光子晶体及其应用

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：105Hz光纤系统:

1015Hz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：internetera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（photoniccrystal）

是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带。

Whatisphotoniccrystal?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》1998Bestbets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：

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，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonicbandstructures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonicband-gapsystem，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photoniccrystals)。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→频率连续波导管→TE/TM型波→截止频率介电常数周期结构→？→能带？光子电子服从方程麦克斯韦（Maxwell）方程薛定谔方程对应波矢量波标量波自旋自旋为1的玻色子自旋为1/2的费米子相互作用没有很强

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，如右图性质电子晶体光子晶体声子晶体结构结晶体(自然或生长的)由两种(或以上)介电材料构成的周期性结构由两种(或以上)弹性材料构成的周期性结构调控对象电子的输运行为费米子电磁波的传播玻色子机械波的传播玻色子参量普适常数原子数各组元的介电常数各组元的质量密度，声波波度晶格常数1-5Å1m-1cm1mm-1m尺度原子尺度电磁波波长声波波长波德布罗意波(电子)电磁波(光子)机械波(声波)偏振自旋，横波横波与纵波的耦合波动方程薛定谔方程麦克斯韦方程弹性波波动方程特征电子禁带，缺陷态，表面态光子禁带，局域模式，表面态声子禁带，局域模式，表面态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(opal)。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，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。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bluegreenyellowbrown2003年ANDREWR.PARKER等发现一种澳洲昆士兰的东北部森林的甲虫（Pachyrhynchusargus），它的外壳分布有和蛋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的金属色泽。

这种栖息于大陆棚上﹐有着刺毛的低等海生无脊椎动物`海毛虫(seamouse)`具有引人瞩目的虹彩。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构造物,其具有与光子晶体光纤(photoniccrystalfiber)--一样的物理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且仅反射某些波长的色光﹐而发出鲜明色彩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(symmetry)之故，在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudogap)

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-centeredcubic,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。根据实验量得的透射频谱，所对应的三维能带结构右图所示：

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，Yablonovitch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(photonicinsulator)。第一个具有绝对能隙的光子晶体，及其经过特别设计的制作方式三.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.Linetal.,Nature394,251(1998)(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：分别为角频率和波数，它们与周期T和波长的关系为：二、光子晶体理论波的传播速度（相速）为：

对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变化时，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：光子晶体中的光子能带不同于半导体中的电子能带国际上激烈竞争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.微波领域中的应用

2.电子计算机技术中的应用

3.光电元件中的应用

4.其他方面应用微波领域中的应用—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1993年在美国研制成功Brownetal.,J.Opt.Soc.Am.B10,404(1993)微波波段光子晶体－1993年，美国研制反射率接近１００％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、但能量极强的电磁波发生器，其工作频率890MHz到965MHz，辐射出的电磁波对人体细胞具有极强的致畸作用。手机在使用过程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。长期、高频率使用手机，会造成正常脑的支持细胞——胶质细胞DNA分子链的电离损害，导致DNA碱基分子链的断裂，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--CPU

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18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以后的几年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。

要提高CPU速度，也就是缩短CPU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。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（1012Hz）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电子计算机技术中的应用--CPU电子计算机技术中的应用--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顿Bath大学的实验性光子晶体光纤实物图和传输效果图。返回光子晶体光纤(a)普通光纤,(b)-(c)光子晶体光纤利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在芯层形成的缺陷中存在和传播。能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输率的现象。光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。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--低阈值激光发射器光电元件中的应用--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光电元件中的应用--低阈值激光发射器光子晶体激光器顶部和剖面示意图

1999年，美国加州理工学院谢勒(A．Scherer)领导的研究组首次报道了可在室温下工作且运转在1550纳米的光子晶体激光器。光电元件中的应用—光子晶体波导

传统的微波波导是基于全反射及共振腔原理制作的，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的导波效应。完全周期结构的半导体光子晶体存在完全带隙。在周期结构中如果引入一线状缺陷，则会在带隙中引入缺陷模，它意味着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则是禁戒的，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0Hz)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。channeldrop光子晶体滤波器

光通信中的一个重要部件就是channeldrop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10左右提高到90以上。

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)topxiewofPhCblueLED(b)Cross-sectionviewof2-DPhC光电元件中的应用—光子晶体谐振腔

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射镜。在短波长区域，金属对光波的吸收损耗很大，而介质则对光波的吸收损耗非常小，因此用介质材料制成的光子晶体反射镜具有极小的损耗。

另外，由于金属的趋肤效率，金属吸收的光集中于极薄的表层内，表层温度变得很高，容易造成金