光子晶体 贾林楠 SY1119113.pptVIP

一、光子晶体的研究历史 1987年美国Bell实验室的E．Yablonovit ch和普林斯顿大学的S．John分别在研究如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子领域时，各自独立提出的了 “光子晶体”(Photonic crystal，简称PC或PhC)的概念，这一概念的提出为材料学家、 电子工程师和物理学家带来了一个全新的激动人心的领域。 1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，之后物理界开始大举投入这方面的理论研究。 1997年美国麻省理工学院的研究者们完成了光子晶体波导和光子晶体微腔的制作。 1999年美国加州大学的研究人员研制成功第一个光子晶体激光器，并且预言随着技术的进步，可以用光子晶体波导连接成百上千个这样的激光器形成集成电路。 二、光子晶体的基本原理 在传统的晶体中，由于周期性排列的原子形成的周期性电势场对电子的布拉格散射，从而形成了电子的能带结构；能带与能带之间可能存在带隙。半导体正是利用了其能带结构中的带隙来有效地控制了电子的能态和传输行为。 而光子晶体是用介质制造的人工周期结构，构成介电常数在空间上的周期性分布。于是，电磁波在光子晶体中传播将因介电常数的周期变化而发生布拉格散射，进而导致光子的能带结构(Photonic band structure)的形成。光子晶体的能带结构特性决定了光子晶体具有不同于其它介电材料的独特性能。 光子晶体的结构 2、光子晶体的性质 光子晶体最显著的特性就是具有光子带隙 当光子晶体的周期性结构中存在缺陷时，在带隙中将出现缺陷模式(DefectedMode)，这也是光子晶体的又一重要特性。 三、光子晶体的制备方法 精密机械加工技术 胶体颗粒自组织法 逐层叠加法 1、精密机械加工技术 这种加工技术主要用于微波波段的光子晶体的制作。微波波段光子晶体的晶格常数一般在厘米至毫米量级，用精密机械加工技术比较容易实现。 2、原子自组织法 制作光学波段的光子晶体另外常用的技术是胶体颗粒的自组织生长 ,颗粒的大小一般为微米或亚微米。 3、逐层叠加法 逐层叠加法就是用多片二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体。 四、光子晶体的应用 微波天线 光子晶体光纤 低阈值激光发射器 高效发光二极管 光子晶体微谐振腔 光子晶体在微波天线中的应用 如针对某微波频段设计出需要的光子晶体，并让该光子晶体作为天线的基片。由于此微波波段落在光子晶体的禁带中，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。 光子晶体在光纤中的应用 光子晶体光纤是一种带有缺陷的二维光子晶体。它的传光方式主要有两种：一种是类似普通光纤的全内反射，使用高折射率的纤芯，周围的包层具有二维光子晶体结构，一般与纤芯是同种材料，如空气／硅微孔光纤；另一种是光子带隙传光机制，纤芯通常为空气孔，用光子晶体的带隙来禁止特定频率的光横向传播。 光子晶体在激光器中的应用 在激光器中引入光子晶体，可以实现低阈值激光振荡。由于光子晶体对于光子带隙范围内的光波具有抑制作用，所以当光子晶体的光子带隙频率与激光器工作物质的自发辐射频率相一致时，激光器的自发辐射就会被抑制，这样激光器中因自发辐射而引起的损耗将会大大降低，从而使激光振荡的阈值变得很低。 日本京都大学的Susumu Nodo工作小组制作的406nm电泵浦光子晶体面发射激光器（PCSEL） 光子晶体在二极管中的应用 实验表明，采用光子晶体的发光二极管发光效率会从传统发光二极管的10％左右提高到90％以上。另外，当采用只允许单一频率的光波穿透的光子晶体作为发光二极管的谐振腔时，该发光二极管将只能发出具有单一频率和良好相干性的类似激光的光波，而且发光效率也会大大提高。 光子晶体在微谐振腔中的应用