光子晶体研究进展

光子晶体研究进展第1页/共44页信息技术革命标志：半导体技术趋势：微型化和高度集成化限制：纳米尺度的量子效应摩尔定律：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，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。

第2页/共44页光子相比电子的优点光子

电子传播速度

108m/s104-105m/s数据传播速率光子远远大于电子载体带宽

1012Hz105Hz载流子相互作用弱强第3页/共44页操控电子的流动ICSemiconductorlaser...我们能否控制光子的流动？半导体-电子的晶体导带价带杂质态禁带第4页/共44页电子能带原子势场的周期排列单原子势场能级Ek能带第5页/共44页GLXGeGLXSiEgEg[111][100][111][100]Electronicbandstructures第6页/共44页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？第7页/共44页InhibitedSpontaneousEmissioninSolid-StatePhysicsandElectronics

Thespontaneousemissionbyatomsisnotnecessarilyafixedandimmutablepropertyofthecouplingbetweenmatterandspace,butthatitcanbecontrolledbymodificationofthepropertiesoftheradiationfield.Ifathreedimensionalperiodicdielectricstructurehasanelectromagneticbandgapwhichoverlapstheelectronicbandgap,thenspontaneousemissioncanberigorouslyforbidden.

PhysicalReviewLetters,58,2059(1987)EliYablonowitch

第8页/共44页StrongLocalizationofPhotonsinCertainDisorderedDielectricSuperlattices

StrongAndersonlocalizationofphotonsmayoccurincertaindisorderedsuperlatticemicrostructuresofsufficientlyhighdielectriccontrast.Inthreedimension,twophotonmobilityedgesseparatehigh-andlowfrequencyextendedstatesfromanintermediate-frequency

pseudo-gapoflocalizedstatesarisingfromremnantgeometricBraggresonances.PhysicalReviewLetters,58,2486(1987)SajeevJohn

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自1987年光子晶体的概念被提出后，光子晶体的发展与应用逐渐受到重视，其学术论文数量增加的速度约每2年成长一倍，藉由操纵电子的能力，半导体已经促成通讯及计算机上的工业革命，正如半导体操控电子般操控光子，然而是以光的速度。

因此，光子晶体也被称为光子半导体。光子晶体学术论文数量成长图

美国《Science》杂志在98年底预计对人类产生重大影响的六大研究方向之一有光子晶体（其余为衰老、对付生化武器、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向）。第10页/共44页

在光电子领域中我们通常希望藉由物质改变光的行为，偏振光、电激发光、光学导波，而达到对光的应用，如液晶显示器、发光二极管、光纤通讯等。而大部分的这些特性都是以改变物质分子尺度内在物理或者化学结构达成，但光波在物质中的电磁特性也可以藉由在波长尺度上(100nm~1mm)特定的物理结构加以改变。相对于电子在半导体晶体的特性，在这种光子晶体中，也可以制造出一种光子能隙，使具有特征波长的光子无法在此晶体中传播，形成一种光子的绝缘体。在目前电子工业因为速度与容量关系愈来愈需要使用光波器组件，这种光子晶体在制造光波组件上可能有很大的应用范围，被视为是相当崭新且重要的新一代光电材料。

光子晶体简介第11页/共44页

光子晶体是由2种或者2种以上不同折射率(或介电常数)的介电材料，在空间上做周期性变化的微结构。依照它在空间上周期性分布的维度，可分一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体，如下图：3种不同维度光子晶体示意图第12页/共44页光子晶体的物理特性光子禁带：电磁波受周期性势场的调制而形成能带，能带之间可能出现带隙，即光子带隙或光子禁带。光子局域：如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率吻合的光子就会被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处光将迅速衰减。第13页/共44页光子晶体和半导体特性的对比光子晶体半导体结构不同介电常数介质的周期性分布周期性场的分布研究对象电磁波（光）在晶体中的传播光子（玻色子）电子的输运电子（费米子）满足的本征方程本征矢电场强度，磁场强度：矢量波函数：标量特征光子禁带在缺陷处的局域模式能带缺陷态尺度电磁波（光波长）原子尺寸材料特性第14页/共44页透明金属(transparentmetals)结构一维光子晶体结构图通常是由薄金属膜与厚的介质膜交替构成构成的一维光子晶体第15页/共44页透明金属(transparentmetals)结构EachMgF2layer:

110nmthick通常是由薄金属膜与厚的介质膜交替构成构成的一维光子晶体EachMgF2layer:140nmthick第16页/共44页一维全向反射镜一维光子晶体结构图一维光子晶体是由两种不同折射率的材料在一个方向上交替排列而成的周期结构。Science282,1679(1998)第17页/共44页Heterostructure-basedopticalabsorbers56.97nm第18页/共44页Heterostructure-basedopticalabsorbers56.97nm第19页/共44页光子晶体光纤(photoniccrystalfiber,PCF)的导光机制反射定理：入射角等于反射角折射定理：在传播中是常量传播常量决定光在光纤中是传播还是消逝传播

消逝光子晶体光纤的基本理论第20页/共44页

金属同轴光缆传统光纤介质波导全内反射原理

TIR-PCF光子晶体光纤

PBG-PCF光子带隙效应导光原理Bragg反射光子带隙导光机制抑制共振光子带隙导光机制第21页/共44页三、光子晶体光纤的设计方法全内反射导光型PCF光子带隙效应导光型PCF全内反射和光子带隙联合导光型PCF第22页/共44页全内反射导光型PCF

全内反射导光型PCF也被称为折射率引导型PCF，其导光机制是和普通的阶跃光纤类似的全内反射。特性：无休止单模传输低损耗零色散可调第23页/共44页光子带隙效应导光型PCF二维光子带隙导光型PCF蜂窝型PBG-PCF空芯PBG-PCF全实芯PBG-PCF第24页/共44页准一维光子带隙导光型PCF

——全向波导(Omniguide，OG)或Bragg光纤第25页/共44页光子晶体光纤损耗的研究进展弯曲损耗

PCF的弯曲损耗随填充比的增大而减小，随弯曲半径的增大而减小，并且PCF在弯曲超过临界半径时损耗会明显增大。临界半径与光纤结构参量的关系

PBG-PCF与传统单模光纤(SingleModeFiber，SMF)弯曲损耗的比较。

TIR-PCF(多模光子晶体光纤)与传统的多模光纤(MultimodeFiber，MMF)弯曲损耗的比较

说明PCF具有很好的抗弯曲损耗的能力。第26页/共44页传输损耗报道时间折射率引导型光子晶体光纤最低损耗（dB/km）光子帶隙型光子晶体光纤最低损耗（dB/km）199950（英国南安普顿大学）20020.58（英国BlazePhotonics公司）13（美国康宁公司）20030.37（NTT公司）20041.72（英国BlazePhotonics公司）20050.28（NTT公司）1.2（英国BlazePhotonics公司）20070.18（NTT公司）

目前最好的纯硅芯光纤的最低损耗为0.148dB/km.TIR-PCF和PBG-PCF损耗的研究进展

全内反射导光型光子晶体光纤损耗降低趋势

第27页/共44页自然中的结构色结构色，可以从字面上理解，是由于物理结构而产生的颜色，是一种永恒的颜色。自然中的结构色

导致生物结构色的是一种被称为光子晶体的微结构。第28页/共44页蝴蝶结构色研究进展紫斑环蝶是我国云南常见的蝶类，其前翅边沿有闪亮的蓝色，蓝色就是一种结构色鳞片的整体排列井然有序，每个鳞片的上表面都有平行的脊脉结构第29页/共44页鳞片横截面结构

每个脊脉包含5～6个壳质薄片层，彼此由空气层隔开。每个周期由一壳质层和空气层组成第30页/共44页一维光子晶体模型和显色机理整个鳞片的模型可以简化成一维光子晶体结构，即由两种各向同性介质交替组成的周期性结构，其中一层是壳质层，另外一层是等效空气层的各向同性介质层。一维光子晶体的禁带结构和反射谱第31页/共44页孔雀羽毛结构色的研究进展孔雀尾羽上眼斑部分具有随不同观察角度颜色发生变化的特点，并且颜色艳丽明亮，长久不褪色。这也是一种由结构导致的颜色第32页/共44页孔雀尾羽的显色机理

羽毛的结构示意图绿色小羽支的光学显微镜照片第33页/共44页孔雀尾羽微结构小羽支剖面电镜照片小羽支横截面SEM电镜照片第34页/共44页结构色应用举例1制作防伪纸币2人工合成光子晶体，制作仿生光子化妆品3制作隐身材料第35页/共44页半导体~光子晶体半导体光子晶体1930年代电子能带论（电子带隙）1987年光子能带（光子带隙）1948年发明晶体管1991年实验验证1990年代原型器件1958年发明集成电路目前探索集成光路1960年代以后微电子革命21世纪光子技术革命光半导体未来的半导体NobelNobelNobel?第36页/共44页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第37页/共44页我国研究情况单位：香港科技大学、中山大学、复旦大学、同济大学、南京大学、东南大学、浙江大学、武汉大学、南开大学、中科院物理所和半导体所、清华大学、北京大学等。举例：国家自然科学基金委将左手材料和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南：

在数理部和工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一；在数理部和信息科学部联合的“周期和非周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究”列为主要探索内容之一