光子晶体及其器件的研究进展

深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩

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学号时间2016年12月

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子晶体及其器件的研究进展

摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由

于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。

关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势

Research progress of photonic crystals and devices

Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected.

Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend

1引言

在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。

目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得

无法想象。用光子晶体做成的光子集成芯片，可以像集成电路对电子的控制一样对光子进行控制，从而实现全光信息处理，在全光通信网、光量子信息、光子计算机等诸多研究领域有着诱人的应用前景。工作于可见光波段的光子晶体器件典型尺寸通常为微米、亚微米量级，却可实现导光、分光、滤光以及波分复用等很多功能，非常有利于光路集成。目前，电路芯片集成度已经逐渐受到“电子瓶颈”效应的限制，这是因为电子带电荷，相互之间存在库仑作用，互相干扰，产生热效应，因此集成度过高时将严重影响传输速度，而光子呈电中性，并具有高于电子好几个数量级的传播速度，不仅可以大幅提高集成度，还可以大幅提高信息传递速率。光子晶体器件还有一个突出优点：损耗极低且基本可以实现无损传输，这意味着可以节约大量的光中继放大设备，极大的降低建设成本，同时很多相应的通信技术难题如：光放大后的信号畸变问题、光传输中的电子瓶颈问题等也迎刃而解。光子晶体器件的研究已经引起国内外众多知名科研机构和公司的广泛重视，形成了包括材料学、物理学、化学、微细加工、电子工程、微电子等多学科交叉的研究热点[2]。

光子晶体的研究已经开展了多年, 纵观其发展历程, 研究领域主要集中在[3]:①完全禁带光子晶体结构的理论设计和计算;②光子晶体的制备;③光子晶体带隙所产生的物理效应和光波在光子晶体中的传播规律;④光子晶体中的非线性效应;

⑤利用光子晶体制备光子器件展开对光子晶体应用领域的探索。这5 个领域的发展相辅相成、互相促进, 而其中三维光子晶体能产生全方向的完全禁带, 相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带, 具有更普遍的实用性, 因此占据了光子晶体研究中很大的份额。

2 光子晶体

2.1光子晶体的定义

光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。依据不同的分类标准，可以将光子晶体分为不同的种类：按电磁波的波长不同，可分为微波光子晶体、红外波光子晶体、可见光子晶体等；按材料种类不同，可分为金属光子晶体、半导体光子晶体、氧化物光子晶体和聚合物光子晶体等；按用途不同，又可分为光子晶体微腔、光子晶体波导、光子晶体光纤和光子晶体激光器等；按折射率周期性变化的空间维度不同，则可分为一维（1D）光子晶体、二维（2D）和三维（3D）光子晶体，如图1所示。

图1 一维、二维和三维光子晶体示意图

2.1.1 光子晶体的基本特性

（1）光子带隙

在光子晶体中，由于折射率n存在空间上的周期性分布，光子的运动规律类似于周期性变化势场下晶体中电子的运动规律，在其中传播的光的色散曲线也会形成带状结构。在一定条件下，其带与带之间将会出现光子禁带。因此，对于存在光子禁带的光子晶体来说，不是所有频率的光都可在其中传播，相应于光子禁带的频率范围内的光不能透过光子晶体，会被完全地反射回去。如果在一定频率范围内，任何偏振与传播方向的光都被严格地禁止传播，则将这种光子禁带称为完整光子禁带，它是最有应用前景的光子晶体，这种现象也只有在三维光子晶体中才能出现[4]。

（2）光子局域

1987年John发现在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格中，光子呈现出很强的Anderson局域。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，就会在光子禁带中引入新的电磁波模式，与缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，这就是所谓的光子局域。一旦偏离缺陷处，光就迅速衰减。这种现象就是由光子局域的存在引起的，它主要是针对光子晶体缺陷而言的。若晶体原有的对称性被破坏，在光子晶体的禁带中就可能出现光子局域。

2.2 光子晶体器件的设计方法

光子晶体概念提出之初完全是基于固体物理中的能带理论，把光子晶体对光子的作用类比为半导体中原子点阵对电子的作用，因此像倒格矢、布里渊区、散射图等描述固体能带的概念也被用来描述光子晶体的禁带。实践证明，这种类比是十分有益的。然而此种理论仅仅把电磁场当成标量波处理，没有考虑其矢量特性，所以不够精确。于是90年代出现了平面波展开法(PWM)[5]，其基本原理是把周期变化的介电常数按傅里叶变换展开，再把电场矢量以布洛赫波展开，这样电磁场的双旋度方程就可以转化为求解久期方程的特征函数和特征值，从而可以通过数值计算方法求解。由于此种方法考虑了电磁场的矢量特征，所以计算结果与实验结果吻合较好，大大提高了光子晶体能带结构计算的精度，而且此种方法原

理简单，运算量较小，直到目前，它仍然是光子晶体器件设计主流方法之一。不过，PWM的前提条件是介电常数必须是周期变化的，周期性一旦破坏，计算误差就大大增加，因此用 PWM计算有缺陷存在的光子晶体器件的能带就存在一定的局限性。到90年代中期，有限时域差分法(FDTD)被引入了光子晶体研究领域。这种方法不需要介质结构周期性这一假设，基本原理是对Maxwell方程的两个旋度方程进行有限差分，然后加入周期性边界条件，从而得到离散的电磁场矩阵方程。二维光子晶体原胞做10x10的剖分就可满足精度要求，计算效率比PWM高。而且可以进行时域仿真，动态地显示光场的传播行为，因此这种方法的使用频率相当高。不过由于在三维情况下数据量急剧加大，将会出现数字结果不稳定，故而不能用作三维光子禁带结构的计算。后来，又有学者开始用有限元方法来求解光子带隙。有限元方法是求解数理边值问题的一种很重要的数值技术，在结构分析领域应用非常广泛，在计算电磁学中的应用已有30余年。这种方法的优点在于离散单元的形状可以是任意的，而且可以根据需要在同一模型中的不同区域选择不同的单元网格密度，其形成的系数矩阵是稀疏的，故求解效率相对FDTD而言要高，尤其是在三维情况下更是如此。不过这种方法的理论公式极为复杂，编程难度较大，目前在光子晶体器件的设计中应用最多的还是FDTD和PWM。

2.3光子晶体的研究器件的加工制作

一维光子晶体是周期排列的多层介质膜结构，因此它可以用传统的镀膜工艺加工完成，难度相对较低。二维和三维光子晶体的加工难度就大大增加了，主要表现在两个方面[6]：

1）晶胞单元尺寸小。目前研究的热点波段集中在近红外，也就是光通信波段，对应的光子晶体晶胞特征尺寸在亚微米数量级，已经接近甚至超过微细加工工艺目前的分辨率极限，加工难度可想而知。

2）形状的控制。对于二维就是刻蚀深度问题，即在保证刻蚀深度的前提下，如何提高侧壁陡直度，减少钻蚀。对于三维就是如何形成三维周期结构的问题，这是光子晶体制作中最难解决的一个问题。光子晶体的发明人Yablonovitch用钻孔的方法获得了微波波段的3D光子晶体，但这种方法用在可见光波段显然是行不通的，到目前为止,有关可见光波段的三维光子晶体制作方法有多种，如化学方法，物理方法，生物方法等。其中，一种是激光全息法[7]，三维光子晶体作为一种光子带隙材料,在光学器件、化学生物传感以及信息传输和存储等方面具有广泛的潜在应用价值。激光全息法制备光子晶体具有均匀性好、无缺陷、成本低廉等优点。分子自组装的方法[8]，一般步骤如下：

微球，既可以在实验室合成，也

1、合成胶体微球:单分散性好的PS或SiO

2

可商业购买.

2、自组装人工蛋白石：通过自组织生长，胶体微粒能够自发排列成有序结构，

即人工蛋白石结构。

3、人工晶体的烧结：烧结温度以略高于玻璃化转变温度为宜，烧结还可以增加球体颗粒之间的相互作用，而轻度熔解在球体表面会形成隘口，也提供了蛋白石力学稳定的条件。

4、充填高折射系数材料：在球体颗粒的空隙之间填入高折射系数的材料，常用的方法有：浸泡、过滤和化学气相沉积等方法。

5、去除模板：煅烧对移走聚合物等有机物模板有效，湿法浸蚀则对有机物和无机的模板移除都有效。

3 光子晶体的应用

光子晶体能够控制光在其中的传播，所有它的应用十分广泛。在光子晶体中引入一个点缺陷，可以制成高品质的谐振腔，这种谐振腔可以改变原子的自发辐射；在光子晶体中引入线缺陷，可以制成新型波导，这种波导无弯曲损耗。目前，光子晶体的应用主要体现在以下几个方面：

3.1光子晶体光纤

光子晶体光纤是研究最多也是发展最快的光子晶体器件。光子晶体光纤概念最初由Russell 等人于1991年提出的，其最初的设想包括两个关键点：不掺杂单一石英材料和利用光子带隙效应导光。1996 年，Russell和Knight等人首次制备了固态纤芯的光子晶体光纤。研究表明，这种光子晶体纤芯周围的包层不具有光子带隙，其应用原理仍与全反射原理相似。尽管未能实现利用光子带隙效应导光的设想，但证明了它可以使传输光损失明显降低。1997年他们又制备出了第1 根具有无截止单模特性的光子晶体光纤。1998 年，Knight终于成功制备出了第1 根真正意义上的光子带隙效应光子晶体光纤。1999 年Cregan 制备出第1根基于光子带隙效应的空气纤芯光子晶体光纤。随后，空气纤芯光子晶体光纤引起了大量科学工作者的关注。图2 是Jonathan D. Shephard 研究小组制作的空气纤芯光子晶体光纤[9]，即通过光子晶体光纤可以实现空气纤芯导光，大大降低在光传输过程中的能耗；其次，传统光纤在弯曲处往往会不能满足全反射角度条件而导致光线溢出，损失能量，而光子晶体光纤通过合理的设置，可以实现大角度的弯折。

光子晶体光纤除了具有降低能耗的优点外，还具有其它优于传统光纤的特性，诸如无截止单模、不同的色度色散、极好的非线性效应、双折射效应、较高的入射功率、易于实现多芯传输等等，相信这些优良特性会使其在未来的光通信领域有更为广阔的应用前景。

图2 空气纤芯光子晶体光纤SEM 像

3.2光子晶体滤波器

由于光子晶体存在光子带隙，如果光子的频率刚好落在光子晶体禁带内，该频率的光波将不能在该光子晶体中进行传播。因此光子晶体本身就是一个自然的带阻滤波器，如果在光子晶体中人为地引入一些缺陷，便可以达到窄带滤波的目的，因而光子晶体具有很好的滤波性能[10]。其相对于传统滤波器有显著优点: 其滤波性能异常优越，阻带区对透光的抑制甚至可以达到30 dB以上，并且光子晶体滤波器的带阻边沿的陡峭度可以接近90°。其次，由于光子晶体材料通常由对光波无损耗的介质做成，其对所通过波段的光波的损耗很小。目前，光子晶体滤波器的研究主要集中在以下几个方面:Si 材料光子晶体可调谐多径道滤波器、二维光子晶体信道分出滤波器、光子晶体调谐滤波器等。

3.3光子晶体波导

传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量，光子晶体波导可以改变这种情况。光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率，同时光子晶体波导还可以产生慢光效应。通过各种精密的制备手段在三维光子晶体中引入各种样式的缺陷，可以随意地低能耗地控制光线传输。在光子晶体波导中，光线具有如此高效的传播能力使得人们不得不对其另眼相看，因此对光子晶体波导的研究也成为光子晶体应用研究的一个主要领域。

3.4高性能反射镜

利用光子晶体光子禁带的特性可以制造高品质的反射镜。在短波长区域，金属对光波的吸收损耗很大，而介质则对光波的吸收损耗非常小，因此用介质材料制成的光子晶体反射镜具有极小的损耗。另外，由于金属的趋肤效率，金属吸

收的光集中于极薄的表层内，表层温度变得很高，容易造成金属反射镜的表层变形，使其质量严重下降。而由光子晶体制成的反射镜，由于它对光波的吸收分布在几个波长的范围内，所以因吸收光而产生的热量分布在较大的体积内，光子晶体反射面的温度升高值也就比金属反射镜的小很多，这样光子晶体反射镜的表面就不会被烧坏。但最近MIT研究人员的理论和实验表明，选择适当的介电材料，即使是一维光子晶体也可以作为全方位反射镜[11]，引起了很大的轰动。

3.5低阈值激光器

随着元器件尺寸的减小，传统的半导体激光器由于体积相对庞大，已经逐渐不能满足需要。由于光子晶体具有抑制自发辐射的功能，如果激光器半导体物质的辐射频率处于光子晶体光子带隙中时，就会抑制激光器的自发辐射。将带有波导缺陷的光子晶体引入激光器，如果缺陷形成的波导与激光器激光的出射方向成一定的角度，自发辐射的能量就会几乎全部用于激光的发射，从而很大程度地降低激光器的阈值。1999 年，Painter 等在二维光子晶体结构中引入一点缺陷形成一光能量阱，利用光线驱动激光器工作，从而实现了光驱动光子晶体激光器。2000 年，Zhou 研究小组制备了以电流驱动的光子晶体激光器，其驱动电流阈值仅为300 μA，产生了波长为931 nm 的激光。与传统的半导体激光器相比，光子晶体激光器具有低阈值、体积小、损耗小、模式易控制等优点。

3.6多功能传感器

除了光子器件方面的大量应用，光子晶体还被设计成传感器件[12]，用以探测温度变化、金属含量、ｐＨ值、离子强度、血糖浓度等。其主要工作原理在于：当所探测的物理量发生变化时，折射系数比值发生变化，光子晶体的带隙位置随之发生一定的偏移，通过与实验值对比,可得知该处化学物质的种类、浓度或其他方面的信息。光子晶体是一种新兴的功能材料，通过对光波的调制，光子晶体的光学禁带处于可见光波段，因而它的结构色能够被人眼观测到。当光子晶体与响应性材料结合后，在外界物理、化学刺激等的作用下会出现结构色的改变，这一特性使其广泛地应用于传感器中。一般地，根据制备原理和测定对象的不同，光子晶体传感器可分为生物、物理、化学传感器。比如，梁斌明等将光子晶体结构置于糖溶液中，用时域有限差分法分析发现浓度与输出功率呈接近线性的关系，且线性相关程度受介质柱半径常数的影响。该工作将光子晶体的负折射率特性应用于检测糖溶液浓度，设计了可实时探测糖溶液浓度的检测器。张爱华等在理想情况下以工作在特定波段的光子晶体温度传感器为研究对象，分析介质层的厚度误差对光子晶体温感特性、透射峰峰值以及灵敏度的影响，得出的结论是介质层的厚度误差不会影响透射峰峰值，光子晶体温度传感器的灵敏度也不会因此改变，

但是厚度误差的出现会改变透射峰的中心波长与光子带隙所在波段，导致光子晶体温度传感器的精确性降低。

多功能光子晶体传感器相对传统传感器而言，具有结构紧凑的优点，更有利于传感器的微型化和便携化，在未来的一段时间内光子晶体传感器将成为传感器技术领域的研究热点，进而有可能在物联网和生物医学等领域大显身手。这也对光子晶体传感器的重复使用率、器件灵敏度以及对环境参数的快速响应能力等提出了更高的要求。

3.7光子晶体结构色

光子晶体不仅可以应用于光学器件，也可以应用于我们的日常生活中。光子晶体是具有光子禁带的微结构，这种微结构对可见光有选择性，从而产生了光子晶体结构色，由于结构色具有高亮度、高饱和度、永不褪色等特性，所以光子晶体的结构色一直为人们所关注，很多学者都在尝试将这种结构色应用于纺织品行业，这也极大地拓宽了光子晶体的应用领域。付国栋[13]等借助重力自组装、垂直自组装等方法研究了纺织品表面的光子晶体结构生色，结合当前纺织品喷墨印花这种新兴染整技术，通过在纺织品表面局部、可控地施加胶体微球墨水以获得纺织品表面局部的光子晶体结构色。其成果有助于拓宽纺织品着色的方式，发展生态绿色、局部可控的纺织品光子晶体结构生色方法。同时，东南大学研制出光子晶体防伪油墨，这种新型油墨模仿了一种昆虫翅鳞的变色原理——其构成单元在遇到水蒸气时发生膨胀或者收缩，从而导致折射率发生变化，于是便可观察到颜色发生变化。研究团队通过模仿昆虫变色，选用了一种纳米颗粒制造出了光子晶体油墨，这种颗粒对水蒸气吸附能力强大。该技术在防伪领域有着可观的应用前景，若该技术应用于纸币，那么只需简单地吹一口气就可以很快地分辨出真伪。同时这项技术也揭示出光子晶体在显示器和可穿戴传感器等其他应用研究方面

的良好前景。

4光子晶体的发展趋势

尽管光子晶体的研究还处于起步阶段，光子晶体的制备还受制于半导体制备工艺，人为地引入特定缺陷的手段还比较单一，但相信随着现代制造工艺的发展，尤其是３Ｄ打印技术的日趋完善，光子晶体制备技术会越来越成熟，光子晶体

的设计也会得到很大的发展。光子晶体在传感器上的应用，使其有可能应用于无线传感网络；光子晶体在纺织业的应用，有助于获得更加高质量的色调；光子晶体在隐身材料上的应用，丰富了隐身技术手段，将促进兼容型隐身材料的研制。人们在应用光子晶体的过程中，进一步扩展和丰富了光子晶体器件的种类和功能。本文简要叙述了光子晶体的重要物理特性和光子晶体器件的最新进展。本文通过查阅文献认为今后光子晶体器件的发展趋势将会呈现如下的特点：

1、基于光子带隙的光子晶体器件功能会更复杂，特别是各种动态可调器件将不断涌现；

2、慢光器件的色散、损耗以及带宽性能将不断提升；

3、更多的功能结构和自准直效应集成，器件性能得到不断改善；

4、光子晶体负折射器件将会进一步向低损耗，可见光频段，全方向负折射的方向发展。

5 结论

本文论述了光子晶体及它的特征，介绍了光子晶体器件的设计方法和加工制作。接着介绍了现阶段发展的一些光子晶体器件，并且对光子晶体器件未来的发展方向作了展望。

随着对光子晶体的各种物理现象的深入了解和微纳制作技术的进步，光子晶体器件的功能将更加丰富，将会有更多的光子晶体器件进入实用阶段。光子晶体正在引发新世纪的光子技术革命。目前国内光子晶体的研究呈现出欣欣向荣的局面，但离国际水平尚有一定差距，特别是在光子晶体的制作技术和器件应用方面。进一步加强光子晶体的实验研究，努力促进针对实际应用需求的光子晶体器件的开发，对于我国赶超国际先进水平，增强在计算机、光通信以及纳米光学领域的竞争力具有十分重大的意义。

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