一维光子晶体的应用发展

一维光子晶体的应用发展

作者：江帅璋

来源：《新教育时代·学生版》2016年第33期

摘要：一维光子晶体是介质特定的在一个方向上具有周期性的结构，在另外的两个方向上却是均匀性分布的。结构比较简单的一维光子晶体一般是两种介质交替叠层而形成的，这种一维光子晶体在垂直于介质层平面方向的介电常数是随空间位置的改变而改变的，而在平行于介质层平面方向的介电常数并不随空间位置的改变而改变。这种光子晶体在光纤和半导体激光器上已经得到了运用，布拉格光纤和半导体激光器的分布反馈式谐振腔事实上就是一维光子晶体。因为一维光子晶体制作简单，结构简单，所以一维光子晶体被大家广泛的关注。在最早期的时候，因为一维光子晶体特定的在一个方向上表现有周期性的结构，所以光子禁带也只在这个方向上出现，之后Joannopoulos和他的同事们根据理论和仿真得到一维光子晶体应该有全方向的三维带隙结构，因此一维光子晶体也能够具备二，三维光子晶体所具有的特性，所以一维光子晶体被人们更加普遍的应用到了研究中。

关键词：一维光子晶体周期性介电常数

一、一维光子晶体的研究进展与应用

一维光子晶体具有制作简易和控制光的传播形式优异性等优势，让一维光子晶体在不一样的研究中得到了广泛的关注。这些年一维光子晶体在研究领域取得了一些明显的进展。因为一维光子晶体拥有三维材料的全向能隙结构，所以可以将一维光子晶体应用到二维和三维器件的设计当中；一维光子晶体有高增益的局域广场以及光延迟效应，能够导致一些非线性效应，比如说谐波的产生、光学双稳态等；并且一维光子晶体也具有超折射现象，而且因为它有控制光模式以及光传输的优异性能，所以一维光子晶体在光子晶体的应用中占据着主要地位。下面我们从三个方面介绍一维光子晶体的特点和应用，分为物理机制和效应两个角度。[1]

1.全向能隙结构

1998年，因为一维光子晶体的边界是有限制的，所以出现了跟二维光子晶体和三维光子晶体相像的全向能隙结构。虽然金属材料的反射镜的反射率跟入射角度没有关系，但是金属材料是吸收电磁波的，所以金属材料的反射率并不高。以前的多层高反膜会因为入射角度的增加其反射率降低。一维光子晶体可以产生一个不跟入射光偏正方向以及入射角有关联的较宽的全向带隙，解决了金属材料反射率不高的难题。除了反射镜外，一维光子晶体能够普遍的运用到微波天线、透射光栅、光波导等器件的研制中。[2～6]

2.布儒斯特角的控制

因为有极化方向和光波的入射角度这两个因素的控制，以前的多层高反膜频段并不宽，大概都是四分之一的结构。其中最为明显的是入射光波角度的增大会使p波的反射率降低，p波的反射率跟入射角有很大的联系，这跟布儒斯特角有一定的联系。在一维光子晶体中，要想获得更加宽的全向带隙，就必须做到内反射角小于等于布儒斯特角这样才能够出现大的全向带隙。一些科学家运用高分子聚合物有很强的双折射物理特性，制作了一维光子晶体反射镜，从而可以控制布儒斯特角。多层膜反射镜能够依靠不一样的要求，在不同的方向设计出有不同折射率差的具有各向异性材料多层膜，然后经过一些计算我们可以得到这种材料多层膜的布儒斯特角可以是任意的角度，也可以是虚数。双折射光学性质的多层高分子聚合物膜可以普遍运用到多种光学器件中。比如说，制作出来能够运用到光纤通讯的高效率反射镜以及高反膜等；也能够运用到反射偏振镜的研究中；运用到液晶显示屏中能够让观看者看到更加清晰更加亮的画面。双折射光学性质薄膜具有柔韧性，制作简易，不需要基础材料等优点，能够制造出 100-1000 层，适合运用到大规模的工业生产中。[7]

3.非线性效应

如果让场的能量都在非线性材料这个部分從而来升高光子晶体的非线性效应，我们可以对一维光子晶体态密度进行操作，或者改变一维光子晶体中场的能量分布。我们可以设计合适的晶体构型来做到非线性过程中的相位匹配，然后来提高非线性效应。使光子晶体中的光子态密度主要在杂质层中，将非线性材料导入杂质层中的结构叫掺杂结构，此结构能够在很大程度上提高非线性过程的效率，并且能够用来增强非线性效应。使用样品器件核心部分是Zn、Se 掺杂层，这两层两边是Si3N4/SiO2四分之一波堆结构，构成的一维光子晶体从而构成谐振腔。因为该结构能够让谐振波的频率在谐振腔的共振态模式，所以使二次谐波能量加强。[8]

二、总结

对于现阶段的加工技术来说，一维光子晶体是仅仅可以达到可见光量级的周期结构，其良好的可行性预示了这种新型的材料有着广阔的应用前景。[9]

参考文献

[1]卜涛，一维光子晶体光学特性的理论研究：[硕士学位论文].西安：西北大学，2003.

[2]孙明艳，一维光子晶体的光学特性研究.北京：北京工业大学理学硕士研究，2010.

[3]陈双琛，光子晶体光纤超连续谱与激光器和Nd：GdV0_4激光器的研究：[博士学位论文].天津：天津大学，2005.

[4]张克勒，光子晶体的结构色.现代丝绸国家工程实验室.苏州：苏州大学，2010.

[5]张冉，一维多孔硅光子晶体的光学特性及传感研究：[硕士学位论文].河北：燕山大学，2015.

[6]高永芳，一维光子晶体的带隙特性研究.《材料导报》，2011.

[7]J. D. Joannopoulos， R. D. Meade， J. N. Winn. Photonic Crystals： Molding the Flow of Light. New Jersey： Princeton University Press. 1995， 9-22.

[8]J. D. Joannopoulos， P. R. Villeneuve， S. Fan. Photonic. Crystals： Putting a New Twist on Light. Nature， 1997， 386： 143-149.

[9]何洋，一维光子晶体光学特性的复平面波展开法研究.《原子与分子物理学报》，2013.

[10]张拥华，一维光子晶体研究进展.上海：同济大学波耳固体物理研究所，2000.