光子晶体发展.ppt

光子晶体发展
第1页，本讲稿共35页
一、光子晶体简介
二、光子晶体中的量子理论
三、光子晶体的发展历程
四、光子晶体的应用
五、光子晶体的发展前景
第2页，本讲稿共35页
信息技术革命
标志：半导体技术
趋合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。
1 光子带隙
在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的
第11页，本讲稿共35页
光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通信的一种关键性基础材料。
优点：
（一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。
一般的光纤波导中，波导拐弯时，全内反射条件不再有效．会漏掉部分光波能量，使传输效率降低。而光子晶体弯曲波导中，利用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。
第12页，本讲稿共35页
（二）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。
（三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。
第13页，本讲稿共35页
二、光子晶体中的量子理论
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：
第14页，本讲稿共35页
波的传播速度（相速）为：
第15页，本讲稿共35页
对于非均匀介质，尤其是其介电常数
是周期性变化时，有
第16页，本讲稿共35页
第17页，本讲稿共35页
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：
第18页，本讲稿共35页
光子晶体中的光子能带不同于半导体中的电子能带
第19页，本讲稿共35页
光子晶体制备方法
精密机械加工法
半导体微纳米制造法
胶体晶体自组装法
反蛋白石结构法
液晶全息法等
困难：制备足够小的周期性结构。
第20页，本讲稿共35页
Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251
半导体微纳米制造法
由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为一个重复单元，构成面心四方结构。d为每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示一个重复单元的尺寸。
Layer by layer method
Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059;
Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.
第21页，本讲稿共35页
Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238
当外加电场增大时，微球自组装形成体心立方，柱內是有序的晶体排列；進一步加上磁场后，內部的晶体结构发生变化，由体心四方结构转化为面心立方结构。由于小球只需微小的运动即可以造成结构的转换，故这种三维光子晶体的结构转换只需简单的变化外加磁场的相对強度即可达到。
磁场
包覆球截面的SEM照片
电场
体心立方
面心立方
结构可转换的三维光子晶体
第22页，本讲稿共35页
反蛋白结构法
以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向球形胶体颗粒的间隙填充高介电常数的材料，然后通过焙烧、化学腐蚀等方法将模板除去，得到三维周期性的反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立方的形式分布于高介电系数的介质中。如果基底为高介电系数材料的空气孔面心立方结构，在第八个和第九个光子能带间将会产生空隙。
第23页，本讲稿共35页
Alvaro Blanco et al Nature 405, 437–440; 2000
Milestone for photonic band-gap materials
第24页，本讲稿共35页
光子晶体的应用
微波天线
高效率低反射透镜
微谐振腔
高效率发光二极管和低阈值激光震荡
宽带带阻滤波器和极窄带滤波器
非线性光子器件和光子存储器
第25页，本讲稿共35页
三、光子晶体的应用
--光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤
空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤
第26页，本讲稿共35页
根据固体物理理论，电子在晶体中的运动可
视为一个电子在周期势场中的运动，由薛定谔方
程描述为
第27页，本讲稿共35页
PCF导光机理可以分为两类：
折射率导光机理
光子能隙导光机理
这里主要讲一下光子能隙导光机理：
在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体