光子晶体及其特性

光子晶体及其特性

王娟娟

摘要:光子晶体是一种介电常数不同的、其空间呈周期分布的新型光学材料。通过深入研究,达到进一步了解光子晶体的原理、特性、制备方法以及应用之目的。

关键词:光子晶体光子禁带光子局域Purce ll效应

1.引言

20世纪，半导体的发现并应用引发了一场影响开半导体材料，半导体内部存在周期性势场电子受到周期性势场的调制发生布拉格散射形成能带结构，而带与带之间可能存在禁带，落入禁带中的电子则无法继续传播。

1987 年 E. Yablonovich 和 S. John 分别提出了光子晶体的概念[1-2]

光子

晶体是由不同介电常数的物质在空间周期性排列而形成的人工微结构，当电磁波通过光子晶体时光子晶体中周期性排布的介电常数会对电磁波进行调制，从而产生光子能带能带之间可能存在禁带与半导体对比可以发现在光子晶体中，周期性分布的介电常数起到了半导体中周期性势场的作用，同时与电子禁带相对应的也有光子禁带的存在，因此有人又把光子晶体称为光半导体光子晶体可以用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光

子晶体波导等[3-6]

在光通信，光电集成等方面具有极其广阔的应用前景。

2.光子晶体

光子晶体按照其周期性排列方式可分为一维、二维和三维光子晶体，它们的介电常数分别在一维、二维和三维空间上周期性排列，其中一维光子晶体就是常见的多层膜结构，二维光子晶体是周期性排列的介质柱或空气孔，三维光子晶体中介电常数则在3个方向具有周期性在实际应用中，二维光子晶体有着更广泛的前景更受到人们的重视光子晶体具有高低折射率材料交替排列的周期性结构

可以对相应频率的电磁波进行调制产生光子禁带[7-8]

，如果在3个方向上都存在

周期结构，可以产生全方位的光子禁带，在全方位光子禁带中与该禁带频率相对应的电磁波将被完全禁止传播光子禁带是光子晶体的主要特性，光子晶体的另一个特性是光子局域若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷

态，与之频率相对应的光子就被局域在缺陷态中，偏离缺陷态就会被强烈散射，我们可以通过在光子晶体中引入缺陷，制造缺陷态的方式来制作各种光子晶体功能器件，另外光子晶体可以抑制自发辐射若光子禁带频率与光子晶体中原子自发辐射频率相吻合，则该频率光子的态密度为零，自发辐射被抑制，光子禁带和光子局域现象的存在为人为控制光的传播提供了可能。

3.光子晶体的特性

3. 1光子禁带

光子禁带]

( photonic band gap , PBG )是光子晶体最根本的特性,频率落

在禁带中的电磁波, 无论其传播方向如何,都是禁止传播的。光子禁带依赖于光子晶体的几何结构和介电常数比, 比例越大越可能出现带隙。光子晶体结构对称性越差,其简并度越低, 越容易出现光子禁带。

3 .2光子局域

光子局域 ( photonic localization )是光子晶体的另一重要特性[9]

。 1987

年, John提出, 在无序介电材料组成的超晶格(光子晶体 )中, 光子呈现很强的Anderson局域。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷, 则和缺陷态频率相吻合的光子有可能被局域在缺陷位置。一旦其偏离缺陷处, 光就迅速衰减。光子局域态的性状和特性由缺陷的属性来决定:点缺陷就像被全反射墙包围起来,利用点缺陷可以将光俘获在特定的位置, 光无法从这个位置向任何方向传播,形成一个能量密度的共振场，相当于微腔。线缺陷的行为类似波导管, 只能沿线缺陷方向传播。平面缺陷像一个完善的反射镜,光被局域在缺陷平面上。

3．3 Purce ll效应

上世纪 80年代前, 人们一直认为自发辐射是一个随机现象,不能人为控制。 1946年 Purce ll提出自发辐射可以人为改变时并未受到重视, 直到光子晶体的概念提出后, 人们才改变观点。自发辐射不是物质的固有性质, 而是物质与场相互作用的结果。根据费米黄金定则, 自发辐射几率与光子所在频率的态的数目成正比, 因此光子晶体可以抑制自发辐射。当原子被放在一个光子晶体里面, 而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时, 由于该频率光子的态的数目为零, 因此自发辐射几率为零,自发辐射也就被抑制。反过来, 若在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很高的态密度, 这样

便可以实现自发辐射的增强, 这种控制自发辐射的现象称为Purcell效应。

3 .

4 偏振特性

二维光子晶体对入射电场方向不同 TE、 TM 两种偏振模式的光具有不同的光子禁带, 这是光子晶体的另一重要性质。对于一维光子晶体, 还有一些独特的现象, 如超折射现象，对入射光束展宽和分光等效应, 时间延迟效应, 带边激光, 超强双折射光学现象, 负折射现象,非线性光学效应等。

4.光子晶体的制备

自然界中存在天然的光子晶体蛋白石、海老鼠毛发和蝴蝶翅膀其斑斓的色彩并不是本身的颜色而是不同方向上有不同频率的光被散射，然而天然的光子晶体并不具备完整的三维的光子禁带用于制备光子晶体的主要材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料及其氧化物以及一些有机材料和金属电介质结构等。一维光子晶体相当于多层膜结构，对于多层膜结构，已经有较为成熟的薄膜制备工艺，这里不再介绍。

现阶段研究较多的是二维光子晶体器件的制备，相对于三维光子晶体，其制作简单，可以广泛应用于光通信、信息科学、光电集成等领域。微波、太赫兹波段的二维光子晶体器件可以使用精密机械加工的方法制备。对于通信及红外波段的二维光子晶体器件，主要采用半导体工艺技术如刻蚀技术、半导体生长技术等方法制备。 2002 年， Tetsuya Tada使用电子回旋加速等离子体刻

蚀技术制作了二维介质柱光子晶体波导[10-12]

。 M. T. Todaro 等在 2003 年利

用GaAs/AlGaAs外延生长光子晶体平板波导[13]

。微波、太赫兹波段的三维光子

晶体依然可以使用精密机械法制备，世界上第一个具有全方位光子带隙的光子晶体就是由 Yablonovitch 等人于 1991 年使用精密机械钻孔的方法制作的面心立方结构三维光子晶体。但要制作工作波段在红外甚至可见光的三维光子晶体结构，精密机械方法在尺度及精度上都无法满足要求。于是，层叠法、自组织法、介质棒堆积法及激光直写、激光全息等方法相继被人们提出并应用在三维光子晶体的制作上。然而，要制作通信波段甚至可见光波段具有完全禁带的三维光子晶体，以及在三维光子晶体中引入所需要的缺陷还比较困难。

5.光子晶体的应用

随着光子晶体理论和实验研究的不断进展, 尤其是制备方法和技术的提高

和完善, 光子晶体的应用和器件研究取得了很多成果。

5 . 1 微波天线

传统微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上,导致大部分的能量损失在基底之中, 而且带来基底的热效应。但是利用光子晶体可以设计出针对某微波频段的光子晶体,并将其作为天线的基片, 因为此微波波段落在光子晶体的禁带中, 基底不会吸收微波, 实现了无损耗全反射,把能量全部发射到空中, 很大程度上提高了天线的发射效率。第一个以光子晶体为基底的偶极平面微波天线于 1993年在美国研制成功。

5 . 2 光子晶体光纤

光子晶体光纤 ( Photonic Crystal Fibe r , PCF) [11]

是一种新颖光纤,由

晶格常数为波长数量级的二维光子晶体构成。用光子晶体制作的新型光纤较传统光纤具有显著的优势。传统的光纤中,不同波长的光穿过光纤纤芯的速度不同, 用于长距离传输时,信号将出现时间延迟。此外, 传统光纤的损耗也是个问题。而光子晶体弯曲波导利用的是不同方向缺陷模共振匹配原理,原则上只要达到模式匹配, 不论转多大弯,都能达到很高的传输效率。这种弯曲效应在全光集

成系统中很有应用价值。光子晶体带隙特性不但保证了能量传输中的基本无损失, 而且不会出现延迟等影响数据传输率的现象。

5．3 光子晶体全光开关

光子晶体全开关主要依赖光子与非线性光子晶体的相互作用来实现光束传输过程的开与关的控制作用。光子晶体具有光子带隙,基于光子晶体的全开关体积小, 且全光驱动,比传统全开关具有更快速的时间响应和更高的开关效率。

2005年, 日本 NTT的研究员 Takasum i等[12-14]

利用微加工技术在硅片上刻蚀

出周期性三角晶格的空气孔, 制备出二维硅光子晶体, 用脉冲宽度为 7ps的激光泵浦光子晶体,由于强烈的双光子吸收效应, 在材料中激发大量的载流子而使硅的折射率发生变化, 光子带隙发生移动, 从而实现了时间响应为 50ps的光子晶体光开关。

5. 4 光子晶体超棱镜

用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100-1000倍, 体积只有常规的 1%。 2004年, 英国南安普敦大学与 M esophoton i cs有限公司的研究

人员[13]制备出一种能够在可见光波长上工作的光子晶体超棱镜。研究人员采用长从整个可见光延伸到近红外的宽带光谱和角光谱技术发现,在几个主要的光子带隙附近, 角分散超过了 1% / nm, 比折射系数相同的普通棱镜大了 100多倍,比等效衍射光栅大了10多倍,这对光通讯中的信息处理有重要的意义。

5. 5 光交换机

光交换是指不经过任何光电转换, 将输入端光信号直接交换到任意的光输出端。光交换是全光网络的关键技术之一。在光子晶体实现光路集成的条件下, 光子晶体有可能制成一种体积小、 高速、 低功率的全光交换机。 2003年Kana m or. i Y 及 Inoue . K 等 通过使用一个 MEM S(微机电系统 )的推动器,在光子晶体中引入缺陷来实现光交换。其原理是当 MEMS 把微小的介质棒推入光子晶体时, 在光子晶体的内部引入缺陷,使光可以在此处通过; 当 MEM S 把微小的介质棒抽出光子晶体时, 此处就没有缺陷, 这时光就会被阻挡, 从而实现光交换的功能。光子晶体的应用十分广泛, 几乎涉及到光的各个方面。利用光子晶体反射光和局域光的基本原理制备的光子晶体激光器具有低阈值和便于集成的特点, 所发射的光束方向性好、 相干性好; 利用光子晶体对自发辐射的控制作用, 并使受控制的自发辐射按照引导波导发光, 则能得到高效的发光二极管;此外, 还有光子晶体偏振器, 光子晶体滤波器,高性能反射镜,光路集成等。

6.结束语

光子晶体的研究虽然已经取得了相当大的进展,但人们对光子晶体的认识还远不如对半导体材料的认识那么成熟,光子晶体性质及其光子带隙调节的研究有待进一步深化与完善,研制出真正可以用来取代集成电路的集成光路仍是一项艰巨的任务,如何廉价、方便地制作出拥有宽的处于近红外和可见光范围内的光子带隙,并由此制备出各种光学器件将成为研究重点,也是实现集成光路的关键技术之一.同时,光子晶体的部分应用也仅在实验室得以实现.现在光子晶体已进入器件设计和应用时期,大量高性能新型器件被研制出来,有的已进入实用阶段.人们完全有理由相信,在不久的将来,更多的光子晶体器件也将进入实用阶段,用光子晶体驱动的原型计算机可能在今后的几十年内出现,并由此而产生重要的产业价值。

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