光学材料—光电子材料.doc

新型光学材料—光电子材料 第4卷第11期 2002年11月 电手元器件壶硐 ElectronicComponentamp;DeviceApplications ,7o1.4No.1l November2002 新型光学材料——光电子材料 张臣 (中国电子材料行业协会,天津300192) 摘要:介绍一微,二微和三微光子晶体的国内外必威体育精装版研究进展和应用前景,提出光子晶体的未 来发展趋势. 关键词:光子晶体;光子带隙;掺杂 NewOpticsMaterial——Ph0t0electricMaterial ZHANGChen Abstract:Thenewdevelopmentandapplicationforegroundof1一D,2-Dand3-Dphotoncrystalathomeandaboardarein— troduced,andfuturedevelopmenttrendforphotoncrystalisbroughtforward. Keywords:Photoncrystal;Photonbandgap;Adulterate 中图分类号:TN204文献标识码:A文章编号:1563—4795(2002)l1—0055—04 1引言 在当今以IT产业迅猛发展为特征的信息时代, 光子成为继电子之后的信息的主要载体.以光子作为 信息载体不仅响应速度快,而且信息容量大.电子通 信载频最高只有10”Hz,而光子的载频却达10”Hz. 有人认为电子主宰计算机,光子主宰通信.光子材料 是指利用光子或光互相作用来实现信息产生,传输, 存储,显示,探测及处理的材料.它包括激光晶体,红 外材料,液晶,非线性光学材料,光子晶体及光纤材料 等.光子晶体是1991年发现的新型光学材料,其概念 来源于固体物理中周期结构思想及电动力学中的电 磁场理论.光子晶体是一种介质或金属材料在空间呈 周期性排列并能自由控制光的人造晶体.光子晶体内 部的光学折射率呈周期性分布,由材料的折射率反差 形成光子带隙.由于光子的波长与其能量成反比,这 种具有周期性排列结构的电介质或金属将阻挡波长 处于光子带隙内的光,而允许其它波长的光自由通 过.可以通过掺杂来控制光子晶体能带的位置,宽度 及带隙中掺杂模式的形成.由此可见,光子晶体是以 类似于半导体的方法来处理光子,半导体的晶体结构 收稿日期:2002—10—18 @ 控制电荷流,禁止电子在规定的能量范围内通行;而 对光子晶体来说,光的能量若与其能带相容则呈导通 性,若不相容则呈绝缘性.光子晶体之所以能引起人 们的极大关注,主要在于这种晶体具有超透镜效应, 超棱镜效应,复折射,绝缘性,弯曲性等特性.利用它 的这些特性,可制作尺寸很小,功能很强的光子器 件.利用它的光子带隙,可改善远距离光学信号的传 送,从而提高互联网的信息处理速度.对光子晶体特 性的控制方法要比对半导体特性的控制方法多得多, 而且光子晶体的制造工艺容易掌握,工序少,设备简 单,成品率高.因此,光子晶体具有广阔的发展前景. 组成光子晶体的材料有三类,即半导体材料,介质材 料和有机聚合物材料;就其分类来讲,可分为一维光 子晶体,二维光子晶体和三维光子晶体. 1一维光子晶体 自1987年Yablonovitch和John分别提出光子晶 体和光子能带结构的概念以来¨t21,光子晶体特别是 一 维光子晶体的理论研究及其应用得到了迅速发 展.一维光子晶体是由不同介质材料构成的,且只在 一 个方向上具有光子带隙,并呈周期性排列的结构, 其光子带隙的表现形式是对位于带隙内的入射电磁 波,无论是偏振状态还是入射角度都可以实现全部反 第4卷第11期 2002年11月 电子元器件主用 ElectronicComponentamp;DeviceApplications Vo1.4No.1l November2002 射.在一维光子晶体中存在类似三维的全向能隙结构 131 ,使其可能用于二维,三维光子器件的设计;一维光 子晶体中存在高增益的局域光场和显着的光延迟效 应,故可产生诸如高次谐波,光学双稳态等一系列非 线性效应;一维光子晶体具有优异的控制光模式和光 传输的能力,并且比二维,三维光子晶体易于制备因 此,一维光子晶体在光子晶体应用中占据重要地位. 由于一维光子晶体可以采用镀膜法等工艺制备,所以 具有设计简单,成本低,精度高的特点.目前仅有一维 光子晶体的晶格常数可以做到可见光波长量级.具有 周期结构的高反膜系是一维光子晶体的一个特例,可 以通过薄膜光学的方法来制备一维光子晶体.美国麻 省理工学院和国内的浙江大学,同济大学都开展了这 方面的研究工作.实验中大多用的是ZnSe和Na,A1F 两种材料.ZnSe和Na,AlF6的折射率分别为2.58 (O.633txm)和1.