光子晶体及其特性

光子晶体及其特性

王娟娟

摘要:光子晶体是一种介电常数不同的、其空间呈周期分布的新型光学材料。通过深入研究,达到进一步了解光子晶体的原理、特性、制备方法以及应用之目的。

关键词:光子晶体光子禁带光子局域Purce ll效应

1.引言

20世纪，半导体的发现并应用引发了一场影响开半导体材料，半导体内部存在周期性势场电子受到周期性势场的调制发生布拉格散射形成能带结构，而带与带之间可能存在禁带，落入禁带中的电子则无法继续传播。

1987 年 E. Yablonovich 和 S. John 分别提出了光子晶体的概念[1-2]

光子

晶体是由不同介电常数的物质在空间周期性排列而形成的人工微结构，当电磁波通过光子晶体时光子晶体中周期性排布的介电常数会对电磁波进行调制，从而产生光子能带能带之间可能存在禁带与半导体对比可以发现在光子晶体中，周期性分布的介电常数起到了半导体中周期性势场的作用，同时与电子禁带相对应的也有光子禁带的存在，因此有人又把光子晶体称为光半导体光子晶体可以用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光

子晶体波导等[3-6]

在光通信，光电集成等方面具有极其广阔的应用前景。

2.光子晶体

光子晶体按照其周期性排列方式可分为一维、二维和三维光子晶体，它们的介电常数分别在一维、二维和三维空间上周期性排列，其中一维光子晶体就是常见的多层膜结构，二维光子晶体是周期性排列的介质柱或空气孔，三维光子晶体中介电常数则在3个方向具有周期性在实际应用中，二维光子晶体有着更广泛的前景更受到人们的重视光子晶体具有高低折射率材料交替排列的周期性结构

可以对相应频率的电磁波进行调制产生光子禁带[7-8]

，如果在3个方向上都存在

周期结构，可以产生全方位的光子禁带，在全方位光子禁带中与该禁带频率相对应的电磁波将被完全禁止传播光子禁带是光子晶体的主要特性，光子晶体的另一个特性是光子局域若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷

态，与之频率相对应的光子就被局域在缺陷态中，偏离缺陷态就会被强烈散射，我们可以通过在光子晶体中引入缺陷，制造缺陷态的方式来制作各种光子晶体功能器件，另外光子晶体可以抑制自发辐射若光子禁带频率与光子晶体中原子自发辐射频率相吻合，则该频率光子的态密度为零，自发辐射被抑制，光子禁带和光子局域现象的存在为人为控制光的传播提供了可能。

3.光子晶体的特性

3. 1光子禁带

光子禁带]

( photonic band gap , PBG )是光子晶体最根本的特性,频率落

在禁带中的电磁波, 无论其传播方向如何,都是禁止传播的。光子禁带依赖于光子晶体的几何结构和介电常数比, 比例越大越可能出现带隙。光子晶体结构对称性越差,其简并度越低, 越容易出现光子禁带。

3 .2光子局域

光子局域 ( photonic localization )是光子晶体的另一重要特性[9]

。 1987

年, John提出, 在无序介电材料组成的超晶格(光子晶体 )中, 光子呈现很强的Anderson局域。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷, 则和缺陷态频率相吻合的光子有可能被局域在缺陷位置。一旦其偏离缺陷处, 光就迅速衰减。光子局域态的性状和特性由缺陷的属性来决定:点缺陷就像被全反射墙包围起来,利用点缺陷可以将光俘获在特定的位置, 光无法从这个位置向任何方向传播,形成一个能量密度的共振场，相当于微腔。线缺陷的行为类似波导管, 只能沿线缺陷方向传播。平面缺陷像一个完善的反射镜,光被局域在缺陷平面上。

3．3 Purce ll效应

上世纪 80年代前, 人们一直认为自发辐射是一个随机现象,不能人为控制。 1946年 Purce ll提出自发辐射可以人为改变时并未受到重视, 直到光子晶体的概念提出后, 人们才改变观点。自发辐射不是物质的固有性质, 而是物质与场相互作用的结果。根据费米黄金定则, 自发辐射几率与光子所在频率的态的数目成正比, 因此光子晶体可以抑制自发辐射。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, 若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,具有很高的态密度, 这样

便可以实现自发辐射的增强, 这种控制自发辐射的现象称为Purcell效应。

3 .

4 偏振特性

二维光子晶体对入射电场方向不同 TE、 TM 两种偏振模式的光具有不同的光子禁带, 这是光子晶体的另一重要性质。对于一维光子晶体, 还有一些独特的现象, 如超折射现象，对入射光束展宽和分光等效应, 时间延迟效应, 带边激光, 超强双折射光学现象, 负折射现象,非线性光学效应等。

4.光子晶体的制备

自然界中存在天然的光子晶体蛋白石、海老鼠毛发和蝴蝶翅膀其斑斓的色彩并不是本身的颜色而是不同方向上有不同频率的光被散射，然而天然的光子晶体并不具备完整的三维的光子禁带用于制备光子晶体的主要材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料及其氧化物以及一些有机材料和金属电介质结构等。一维光子晶体相当于多层膜结构，对于多层膜结构，已经有较为成熟的薄膜制备工艺，这里不再介绍。

现阶段研究较多的是二维光子晶体器件的制备，相对于三维光子晶体，其制作简单，可以广泛应用于光通信、信息科学、光电集成等领域。微波、太赫兹波段的二维光子晶体器件可以使用精密机械加工的方法制备。对于通信及红外波段的二维光子晶体器件，主要采用半导体工艺技术如刻蚀技术、半导体生长技术等方法制备。 2002 年， Tetsuya Tada使用电子回旋加速等离子体刻

蚀技术制作了二维介质柱光子晶体波导[10-12]

。 M. T. Todaro 等在 2003 年利

用GaAs/AlGaAs外延生长光子晶体平板波导[13]

。微波、太赫兹波段的三维光子

晶体依然可以使用精密机械法制备，世界上第一个具有全方位光子带隙的光子晶体就是由 Yablonovitch 等人于 1991 年使用精密机械钻孔的方法制作的面心立方结构三维光子晶体。但要制作工作波段在红外甚至可见光的三维光子晶体结构，精密机械方法在尺度及精度上都无法满足要求。于是，层叠法、自组织法、介质棒堆积法及激光直写、激光全息等方法相继被人们提出并应用在三维光子晶体的制作上。然而，要制作通信波段甚至可见光波段具有完全禁带的三维光子晶体，以及在三维光子晶体中引入所需要的缺陷还比较困难。

5.光子晶体的应用

随着光子晶体理论和实验研究的不断进展, 尤其是制备方法和技术的提高