光子晶体及其应用

1、 光子晶体 一、光子晶体简介二、光子晶体理论三、光子晶体应用四、光子晶体展望人类材料史 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 更深层次电学特性：金属、半导体 磁学特性 光学性质光子比电子的优点 传播速度更快 携带更大信息 更大的带宽 电子系统：105 Hz 光纤系统: 1015 Hz 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光纤电子器件全光器件能否控制光子的流动？一 、光子晶体简介 光子晶体（光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微

2、结构材料微结构材料，其，其最根本的特征是具有光子禁带最根本的特征是具有光子禁带。 What is photonic crystal?周期排列的人工微结构材料光子晶体图示构成材料:半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸:毫米、微米、亚微米科学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 光子晶体概念的产生：光子晶体概念的产生： 到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不约而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破 坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙

3、，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonic band structures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称光子晶体(photonic crystals)。光子晶体简介光子和电子都是波粒二象性的光子 先认识波动性 后认识粒子性 描写 麦克斯韦方程 电子 先认识粒子性 后认识波动性 描写 薛定谔方程 薛定谔方程的解依赖于作用势 无作用势 平面波函数 能级连续 库伦势 氢原子波函数 能级分立 固体中周期势 布洛赫波函数 能带麦克斯韦方程的解依赖于传播介质 无限自由空间 平面波 频

4、率连续 波导管 TE/TM型波 截止频率 介电常数周期结构 ？ 能带？ 固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如右图光子晶体简介自然界中的光子晶体： 光子晶体虽然是个新名词，但自然界中早已存在拥有这种性质的物质。 盛产于澳洲的宝石蛋白石盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关， 而而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置是因为它几何结构上的

5、周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果次微米结构，选择性反射日光的结果. 翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶bluegreenyellowbrown 2003 2003年年ANDREW R. PARKERANDREW R.

6、PARKER等等发现一种澳洲昆士兰的东北部发现一种澳洲昆士兰的东北部森林的甲虫（森林的甲虫（Pachyrhynchus Pachyrhynchus argusargus），它的外壳分布有和蛋），它的外壳分布有和蛋白石一样的光子晶体结构类似白石一样的光子晶体结构类似物，其具有从任何方向都可见物，其具有从任何方向都可见的金属色泽。的金属色泽。 这种栖息于大陆棚上有着刺这种栖息于大陆棚上有着刺毛的低等海生无脊椎动物毛的低等海生无脊椎动物海毛虫海毛虫(sea mouse)具有引人瞩目的虹彩。具有引人瞩目的虹彩。此种海毛虫的刺毛是由为数众多之此种海毛虫的刺毛是由为数众多之六角圆柱体层层叠积形成的结晶状六

7、角圆柱体层层叠积形成的结晶状构造物构造物,其具有与光子晶体光纤其具有与光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)-一样的物一样的物理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且仅反射某些波长的色光而发出鲜仅反射某些波长的色光而发出鲜明色彩明色彩第一个功败垂成的三维光子晶体第一个功败垂成的三维光子晶体 遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之之故，故， 在在W和和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因此只具有的能

8、态数目相对较少，因此只具有虚能隙虚能隙(pseudo gap) 1989年，Yablonovitch及Gmitter首次尝试在实验上证明三维光子能带结构的存在。实验中采用的周期性介电系统是Al2O3块材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式钻了将近八千个球状空洞，如此形成一个人造的巨观晶体。 三氧化二铝和空气的介电常数分别为12.5和1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据根据实验量得的透射频谱，所对应的三维实验量得的透射频谱，所对应的三维能带结构右图所能带结构右图所 示：示： 最初光子晶体的人工制备：光子晶体简介光子晶体简介 两年之后，Yablo

9、novitch等人卷土重来， 这回他们调整制作方式，在块材上沿三个夹120度角的轴钻洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的“原子”(如右图)， 终于打破了对称的束缚，在微波波段获得真正的绝对能隙，证实该系统为一个光子绝缘体(photonic insulator)。第一个具有绝对能第一个具有绝对能隙的光子晶体，及隙的光子晶体，及其经过特别设计的其经过特别设计的制作方式制作方式三三. 光子晶体制备光子晶体制备1. 一维光子晶体结构简单，制作简便，制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、MOCVD 、分子束外延等2. 二维光子晶体主要结构有周期性排列的介质棒阵列和打孔的薄膜结构。排列方式一般为四边形和三

10、角形点阵，通过调节棒或孔的直径以及间距大小，可以实现不同频率与带宽的光子禁带。一般采用激光刻蚀、电子束刻蚀和外延生长法等制造二维光子晶体(a)介质棒阵列(b) 打孔的薄膜结构3. 三维光子晶体制备 精密机械加工法: Yablonovich等用打孔的方法在基体表面每一点沿着相差120度的方向往里打孔,在基底材料里留下了近椭球圆柱形结构组成的面心立方光子晶体. 只能用于加工微波波段的光子晶体,对于更短波长的光子晶体,显得无能为力 半导体制造技术的方法:将电子束蚀刻,反应离子束蚀刻,化学气相淀积等技术运用于堆积式的光子晶体制造. S. Y. Lin et al.,Nature 394, 251 (1

11、998)(1) 利用电子束,激光束等在Si基上进行蚀刻,留出一系列彼此平行的Si棒;(2) 再用水解等方法将Si棒之间的区域用SiO2进行填充,并进行表面机械抛光;(3) 然后再用多晶Si沉积的方法在(2)中所得的层上铺一层Si,以便蚀刻与(2)中Si棒向垂直的第二层Si棒(4) 重复以上步骤以制得所需的层数,然后再用酸将SiO2清洗掉,即得三维周期性结构电磁波可表示为：zktieHHzktieEE00k和 分别为角频率和波数，它们与周期T和波长的关系为：22kT二、光子晶体理论波的传播速度（相速）为：kT和初相位：的振幅和分别是，设HEHEHE00HEiieHHeEE00002002rrk

12、：代入波动方程，即可得 0rE22rEk程为定态下的电磁波波动方. 1r，则如果介质为非磁性介质 对于对于非均匀非均匀介质，尤其是其介电常数介质，尤其是其介电常数是周期性变化时，有是周期性变化时，有 nkrrrr和变动介电常数平均介电常数两个部分之和：可将相对介电常数写为 rEcrEcrEcrEcrEckrrrrrr2222222222222代入波动方程，可得：则有：比较电子和光子（在晶体中）的定态波动方程，可以看出两式得相似之处： 能量本征值即平均介电常数相当于一个周期势场；相当于即周期变化的介电常数,2222EcrVrcrr 光子晶体中的光子能带不同于半导体中的电子能带呈线性关系和系的特点

13、是因此其色散关光子的能量kkcppEE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波长尺度的通讯用光子部件超快光子学计划重组天线计划DARPADARPA可调光子晶体计划毫米和亚毫米波段的集成天线技术日美欧四、光子晶体应用1.1.微波领域中的应用微波领域中的应用 2.2.电子计算机技术中的应用电子计算机技术中的应用 3.3.光电元件中的应用光电元件中的应用 4.4.其他方面应用其他方面应用微波领域中的应用微波领域中的应用天线天线 普通天线 传统的微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，导致大量的能量被天线基底所吸收，效率很低。一般用GaAs（钙、砷）介质作基底的天线，98%的能量

14、损耗在基底中，只有2的能量被发射出去 光子晶体天线 针对某微波频段可设计出需要的光子晶体，并让该光子晶体作为天线的基片。因为此微波波段落在光子晶体的禁带中，因此基底不 会吸收微波，这就实现了无损耗无损耗全反射，把能量全部发射到空中。第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功年在美国研制成功Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)微波波段光子晶体微波波段光子晶体1993年，美国研制反射率接近的光子晶体偶极子天线；1996-1999年，光子晶体微带贴片天线，抑制谐振模式，消除表面波影响，提高天

15、线效率；1999年，Conexant国际公司研制成功光子晶体人体防护天线。1996-1999年，光子晶体微带传输线，宽带放大器，滤波器等微波领域中的应微波领域中的应用手机的辐射防护 手机的危害 手机是一个小型的、但能量极手机是一个小型的、但能量极强的电磁波发生器，其工作频率强的电磁波发生器，其工作频率890MHz890MHz到到965MHz965MHz，辐射出的电磁波对人，辐射出的电磁波对人体细胞体细胞具有极强的具有极强的致畸致畸作用。手机在使用过作用。手机在使用过程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。长期、高频率使用手机，会造成正常脑长期、高频率使用手机，会

16、造成正常脑的支持细胞的支持细胞胶质细胞胶质细胞DNADNA分子链的分子链的 电离损害，导致电离损害，导致DNADNA碱基分子链的断裂，碱基分子链的断裂，引起细胞的癌变引起细胞的癌变 利用光子晶体可以抑制某种频率的微波传播的原理，可以在手机的天线部位制造维播放护罩，从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用户的头部。这种技术目前还没有成熟，但是至少有一个美好的前景。电子计算机技术中的应用电子计算机技术中的应用-CPU-CPU 自从自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月月翻一番的速度增长，然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在

17、以后的几翻一番的速度增长，然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。 要提高要提高CPU速度，也就是缩短速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，就必须减少电信完成指令的时间，就必须减少电信号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃惊人，很有

18、可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。目前所遇的困难 假若用光线来代替电子传递信号，则可以让生产百亿Hz（1012 Hz）的个人电脑成为可能。这种高速的处理器可以用“光子晶体”（quasicrystal）的物质所产生的光成分实现。这些材料均具有高度的周期性结构，这种周期性可以用来控制和操纵光波的产生和传播。 目前人们是依靠电子来实现微电子技术革命，今后则将依靠光子来继续这场革命，这就需要能捕获和控制光传播方式的光子晶体之类的新材料。而光子晶体正是可以胜任这种工作的材料解决方法整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图电子计

19、算机技术中的应用电子计算机技术中的应用-CPU-CPU电子计算机技术中的应用电子计算机技术中的应用-光纤光纤 不同波长的光穿过光纤纤芯的速度也不同。考虑长距传输时，在信号中就将出现时间延迟，所以信号就需要在不同的波长编码。光纤 纤芯越粗延迟越厉害，通过这样的纤维的一个光脉冲变宽，必将限制能精确接收的数据率。传统光纤的缺点 解决的方法还有一种就是采用单模光纤，即尽量减少光纤纤芯的直径，从而可以只允许一个模式的光路通过，从而避免上述问题。但同时成本将大大提高。光子晶体光纤 光子晶体带隙保证了能量基本无损失，而且不会出现延迟等现象。英国Bath 大学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤：由几百个

20、传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后烧结从而形成蜂窝结构亚微米空气孔。引入额外空气孔做为导光通道，可导波的范围很大，从而增加数据传输量。如图是目前英国斯温如图是目前英国斯温顿顿Bath大学的实验性大学的实验性光子晶体光纤实物图光子晶体光纤实物图和传输效果图。和传输效果图。光子晶体光纤光子晶体光纤(a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤l利用包层对一定利用包层对一定波长的光形成光子波长的光形成光子能隙，光波只能在能隙，光波只能在芯层形成的缺陷中芯层形成的缺陷中存在和传播存在和传播。l能量传输基本无能量传输基本无损失，也不会出现损失，也不会出现延迟等影响数据传延迟等影响数

21、据传输率的现象。输率的现象。l光子晶体制成的光子晶体制成的光纤具有极宽的传光纤具有极宽的传输频带，可全波段输频带，可全波段传输传输。传统激光器的缺点发射波长的变化会改变传输损耗耦合效率不高辐射角比较大 随功率的增加线宽趋于饱和， 并重新展宽光电元件中的应用光电元件中的应用-低阈值激光发射器低阈值激光发射器光电元件中的应用光电元件中的应用-低阈值激光发射器低阈值激光发射器 但如果在一块三维光子晶体的光子禁带中引入缺陷，然后在其中放置工作物质，缺陷态将构成一个波导，激光发出的方向将沿此方向，同样自发辐射也只能沿此方向，即自发辐射与激光出射方向角几乎为零。这样几乎所有的自发辐射都用来激发已实现反转分

22、布的激活介质而无其他损失。泵浦的能量几乎全部用来产生激光， 这使激光器阈值降低，并且提高了能量转换效率。这种激光器体积小、 阈值低， 功率高、 易于光纤耦合， 且可在小区域密集分布的。出现在能隙中的缺陷态出现在能隙中的缺陷态光电元件中的应用光电元件中的应用-低阈值激光发射器低阈值激光发射器光子晶体激光器顶部和剖面示意图 1 9 9 9年， 美国加州理工学院谢勒( AS c h e r e r ) 领导的研究组首次报道了可在室温下工作且运转在 1 5 5 0纳米的光子晶体激光器。光电元件中的应用光子晶体波导光子晶体波导 传统的微波波导是基传统的微波波导是基 于全反射及共振腔于全反射及共振腔原理制

23、作的，原理制作的， 光学波导如光纤是基于全内反射光学波导如光纤是基于全内反射原理制作的。光子晶体波导则是利用了缺陷态原理制作的。光子晶体波导则是利用了缺陷态的导波效应。的导波效应。 完全周期结构的半导体光子晶体完全周期结构的半导体光子晶体存在完全带隙。在周期结构存在完全带隙。在周期结构 中如果引入一线状中如果引入一线状缺缺 陷，陷， 则会在带隙中引入缺陷模，则会在带隙中引入缺陷模， 它意味着它意味着在晶体的特定方向上，具有缺陷模频率的光能在晶体的特定方向上，具有缺陷模频率的光能通过光子晶体，在别的方向上由于带隙的存在通过光子晶体，在别的方向上由于带隙的存在则是禁戒的则是禁戒的，这就形成了光子晶

24、体波导这就形成了光子晶体波导。 在一般的光纤波导 中，当波导拐弯时全内反射的条件不再有效 ，因此会漏掉部分光波能量，使传输效率降低。而光子晶体弯波导中，所利用的是不同方向缺陷模共振 匹配原理。原则上只要达到模式 匹配 ，不管拐多大弯 ，都能达到很高的传输效率。上图为光子晶体波导的低损耗传输示意图。弯曲效应在全光集成系统中很有应用价值 。 光子晶体波导的低损耗传输示意图在波导中的应用平面波导结构光子晶体结构+全内反射目的：避免在垂直方向光泄漏(a)(b)(c)光电元件中的应用光子晶体滤波器 光子晶体窄带滤波原理 光子晶体有光子频率禁带， 频率在禁带区内光子是不能在光子晶体中存在的。因此， 一块光

25、子晶体就是一个自然的理想带阻滤波器( 右图 ) 。 利用光子晶体的带隙特点可以实现对光波优良的滤波性能。光子晶体的滤波带宽可以做得很大 ， 目前能实现从低频 ( 几乎为 0 H z ) 直到红外的宽带滤波。这种大范围的滤波作用利用传统 的滤波器是难以实现的。channel drop光子晶体滤波器 光通信中的一个重要部件就是channel drop滤波器。这种结构是通过在一块具有二维 的光子晶体平板中引入单点缺陷来实现的。频率为 的光可以被分离出来，转移到其他 的波导中，而其他频率的光将不会受任何影响。 光子晶体有很多传统的光滤波器不具备的特和优点。它的滤波性能远优于普通的光滤波片 ，其阻带区对

26、透过光的抑制可以容易地达到30dB以下， 而且光子晶体滤波器的带阻边沿的陡峭度可以容易做到接近于90度。另外，光子晶体对通过波段的光波损耗非常小。光电元件中的应用光子晶体滤波器 光子晶体发光二极管 一般的发光二极管发光中心发出的光经过周围介质的无数次的反射 ，大部分光不能有效地耦合出去， 二极管的光辐射效率很低 。如果将发光二极管的发光中心置入一块特制的光子晶体中，并使得该发光中心 的自发辐射频率与该光子晶体 的光子禁带重合 ，则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中，而只能沿着特定设计的方向辐射并传导出去。实验表明，采用光子晶体后 ，发光二极管的效率会从目前的1 0左右提高到 9 0 以

27、上 。 光子晶体LED左边是传统的 LED结构，可以看到它的全反射，现有的 LED临界度是比较小的，相对的，光子晶体蓝色 LED所设计出来的 LED，由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以可进入临界角投射到外面，改善过去 LED的光会全部反射的问题。 日本松下电器第一个将光子晶体运用导入蓝色LED在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。光子晶体 LED的效率比一般的 LED高出 50。(a) top xiew of PhC blue LED(b)Cross-section view of 2-D PhC光电元件中的应用光子晶体光子晶体

28、谐振腔谐振腔 微谐振腔的制作对光集成有着重要的意义， 近年来受到了广泛 的关注 。但由于其尺寸特别小 ，用传统的谐振腔制作方法来制造微谐振腔是相当困难的。而且在光波波段 ，传统的金属谐振腔的损耗相 当大，品质因数值很小。而利用已有的光子 晶体加工这种微腔很容易实现 ，且其品质因数可以做得很高。在光子晶体中设计制作一个点缺陷 ，这个点缺陷所对应的角频率处就会出现很大的模密度 ， 随模密度的不断增加 ，自发辐射将显著增加 ，这样就能实现品质因数很高的谐振腔。而这是采用其它材料制作的谐振腔所无法达到的。两种微腔结构的扫描电子显微图像光电元件中的应用高性能反射镜 利用光子晶体光子禁带的特性可以制造高品质的反利用光子晶体光子禁带的特性可以制造高品质的反射镜射镜 。在短波长区域。在短波长区域 ，金属对光波的吸收损耗很大，金属对光波的吸收损耗很大 ，而介质则对光波的而介质则对光波的 吸收损耗非常小吸收损耗非常小 ，因此用介质材料制，因此用介质材料制成的光子晶体反射镜具有极小的损耗成的光子晶体反射镜具有极小的损耗 。 另外另外 ，由于金属的趋肤效率，由于金属的趋肤效率 ，金属吸收的光集，金属吸收的光集 中中于极薄的表层内，表层温度变得很高于极薄的表层内，表层温度变得很高 ，容易造成金属反，容易造成金属反射镜射镜