光子晶体的详细讲述

Scalar (r )
E ~ k2
Vector E, H
E~k
Fermion, s =1/2 e-e: strong
~ 0.1 nm
Boson, s =1
p-p: absent
100 nm
半导体~光子晶体
半导体
1930年代 电子能带论 （电子带隙） 1948年 发明晶体管
Sonic bandgap material
J.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (1998).
波晶体
波 波能带 波禁带
周 期 性
电磁波、声波、水波、 地震波 …...
测验题



1、简述光子晶体的概念、特性和应用并 与半导体进行相关的对比。 2、简述热电制冷器工作原理（以一对热 电偶为例作图分析） 3、简述光伏电池的基本工作原理和太阳 能电池的两个主要物理过程。
green
blue
brown
yellow
二维光子晶体
二维光子晶体
三维光子晶体
Lincoln log structure
Photonic crystals vs semiconductors
Electronic
Photonic
2 2 1 H (r ) w H (r ) V (r ) (r ) E (r ) (r ) 2
一维光子晶体
二维光子晶体
二维光子晶体
三维微波光子晶体
Lincoln Log-like structure
Smallest three-dimensional photonic crystal yet fabricated excludes light in the wavelength range around 1.5 mm. Shawn Lin et al., Optics Letters, 1 January, 1999
波长尺度的通讯用光子部件
欧
光子晶体的能带结构
光子能带结构
允许带
频率
禁带 允许带
带隙
a
标度不变性
光限制
光波导
光折变
光子线路
微腔
波导
Spontaneous emission
Excited state
w
photon
r (w )
Ground state
Fermi golden rules
w
光子晶体及其应用
内容


光子晶体简介 光子晶体的特性 光子晶体的应用 光子晶体的制作
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 …
电学特性：金属、半导体 … 磁学特性

更深层次


光学性质
半导体
导带
禁带
操控电子的流动
杂质态
• IC • Semiconductor laser • ...
Infrared photonic crystals fabricated using deep x-ray lithography
G. Feiertag, et al., App. Phys. Lett. 71, 15 September 1997
金属光子晶体
Opal
SiO2 particles fcc structure
价带
我们能否控制光子的流动？
电子能带
单原子势场 原子势场的周期排列
ຫໍສະໝຸດ Baidu
E
能级
k 能带
Electronic band structures
Si
Eg
Eg
Ge
L
[111] G
[100]
X
L [111]
G
[100]
X
传统的操控光的流动
全反射
qc
Critical angle
sin q c 1 / n
n =1.55, qc=40.2o
Inverse opal
J.E.G.J. Wijnhoven and W.L. Vos, Science 281, 802 (1998)
Ordered microporous materials from rod-coil block copolymer
S. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (1999)
半导体： 大规模应用 光子晶体：研发阶段
宽带全向全反射器
核爆 射线探测器
假目标？
Photonic crystal
光子晶体天线
Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)
一维全方位反射镜
Y. Fink, et al., Science 282, 1679 (1998)
光半导体 未来的半导体
光子晶体
1987年 光子能带 （光子带隙）Nobel? 1991年 实验验证 1990年代 原型器件 目前 探索集成光路 21世纪 光子技术革命
Nobel Nobel
1958年 发明集成电路
1960年代以后 微电子革命
迅速成为国际学术界的研究热点
93年起，研究论文每年增长 > 70%
X-射线激光 微波吸收？ 红外吸收？
光波导
微腔
Microcavity
Photonic crystal microcavity
Grating-like microcavity
Cylindrical cavity
新型光子晶体激光器
世界上最小的激光器
Defect region a = 515 nm r = 180 nm
S=EH
B=mH
H
k
m<0
Right handed materials
Left handed materials
传播条件
v
c
m
m < 0, < 0
自然界没有！
新现象
• • • •
反常的多谱勒效应 反常的轫致辐射 反常的反射 反常辐射光压
Inverse Doppler effect
反常折射现象
n=3
n=4
能 带 结 构
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
Frequency (wa/2pc)
透明金属
微波与 红外
可见光
Ag
glass
红外反射光谱
1.00 0.98 0.96 0.94 0.92 0.90
Reflectivity
平均 反射 率 95%
500
1000
1500
2000
-1
2500
'Baby, One More Time' 'Oops I did it Again'
光子晶体是什么？
周期排列的人工微结构材料
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
光子能带、光子禁带
均匀介质 光子晶体 Photonic band structure
DOS
w
w
k
0
k space
Light Sneaks through Small Holes
J. A. Porto, et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999)
修饰发射特性：红外隐身
发 射 率 光子晶体 热辐射材料
黑体辐射
实际材料
有光子晶体
频率
Photonic Molecule
Photons confined within the photonic molecule are restricted to a set of discrete energies, like electrons in a real molecule M. Bayer, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2582 (1998)
2p dW f i
ˆ i f H
2
r (w )
Spontaneous emission: modification
w
r (w )
r (w )
r (w )
w
Natural
w
Inhibited
w
Enhanced
No zero-point fluctuation
Striking a match, is there light?
r (w )
w
Excited state
Free space
PBG
Ground state
光子晶体的未来
新型光学、 光通讯器件
国防科技
未来的半导体、光半导体
未解决的重大问题
1、带隙调控
2、物理特性的发现 3、材料的制备 4、新型器件的开发 带隙的形成机理 宽带隙、多带隙 处于初始阶段
尚无独特的方法
布儒斯特角的修饰
p wave
qi qt 90
tanq p nt / ni
qi
ni qt nt
qi
ni qt nt
布儒斯特角的修饰与消失
各向异性
nx n y nz
光子晶体光纤
J. C. Knight, et al., Science 282, 1476 (1998)
自聚焦现象：超吸收应用
光通讯
上载/下载频道滤波器
Super prism
Conventinal prism
PBG prism
小尺寸、大波长
Crystal of capacitors. Four layers of the structure form one period of the diamond lattice (from Phys. Rev. Lett. 80, 2829).
0
光子能带的起源
w
d
0
0
k
p/d
• Bragg 散射 • Mie 共振
Photonic crystals in nature
Photonic crystals in nature
Weevil 象鼻虫
Photonic crystals in nature
Sea mouse
Photonic crystals in nature
Active region: InGaAsP
O.Painter et al., Science 284, 1819 (1999).
光限制器、光开关
n1 n2 透 射 率
光子带隙
M. Scalora et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1368 (1994).
机理 微结构设计 材料制备 原型器件
《科学》1998 Best bets
衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治 疗、全球气候走向
《科学》1999 Runners-up
国际上激烈竞争
DARPA
重组天线计划 可调光子晶体计划 超快光子学计划 毫米和亚毫米波段的集成天线技术
美
日
基于光子晶体的光子集成线路计划 基于蛋白石结构的光子晶体
光子比电子的优点

传播速度更快 携带更大信息

更大的带宽

电子系统：几百 KHz 光纤系统: THz

无光子-光子相互作用 更小的能量损耗
全光通讯
二十一世纪： internet era
全光器件
光纤
电子器件
能 否 控 制 光 子 的 流 动 ？
What is photonic crystal?
3000
Wavenumber(cm )
可见光透射光谱
0.5 0.4
Transmission
0.3 0.2 0.1
黄 色 带
红 色 带
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength (nm)
Left handed materials
E S=EH k B=mH m>0 E
光子晶体偏振器
光 子能 带 结构
0.35 0.30 0.25
频 率
0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
TM
TE
光子晶体量子阱：多通道滤波器
PBG
1.0 0.5 0.0 1.0
n=1
(AB)m (CD)n (AB)m
n=2
Transmission
0.5 0.0 1.0 0.5 0.0 1.0 0.5 0.0 0.30