光子晶体的制备及其应用

1、简述光子晶体的制备及其应用摘 要：简单介绍了光子晶体，光子晶体的理论分析方法，简述了光子晶体在光传感的应用, 空心光纤的简单介绍。光子晶体的应用，光传感，空心光纤关键词：光子晶体简介，光子晶体的制备，光子晶体理论分析方法,1.简介1光子晶体是指具有 光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG特性的人造周期性电 介质 结构，有时也称为 PBG吉构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不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一筹莫展可比拟，所以这种结构

2、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（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、微波天线等方而国内的研究才刚刚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，起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。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

3、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，不能进入原则上人们可以通过设该晶体。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，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。2. 制备和理论分析方法22 . 1有效折射率方法B i r ks等人最早研究光子晶体光纤时，将其与传统的阶跃折射率光纤类比，提出了等效折射率模型，主要用于解释全反射型光子晶体光纤的单模特性，并指出对于光子晶体包层空气孔比较大的情况下不能使用此方法，而且很少用于分析光纤的

4、色散特性，主要原因是一般认为其精度比较低。但也有文章表示，等效折射率模型可以进行模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损耗特性、 色散特性等等，同时结果精度较好1 45 - 4 8 1。其计算方法的主要等效步骤如图2.3 . 1所示。等效折射率模型提出基空间模式（FSM ），即完美光子晶体光纤中允许的最大传输常量P FSM所对应的模式。这样，光子晶体包层可以等效成一个均匀外包 层，其等效折射率为ne FSM | I k0其中(2.3.2 )3为了得到 FSM|将光子晶体包层近似为无限大周期性结构，如图2.3 . 1，将包层在空气柱直径d不是很大的情况下，将其正六边形外边界近似为半

5、径为re,re = J73 /(2兀)A在一个周期性单元中，采用标量近似，标量场可以表示为 exp jgt- Pz + m)(234)其中*满足标量波动方程：护01卯护 r rr 单=0八4护01即+詁r rar(2.3,6) 3.7)(2J.8)dr=0其中恂为石英的折射率，检为空气的折射率.如果记可以得到标fi场的形式为0 =人（叫F/d A利用周期性边界条件，以及场分量连续条件:时，氛学连缆,ar可以得到期=0时关于传输常ffl 0的特征方程为皿理）_川N2AJ2）N、（g5忖化）J、（S）M 5 S 7 0叩 QM（4）(239)该方程的最大的根就是3fsm|，由此即可得到光子晶体包层

6、的等效折射率ne。根据这个包层等效折射率,就可以将光子晶体光纤等效成阶跃折射率的普通对应带隙波导型光子晶体光光纤。其中当re= o时，对应全反射型光子晶体光纤，re o时,纤。2.2有限元法特别是这T E模或有限元法分析光波导的模场具有简单、方便、精确、通用等优点， 种方法可以用来分析具有任意折射率截面的光波导，而且可以同时求出 者T M模所有模式的传播常数和模场分布。它仅需给定光波的波长和相应的折射率分布以及所需求解的模式，就能够同时求解出光波导中对应波长的所有模式折射率和模场分布。 有限元法的运算量很大，但由于目前计算机速度与存储容量的迅速发展，使得有限元法正逐步得以广泛应用。4光子晶体光

7、纤的独特结构，非常适用于有限元法。目前研究中报道的有限元法分析光子晶体光纤主要用到有效折射率等近似;，这里给予简单介绍。通过求解二维亥对于纤芯和包层折射率分别为n .。和n c !的传统阶跃型光纤,姆霍兹方程(2310)ko =2兀从可以得到特定光波导对不同波长的模式折射率分布与归一化强度分布，其中(2.3.11)为真空中的波数，n ( x , y )为二维横截面上的折射率分布,P为传播常数。我们知(23J2)道，当折射率n满足2“ = ”时，相对应的模式才可能被徼发.但垦对于光子晶体光纤來说，并不存在包层折射率喝，这就在使用有限元 法求解光子晶体光纤传播常数及有效模式折射率对带来了问题，0为

8、有限元法存 在一个缺陷它能够将所有满足方程的一系列分立数学解全部求出，而其中有些 解是没有物理意义的，也就是说这些解对应的模式是不可能被激发的.这就要求 我们寻找一种方袪釆限制解的区间。引入包层有效折射率的概念可以达到这个冃 的。赳层有效折射率指的是在没有纤芯情况下无限光子晶体包层的有效折射率数 值，这个值同样可以通过有限元法得到.这样，就有了合理区域的判断方法；(2.3.13)半力、N、Z ；均己知时，可以在光子品体光纤截面上应用#限元法得到有效 传播常数尸M和有效折射率用曲的一系列数值解；同拝.在包层结构上应用有限 元法，我们可W得到包层有效折射率阳曲，之后再通过上式判断哪些有效传播 常数

9、 df对应的横式能够激发2.3平面波法平面波法处理周期性结构问题具有很多优点，它可以被用来处理一、二、三维问题。它能计算光子带隙的位置、宽度，也可以计算光子晶体的结构缺陷问题。使用平面波法分析光子晶体光纤主要是考虑到光子晶体光纤的复杂包层结构，将模场分解为平面波分量的叠加，同时将折射率展开为傅立叶级数，并将以上分解代回电磁场的全矢量方程，求解本征值问题从而可以得到模式和相应的传播常数。主要步骤为：首先从Ma x w e II方程得到磁场的全矢量方程，表示为(23J4)Vx 一L_VxH*这堂X是模式传播矢S，蓟r)是和位置有关的介电常数*由于的周期性根懈布洛赫的理论.H藍可以写为平面波的叠加，

10、为(23.15)这里G为倒格子空间的酷格矢量介电常数也可以用傅立叶级数展开対(2.3.16)这里jcpOGv(23 J 7)上式中九是表征单胞的一个量。带入(23,16)即可求得本征值也即在周期性结 构中允许ff在的模式频率1$叭这种方法可以精确模拟光子晶体光纤.但效率不高.因为它没有利用导模的 局域化特征，分解后会有很多项，计算比较S杂。3. 光子晶体的应用的应用范围非常广泛。利用光子晶体具有光子禁带基本性质，可以将其用作光子晶体全反和光子晶体激光二极管射镜和损耗极低的三维光子晶体天线4;利用光子禁带原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低囡自发跃迁而导致复合的几率，可以设计制作出无域值激光器

11、；通过在光子晶体中引入缺陷，使得光子禁带中产生频率极窄的缺陷态，可以制造高性能 的光子晶体光滤波器；单频率光全反射镜和光子晶体光波导：如果引入的是点缺陷，则可以制作成高品质因子的光子TE、TM偏振模式的光具有不同的带晶体谐振腔7 ；而二维光子晶体对入射电场方向不同的 隙结构，又可以据此设计二维光子晶体偏振片，只要这两种偏振模式的禁带完全错开就可以获 得单一模式的透射光，这种偏振光具有很高的偏振度和透射率。当然，综合利用光子晶体的各 种性能，还可以有其他更广泛的应用，如光开关、光放大器、光聚焦器。另外，如果用金属、半导体与低 介电常数材料组成光予晶体以及无序光子晶体，则都会因为其特殊结构而产生一

12、 些特殊性质，从而能够制造出一些新型光学器件。总而言之，由于光子晶体的特点决定了其优越的性能，因此它极有可能取代大多数传统的光学产品，其前景和 即将对经济、对社会发展产生的影响是不可估量的。光子晶体最重要的应用是缺陷的引入，它将使带隙中形成相应的缺陷能级， 而如果沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条通路一一缺陷条纹，沿着 这条条纹，光予得以顺利传播，其它任何试图脱离这条通路的光子都将被禁止， 理想状态下，这实现了一条无任何损耗的光通路，而光子晶体光纤正是基于这样 一种机理所发展起来的。而这也正是光子晶体应用的主导思想。3.1光传感的应用将光子晶体光纤应用于光传感中时，有两个方式，一是利用

13、光子晶体光纤所特有的孔洞做文章，二是利用普通光纤使用光纤光栅的光谱特性变化进行传感测大后与一路信号光汇合进入 PCF发生非线性作用。由于互相位调制发生的信号光相移量=2巾pL,其中丫为介质的非线性系数，耳为泵浦光功率，为泵图623基于XPM散应的全光光开关（M-Z方案）Hollow Fi3.2空心光纤光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤（ber）。主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线10.6pm 损耗达几 dB / m的。因此在很多应用领域它比传统的光能传输。空心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状， 其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之 间的全

14、反射传播。由于，光的大部分可在无损耗的空气中 传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射 率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，有在简内设 置电介质，使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光， 光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（PCF）是一种新型光 波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型一一折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型光子晶体光纤可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折 射等特性的

15、光纤。但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。带隙波导 型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通 过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性 限制。传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相 应参数的影响。通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。因此在很多重要 领域，空心光子晶体光纤（HC-PCF）比传统光纤更有优势。与传统光纤不同，光子晶体光纤

16、不是通过全内反射导光。相反，光子晶体光纤导引 光的原理与多层镜的反射原理非常类似。多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就 相当于多层镜的各个介质层。要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀 的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。这样，包层的横截面就类似 一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100 nm粗。这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。因此，空心光子晶体光纤 的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心 频率2

17、0%左右的范围。 尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤 非常类似.4. 未来展望预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许 多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今”视顶盒类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体 二极管”和晶体管”；在十到十五年里， 我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应

18、该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术我们希望大部分人会忘记我们曾经这样品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。 如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，_说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。1 百度百科 htt p:/2 刘珂.光子晶体光纤的理论分析及其在THz波导分析中的应用D.浙江大学硕士学位文2005年3月3田贺斌，杨天新，王颖，孙伟成， 李世忱.光子晶体光纤模式特性分析.量子电子学报 第2 0卷第五期，2 0 0 3年1 0月B r o w n E R , Mc Mah onOB .Highz en i t h a I d i r e c t i v i t y f r o mi p 0 I e a n t e n n a o n h o t o n i c c r y s t a I . AppI . P h ys . Le t.,1 99 6,H i r a y a m a H , HamanoTA o y ag i,4a d6 8 : 1 3 0 0 - 1 3 0 2 .Y R i k e n . S u p e r C o m p u t i n g