纳米光子学 2019-第16讲 光子晶体缺陷与波导
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定向天线
Directional antenna
多结构组合式光子晶体
36
5. 光子晶体天线
A Planar Resonator Antenna Based on a Woodpile EBG Material
37
6. 光子晶体开关
Optical switch
NTT Basic Research Laboratories
Cavity mode
18
光子晶体缺陷—腔模式
Cavity mode
19
单模式腔
空气柱子
Single cavity
2vity 21
腔模式可调控
受主态(acceptor) Defect state, band edge state
施主态(donor)
22
缺陷—折射率大小
38
7. 光子晶体光纤
下次课程讲述
39
小结
40
5
光子晶体
1D
2D
填充比、截止频带、带宽、1/4玻片
应用：高反射镜，低阈值激光器、滤波片等 Fill factor, bandwidth, omnidirectional
3D
6
三维光子晶体
三维木堆积 Woodpile, inverse opal
反蛋白石
7
三维光子晶体
Stack of two-dimensional crystal
微电子芯片 光子芯片
Integrated photonic chips
26
2. 波导—导模
Defect band
Guided modes, waveguide
27
介质波导与光子晶体波导
28
介质波导与光子晶体波导—高透过率大角度传输
Low loss, high angle bent
90度转角低损耗传输
8
三维光子晶体
Stack of two-dimensional crystal
9
光子带隙
Distributed feedback (DFB) laser
10
本讲内容
光子晶体缺陷 光子晶体波导 光子晶体微腔 光子晶体滤波器 光子晶体天线 光子晶体开关 光子晶体光纤
Outline
Photon localization
14
三维光子晶体缺陷
15
光子晶体态密度
电子态密度
色散关系+玻色爱因斯坦分布 光子态密度
Localized mode, quantized discrete frequency
缺陷产生局域模式
量子化频率，分离频率
16
光子晶体缺陷—腔模式
17
光子晶体缺陷—腔模式
29
数值模拟验证
30
实验验证
31
波导交叉处消除串扰
Cross talk at intercross
32
光子晶体分光器
Splitter
33
3. 光子晶体微腔—激光器
电泵浦GaAs量子点光子晶体微腔激光器
Cavity laser
34
4. 光子晶体滤波器——共振隧穿
Filter
35
5. 光子晶体天线
纳米光子学
Nanophotonics
第16讲：光子晶体——缺陷及 器件设计
李春 光电信息学院
2
光子晶体—物理本质
非相干相肖 透射传播，稍衰减
3
光子晶体—物理本质
相干相肖
全反射，倏逝波
Bragg scattering
4
光子晶体—物理本质
位于光子带隙频率内的入射波在表面全反射——倏逝波
Total reflection, evanescent wave
11
1. 光子晶体缺陷意味着、、、
半导体
p型、n型半导体
光子晶体 缺陷态光子晶体
二极管 Diode 三极管 Transistor 探测器 Detector 光发射二极管 LED
激光二极管 laser
低阈值激光 source 光波导 waveguide 光开关 Switch 光耦合器 Coupler 光放大器 Amplifier 光调制器 Modulator
微电子芯片 光子芯片
Integrated photonic chips
12
一维光子晶体缺陷
表面态对应的电场强度分布
Photon localization
缺陷态对应的电场强度分布 缺陷——光子局域化
13
二维光子晶体缺陷
• 从晶格中去掉一根柱子，形成一个由高反射墙体包围的腔体。 • 如果腔体尺度恰好满足带隙中模式要求，光波不能逃逸，被局域在缺陷位置。
25
电子半导体缺陷与光子晶体缺陷
半导体
p型、n型半导体
光子晶体 缺陷态光子晶体
二极管 Diode 三极管 Transistor 探测器 Detector 光发射二极管 LED
激光二极管 laser
低阈值激光 source 光波导 waveguide 光开关 Switch 光耦合器 Coupler 光放大器 Amplifier 光调制器 Modulator
光子局域与光子晶体缺陷态紧密相连，缺陷本征频率 吻合的光子被限制在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播， 偏离缺陷的光迅速衰减。
点缺陷中光被局域在点缺陷内，无法向外逃逸；线缺 陷是光被局域在线缺陷位置，光只能沿着线缺陷的方 向进行传播。
光子晶体能够构建高品质因子的光子晶体微腔和低损耗的光子晶体波导
Cavity & Waveguide
低折射率 介质柱四方晶格
高折射率
Refractive Index defect
23
缺陷—几何参数缺陷
Geometry defect
改变中心介质棒的直径大小
24
光子晶体缺陷性质
平移对称性——带隙；结构缺陷破坏平移对称性—— 缺陷态
光子晶体缺陷模指频率在完全禁带范围内缺陷结构的 本征电磁模式，缺陷带可定义为禁带中所有缺陷模频 率涵盖的范围。
Directional antenna
多结构组合式光子晶体
36
5. 光子晶体天线
A Planar Resonator Antenna Based on a Woodpile EBG Material
37
6. 光子晶体开关
Optical switch
NTT Basic Research Laboratories
Cavity mode
18
光子晶体缺陷—腔模式
Cavity mode
19
单模式腔
空气柱子
Single cavity
2vity 21
腔模式可调控
受主态(acceptor) Defect state, band edge state
施主态(donor)
22
缺陷—折射率大小
38
7. 光子晶体光纤
下次课程讲述
39
小结
40
5
光子晶体
1D
2D
填充比、截止频带、带宽、1/4玻片
应用：高反射镜，低阈值激光器、滤波片等 Fill factor, bandwidth, omnidirectional
3D
6
三维光子晶体
三维木堆积 Woodpile, inverse opal
反蛋白石
7
三维光子晶体
Stack of two-dimensional crystal
微电子芯片 光子芯片
Integrated photonic chips
26
2. 波导—导模
Defect band
Guided modes, waveguide
27
介质波导与光子晶体波导
28
介质波导与光子晶体波导—高透过率大角度传输
Low loss, high angle bent
90度转角低损耗传输
8
三维光子晶体
Stack of two-dimensional crystal
9
光子带隙
Distributed feedback (DFB) laser
10
本讲内容
光子晶体缺陷 光子晶体波导 光子晶体微腔 光子晶体滤波器 光子晶体天线 光子晶体开关 光子晶体光纤
Outline
Photon localization
14
三维光子晶体缺陷
15
光子晶体态密度
电子态密度
色散关系+玻色爱因斯坦分布 光子态密度
Localized mode, quantized discrete frequency
缺陷产生局域模式
量子化频率，分离频率
16
光子晶体缺陷—腔模式
17
光子晶体缺陷—腔模式
29
数值模拟验证
30
实验验证
31
波导交叉处消除串扰
Cross talk at intercross
32
光子晶体分光器
Splitter
33
3. 光子晶体微腔—激光器
电泵浦GaAs量子点光子晶体微腔激光器
Cavity laser
34
4. 光子晶体滤波器——共振隧穿
Filter
35
5. 光子晶体天线
纳米光子学
Nanophotonics
第16讲：光子晶体——缺陷及 器件设计
李春 光电信息学院
2
光子晶体—物理本质
非相干相肖 透射传播，稍衰减
3
光子晶体—物理本质
相干相肖
全反射，倏逝波
Bragg scattering
4
光子晶体—物理本质
位于光子带隙频率内的入射波在表面全反射——倏逝波
Total reflection, evanescent wave
11
1. 光子晶体缺陷意味着、、、
半导体
p型、n型半导体
光子晶体 缺陷态光子晶体
二极管 Diode 三极管 Transistor 探测器 Detector 光发射二极管 LED
激光二极管 laser
低阈值激光 source 光波导 waveguide 光开关 Switch 光耦合器 Coupler 光放大器 Amplifier 光调制器 Modulator
微电子芯片 光子芯片
Integrated photonic chips
12
一维光子晶体缺陷
表面态对应的电场强度分布
Photon localization
缺陷态对应的电场强度分布 缺陷——光子局域化
13
二维光子晶体缺陷
• 从晶格中去掉一根柱子，形成一个由高反射墙体包围的腔体。 • 如果腔体尺度恰好满足带隙中模式要求，光波不能逃逸，被局域在缺陷位置。
25
电子半导体缺陷与光子晶体缺陷
半导体
p型、n型半导体
光子晶体 缺陷态光子晶体
二极管 Diode 三极管 Transistor 探测器 Detector 光发射二极管 LED
激光二极管 laser
低阈值激光 source 光波导 waveguide 光开关 Switch 光耦合器 Coupler 光放大器 Amplifier 光调制器 Modulator
光子局域与光子晶体缺陷态紧密相连，缺陷本征频率 吻合的光子被限制在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播， 偏离缺陷的光迅速衰减。
点缺陷中光被局域在点缺陷内，无法向外逃逸；线缺 陷是光被局域在线缺陷位置，光只能沿着线缺陷的方 向进行传播。
光子晶体能够构建高品质因子的光子晶体微腔和低损耗的光子晶体波导
Cavity & Waveguide
低折射率 介质柱四方晶格
高折射率
Refractive Index defect
23
缺陷—几何参数缺陷
Geometry defect
改变中心介质棒的直径大小
24
光子晶体缺陷性质
平移对称性——带隙；结构缺陷破坏平移对称性—— 缺陷态
光子晶体缺陷模指频率在完全禁带范围内缺陷结构的 本征电磁模式，缺陷带可定义为禁带中所有缺陷模频 率涵盖的范围。