类似于半导体中的禁带,也可以理解为光受到了布拉格散射引起的) . 而周期的大小不同,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.因为光被禁止出现在光子晶体带隙中,所以可以预见到我们能够自由控制光的行为. 例如,可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰好落于光子晶体的禁带之中. 由于这些波长的光是禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射. 而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以用来制备面发射的激光器.3 光子晶体的制备光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的蛋白石(Opal) ,还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉,它们在不同的角度反射不同波长的光. 通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的. 参见图6～9.因为Opal 形式与后面讲到的小球密堆积完全相同,因而暂且不提. 但是,这些都是粗糙的光子晶体,因为它们没有形成完全的禁带. 通过Maxwell 方程的求解可以发现,完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系. 一般说来,两种材料的折射率差值越大,就越有可能形成光子禁带,当两种材料的折射率差大于2 的情况,可以形成完全禁带. 在自然界尚未曾发现此类的晶体. 因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备.目前制作光子晶体的材料主要是无机材料,如金刚石, Si , SiO2 , TiO2 , GaAs ,AlGaAs 等,另外还有一些金属材料等. 主要的思想就是人为的构造周期性的结构. 在制备工艺上对于一维、二维和三维而言有许多不同. 下面分别进行介绍.最先制备成功的的是三维光子晶体,但是主要工作在微波波段. 在可见光部分曾经比较时兴的一种办法是类似于自然界的Opal 结构,人工制备亚微米量级的小球,然后让他们密堆积起来形成周期性排列.制作光学波段的光子晶体常用的技术是胶体颗粒(如SiO2 颗粒) 的自组织生长. SiO2 颗粒的大小一般为微米或亚微米,悬浮在液体中. 由于颗粒带电,而整个体系呈电性,这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的范德华力. 自组装时先使用一种有机无机复合的材料使SiO2 小球表面电荷被除去以呈现电中性. 因而小球之间的作用力消失,在重力或其他外力的作用下经过一段时间,悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的面心立方结构而形成胶体晶体. 这种方法简便而且经济. 一般采用的胶体颗粒是聚合物等,因为一般胶体颗粒的折射率都比较小,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. 制备成功的样品SEM 图见图4. 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于实际.另外制备三维光子晶体的办法是刻蚀法,这种采用硅工艺的方法十分有效,但是通常只是做到了近红外,可见光部分有难度,而且价格昂贵,操作复杂,同样不利于推广.对二维光子晶体的制作也有许多的研究. 二维光子晶体也有许多用途,而且制作比三维光子晶体要相对容易. 在微波或厘米波波段,可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法;在红外和光学波段用刻蚀等方法. 最早制作的二维光子晶体是用机械钻孔或用介质棒方法制得. 目前,二维光子晶体的带隙已经达到红外和光学波段. 制作二维光子晶体的实际例子是Bath 大学的Philip Rus2sell 和Jonathan Knight 以及他们的合作伙伴研制的特别不寻常的“多孔纤维” .这种纤维具有规则的气孔晶格,并且可以无散射的长度连续的传播光波. 这是通过围绕一个在中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的. 由几百个传统的SiO2 棒和SiO2 毛细管依次绑在一起组成六角阵列,然后在2 000 ℃下把这个结构加热拉伸产生直径只有几微米的长纤维而成. 这种光纤被称为光子晶体光纤,它具有零色散点可调的特点,而且可以在芯径很大的情况下实现单模传输. 这种光纤的缺点是会受到水汽的影响,因为它多是中空的. 制备的样品见图10.一维光子晶体的制备非常简单,而且在光子晶体的概念提出之前就已经被广泛制备并且应用. 因为它就是我们通常所说的多层膜. 制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束外延技术等.4 光子晶体的应用应用光子晶体控制光在其中传播的性质可制成全新的高性能器件。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、平面波展开法的二维形式及其应用（2）
(a)
(b)
(a)
(b)
(c)
(d)
(c)
(d)
图（（2bd.））2 正rr==方00..43格aa时 时结的 的构TT能MM带模 模图式 式（能；a带c））图rr==.00.4.3aa时时的的TTEE模模式式；；图（（2bd.））4六rr==边00..形43aa结时时构的的能TTMM带模模图式 式（（ 能a）c带）r图=r=0..04.a3时a时的的TTEE模模式式；；
5
一、引言（1）
2、光子晶体基本特征 （1）带隙特征：
光子禁带是指在一定频率范围内，任何偏振与传播方向 的光都被严格地禁止传播。 （2）光子局域：
如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，将会在光子禁 带中引入新的电磁波模式，与缺陷态频率吻合的光子有可能 被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处，光将迅速衰减。
12
一、引言 （3）
8、本研究的主要内容： 两种方法实验制作和分析表征： （3）合成SiO2微球和PS微球； （4）单一材料的光子晶体薄膜的制备和表征； （5）复杂胶体结构和带有功能缺陷结构的制备和表征； （6）采用高阻抗的硅片，用微加工方法制作太赫兹频域的光子
晶体，并对其光学性能进行分析。 （材料/频率/方法）
10
一、引言（1）
7、光子晶体的应用 （1）光子晶体在光学方面的应用： 光子晶体反射镜、高效率发光二极管、低阈值的激光器、 光子晶体谐振腔、光子晶体波导，等等 （2）光子晶体在微波领域的应用： 微波天线、微波光子晶体传输系统、光子晶体在微波电路中的 应用，等等
11
一、引言 （2）
8、本研究的主要内容： 理论研究：
（1）用平面波展开法，对二维情况下TE模式和TM模式的波矢量 进行了的表征，并对三维情况下的一般矩阵进行推导。用有限时域 差分方法，对电磁场的分布规律和能带分布进行分析。
（2）分别设计了圆弓形和扇面形两种新型散射元，通过禁带计 算，比较两种散射元TE模式和TM模式禁带的不同，其中扇面形又 分成等角扇形和等边扇形。
4、光子晶体的能带
结构 研究对象
本征方程 本征矢 特征
能带形成 原因 尺度
光子晶体
不同介电常数介质的周期分布
电磁波（光）在晶体中的传播 玻色子
2
2m
2
V
(r
) (r )
E(r )
电场强度、磁场强度：矢量
光子禁带 在缺陷处的局域模式
在不同介质分界面出电磁场 相干散射的结果
电磁波（光）波长
半导体
6
一、引言（1）
3、光子晶体的场方程
D
B 0
E
B
H
J
t
D
t
0r
E
0
0
E
H
0
0 H t
H
0
r
0
E
t
0
考虑空间无自由电荷和电流时，
HE00HrrrrEiir000H0rrEr0
0
单色电磁波：
1r
H r
c
2
H
r
Er
icr
H
r
7
一、引言（1）
VW
图2.1 二维正方晶格结构的示意图
（1）TM模式 （2）TE模式
[Gx ]
ITM
0
G
,G
'
EG
',
z
1
0
[k
2 G,
y
]
0G.G'
[Gx ]
ITE
[Gx
]
0 G ,G ' z
1 0
[kG,y ]G,G'[k
G
',
y
]
0 G,G'
[Gx ]
15
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
光子晶体的禁带机理及不同结构晶体薄 膜的制备和光学性质 研究
1
主要内容
一、引言 二、理论研究 三、实验制作和分析表征 四、总结
2
一、引言
3
一、引言（1）
1、光子晶体概念； 2、光子晶体基本特征； 3、光子晶体的场方程； 4、光子晶体的能带； 5、光子晶体的研究方法； 6、光子晶体的制作方法和最新进展； 7、光子晶体的应用。 8、本研究的主要内容。
13
二、理论研究 第二章 平面波展开法和有限时域
差分法及其应用 第三章 光子晶体散射元研究
14
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
1、平面波展开法的二维形式及其应用（1）
光子晶体介电常数的表述：
1 (r)Βιβλιοθήκη (G) Gexp(iG
r
)
(G) 1 1(r ) exp(iG r )d 3r
Frequency (a/2c)
0.6
0.5 0.4
CPWE method PWTMM method
0.3
0.2
0.1
0.0
XT
L U Z
9
一、引言（1）
6、光子晶体的制作方法和最新进展 （1）物理方法称为“由上到下（top-down）”的方法： 传统的机械加工方法、逐层叠加法、光束干涉法、 双(多)光子聚合技术，等等 （2）化学自组装方法为是“由下到上（bottom-up）”的方法： 自然沉淀、电泳辅助沉淀、垂直沉淀等方法。。。
周期性势场
电子的输运行为 费米子
1 (r
)
H
(r
)
c
2
H
(r
)
波函数：标量
电子禁带 缺陷态
在不同势场中电子波相干散射 的结果
原子尺寸
8
一、引言（1）
5、光子晶体的研究方法；
目前主要的光子晶体的理论分析方法有： 平面波展开法 (PWM)、有限差分时域法 (FDTD)、 传输矩阵法 (TMM)、散射矩阵法 (SMM)和N阶法(Order—N)等 。
2、平面波展开法的三维形式及其应用（2）
I12
1
0
[kx ]G,G' [ky ]
0 G ,G '
0 G ,G '
1
0
[kx
]
1 G
,G
'[kx
]
1
0
[ky
]
1 G,G
'[kx
]
I 21
1
0
[kx
][k
y
]
1
0
[ky
]2
0G,G '
1
0
[kx
]2
0G,G '
1
0
[k
y
]
1 G ,G
'[kx
]
17
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
结论：TE/TM不同，能带不同；结构不同，能带不同。 16
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
2、平面波展开法的三维形式及其应用（1）
Ex Ex
I
Ey Hx Hy
k
z
Ey Hx Hy
,
I
I11
I
21
I12
I
22
I11
I 22
[Gz
0
] 0
[Gz
]
4
一、引言（1）
1、光子晶体概念
光子晶体：是折射率（或者说 介电常数）周期变化的材料，这种周期性的变化要求传 输的电磁波波长数量级相当。
1-D
2-D
3-D
periodic in one direction
periodic in two directions
periodic in three directions