光子晶体_一种新型人工带隙材料

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net · 材料导报 年 月 第 卷专辑 光子晶体 —一种新型人工带隙材料 ‘ 石 建平 陈旭南 张 小玉 张 磊 安 卫 军 秦 涛 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室 , 成都 摘要 光子 晶体是近十 年来 才发展起来 的存在 光 子禁带的 一 种新 型 人工材料 , 具有操控 光 子行 为 的独特 能 力 , 在 众 多领域有着广 泛的 用 途 。 介绍 了光 子 晶体 的结 构特征 , 分析 了光 子 带隙 产 生 的物理机理 , 着重介绍 了光子 晶体材 料 中存在 的新现象及其应 用 。 关键词 光子晶体 光子禁带 原理 , , , , , , , , 引言 随着通信技术的飞速发展已经让人们的生活发生了翻天覆 地的变化 , 人们充分享受着信息传输的高速度 、 高效率和高保真 度 , 手机和互联网已经成为生活中不可或缺的重要组成部分 , 这 所有的一切都得益于半导体集成工艺的迅猛发展 。 然而集成电 路是依靠缩小其特征尺寸 、提高集成度来提高其性能的 。 在微电 子学 中有一个著名的摩尔定律 , 该定律指出集成电路芯片集成 度每 个月翻一番 , 或者说器件尺寸每三年缩小 、 倍 技术整体更新一代 。 科学家们预见 , 到 。年集成电路的特征 尺寸将达到它的极限 。 微米 , 因而这将逐渐制约着信息技 术的迅速发展 , 这就是人们常说的“ 电子瓶颈 ” 。 如何解决这一问 题成了科研领域的热点课题 。 电子瓶颈的出现 , 根本原因就在于 集成电路中信息的载体是电子 , 而 电子是费米子 , 带电量 , 故存 在库仑力 , 因此集成度过高时 , 电子之间互相影响 , 产生热效应 , 从而大大降低集成电路的性能 。 如果用光子作为信息的载体则 不存在上述问题 , 而且光子 比电子具有更大的容量 、 更高的速 度 、 更好的保密性 、 更强的抗干扰性能川 。 那么是否存在这样一 种材料 , 可以类似于半导体材料控制电子一样地控制光子的运 动行为呢 回答是肯定的 , 光子晶体就是这样一种新型材料 。 光子晶体的结构特征 年 , · , 」和 〔‘ 首先指出如果我们 制造出具有与电磁波波长相当尺度下的周期排列的介质 , 则类 似于 电子在半导体中受原子周期势场作用将出现禁带一样 , 光 子也将出现带隙结构 , 这种人工材料就被 称着光子晶体 。 光子晶体典型的结构特征就是周期性 , 依据空 间拓扑结构 方式 , 可 以 分为三大类 一维光子晶体 、 二维光子晶体和三维光 子晶体 。 一维光子晶体是由介电常数不同的两种介质交互重叠 而成 , 这种结构实际上 已经被研究很多年 , 并且 已经广泛应用在 各种光学系统上 , 比如布拉格反射镜 , 就是一种四分之一波长的 一维光子晶体 。二维光子晶体是由介质柱周期排列而成 , 三维光 子晶体由球形或六面体形晶胞按面心立方 、 体心立方或其他方 式排列而成 。 图 给出了几种典型的光子晶体结构示意图 。 图 几种典型光子晶体示惫图 光子晶体的独特性能及物理机理 在光 电子领域中我们通常希望藉助物质改变光的行为 , 偏 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 。 大部分的这些特性都是以改变物质分子 尺度内在化学结构达成 , 但光子晶体却是通过其独特的光子禁 带来改变光的行为 , 频率处于禁带内的光子将无法传播 , 就像电 子在半导体禁带中受束缚一样 。 光子禁带存在的物理机理是基 于固体物理的 理论 。 众所周知 , 在半导体中 , 电子的波 数遵循薛定鄂方程 二 基金项 目 中科院知识 创新工程 。。。 、 中科院光电技术研 究所所长基金资助 石建平 年生 , 男 , 博士生 一 一 卜 一 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 光子 晶体 —一种新型人工带 材料 石 建平等 肠 洲 一二乙” 由于势函数 的周期性 , 根据 原理 , 在布里渊区 的边缘将出现能隙 , 如图 所示 。 而在光子晶体中传播的电 磁波遵循 方程 , 在无源区的情况下 , 满足 方 程 切痴十二 二 痴 茸。 痴 一茸 。。 痴‘ 图 电子带除示意圈 光子带傲示意田 为方便与 式比较 , 把周期性介电常数 。 写成其平均值 ‘ 和一周期函数 。‘ 之和 , 即 。 与 。‘ 。 由 」 式和 式可以看出 , 两式在数学结构上极为相似 , 只不过 为向 方程且多出一项甲 甲 · , 光子晶体的周期性介电常数 已 所起的作用与半导体中原子的势函数 类似 如果仅考 虑一维或垂直入射等简单情况 , 甲 甲 · 恰好为零 , 式 就转化成了与 式完全一致的标量方程 。 于是根据 原 理 , 可以计算得到光子晶体的能隙结构 , 如图 所示 。 不过 , 需要指出的是光子与电子毕竟有很多不同之处 , 比如 电子是费米子 , 光子是玻色子 电子带电量 , 光子是电中性的 电 子波函数满足薛定鄂方程 标量 , 光子满足 方程 矢 量 等等 , 所以完全借助于固体能带理论来计算光子晶体的能带 结构是行不通的 , 必须研究适合光子本身特点的计算方法才能 计算出正确的光子晶体能带 。 目前主要有三种常用方法 平面波 展开法 、传输矩阵法和有限时域差分法 , 最近又有研究人员提出 采用有限元法来计算 。这些计算方法都有其适用范围 , 本文不一 一赘述 。 光子晶体中的新现象及应用 光子禁带的存在是光子晶体的一个极其重要的物理性质 , 正是由于光子禁带的存在 , 光子晶体才出现了很多令人感兴趣 的新现象 , 比如光子安德生局域化 、异常兰姆位移 、 超折射效应 以及自发辐射的控制等等 。 其中对 自发辐射的控制由于在学术 及应用上皆有重要价值 , 格外引人注意 , 这也是 提出光子 晶体这一概念的初衷 。 在光子晶体禁带中 , 光是不能传播的 , 因 此如果让自发辐射的光子频率位于适当设计的禁带中 , 则 自发 辐射就会被抑制 。 而 自发辐射是引起半导体激光器阂值电流升 高的主要原因 , 所以利用光子晶体可以大大降低半导体激光器 的阐值电流 , 提高半导体激光器效率 。 光子晶体的应用研究目前的热点是对光子晶体缺陷态的研 究 。 所谓光子晶体缺陷态是指在光子晶体的周期性拓扑结构中 引入缺陷 点缺陷或线缺陷 , 打破其周期性 , 这样在禁带中就引 入了导带 , 电磁波将被局域在导带内 缺陷 传播 , 从而实现了对 光子的运动行为的控制 。 如果引入点缺陷就可以形成高 值的 共振腔 , 在滤波器 、 激光器的制作中有着广泛的用途 如果引入 线缺陷 , 则形成了性能极为优良的光波导 , 比如损耗极低 、体积 小 、易集成 、 可以在基本无损耗的情况下实现光波的大角度弯 曲 。传统光学波导由于对光的束缚能力弱 , 即使在仅有 的弯曲 下 , 一般光场也会有超过一半的辐射损失 , 要实现 “ 的弯曲几 乎是不可能的 。 光波难以弯曲 , 意味着光学组件集成化的困难 , 因此光子晶体的出现将成为推动集成光学研究的强劲动力 。 目 前 己有少量光子 晶体波导和光子 晶体光纤的试验型产品 出 现 。 另外 , 光子晶体还为如何解决光通信网中的“ 电子瓶颈 ”问 题 , 实现全光网络提供了全新的思路和技术 卜习 。 这是因为光子 晶体可以操控光子的运动行为 , 完全有可能在光内络节点处实 现光 光交换 , 避免由于光 电 、 电 光交换的速率低而造成光网 络带宽的巨大浪费 。 光子晶体的另一个重要应用是在微波天线方面 。 微波天线 在军事及民用方面都有很多可以发挥的领域 。 如卫星电视 、雷达 探测等等都要广泛利用 。 然而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 , 这样就导致大量的能量被天线基底 所吸收 , 因而效率很低 , 同时造成基底的发热 。 如果用光子晶体 材料作基底 , 并将微波波段设计在光子晶体的禁带中 , 则基底不 会吸收徽波 , 这就实现了无损耗全反射 , 极大降低了天线的损 耗 。 同样的机理还可以用在手机的辐射防护上 。 光子晶体还可以用在诸如频率选择反射镜 、分辨力极高的 超梭镜 、撅率范围很大的光子晶体偏振器 、带通滤波器 、 光限幅 、 光开关等众多方面 展望 有人曾预言 , 。世纪是电子的时代 , 世纪将是光子时代 。 光子晶体这种新型的人工带吹材料 , 凭借其独特而有效的操控 光子的能力让人们看到了光子时代早日到来的咯光 高速度 、大 容盘 、密集成的全光通信网是人们不懈追求的目标 , 光子晶体很 有希望在这一领城取得突破性成果 。 像集成电路一样的集成光 路 , 实现光子系统的芯片化 伽 衍 , 更进一 步实现主预高达成百上千 的超高速光子计算机 , 这一直是科 研工作者的美好梦想 , 然而随 , 光子晶体的间世 , 这一梦想似乎 己经不再遥远 。 有理由相信 , 随粉研究的深入 , 一定会在更多的 领域领略到光子晶体的独特魅力 , 让我们拭目以待吧 。 参考文献 , 辞 , 钾 · , 云 · , , 徐少辉 、顶训民 、资剑 , 等 电子体系与光子体系 物理 , , 外 , , 之 , , 跳 讯 , , , , , · , 一 耐 决 压 过 , , 挽 以 城 邢 · , , 叮 , 。犷 , 块 · 玲 , , , , Administrator 线条 Administrator 附注 什么是Bloch原理？ Bloch Theorem：布洛赫定理 Administrator 附注 Helmholtz方程？ Helmholtz function：赫姆霍兹方程 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条