新世纪奈米级光电材料结构--光子晶体.PDFVIP

新世紀奈米級光電材料結構 -- 光子晶體 楊志忠 國立台灣大學光電所 e-mail:ccy@cc.ee.ntu.edu.tw 摘 要 光子晶體(photonic crystal)係在二維或三維空間中 ，讓材料折射率或介電常數產生週期性變化 的結構，這種結構模仿原子在固態晶體中的排列。因此 ，類似電子於固態晶體中的能帶結構，產 生光子的能帶結構。在光子晶體中，電磁波的傳播特性 ，包括振幅、相位、偏極化方向和波長 ， 都可以經由控制發光頻譜、群速色散、偏極特性、相位匹配等光子晶體的特性而得以大幅度的調 變。光子晶體結構的尺寸約為光訊號在材料內波長的四分之一，所以在大部份光電應用波段內 ， 其尺寸在二十五到一百奈米之間。本文將簡介各種光子晶體的結構，包括以半導體及光纖為素材 的光子晶體，並說明其一些特殊的光電特性以及可能的應用。光子晶體可以提供許多新型光電元 件的製作，尤其重要的是可以大幅縮小元件的體積，並從事密集的積成，預計將對光電技術發展 產生革命性的影響。 素。例如多種不同形式的光柵在所有光電系統中即 一、前言 占重要地位。另外 ，週期形式介電係數的電、聲 、 在現代科技發展中，光電科技乃為新興領域， 或磁式調變也應用於控制光訊號上。不論是材料的 其應用涵蓋各重要範疇，如光纖通訊、光顯示、光 永久或動態調變，都代表電磁波基本參數的控制， 資訊儲存、高效率照明及生物醫學方面的應用。隨 包括強度 ﹝吸收、放射、散射﹞、相位﹝群速、群 著光電科技在基礎研究上不斷的突破，它已經在我 速色散﹞、偏振﹝非等向性﹞、波長﹝頻譜分 們的日常生活中造成重大的影響，這樣的影響力並 佈﹞。這些控制可以經由微觀或介觀的材料成長、 將持續而且擴大。最近十年來，光電科技在新材料 製程、幾何尺寸與波長相近之元件結構來達到目 的成長技術、新製程技術的發展、高功能元件之設 標。 計與製作以及成熟穩定系統的完成，都有傲人的成 二、光子晶體的概念與應用 績。光電科技不僅是重要的科學課題，也是關乎經 濟成長的關鍵工業。 光子晶體(或叫光子能隙結構晶體) 的概念於 在許多處理光訊號的元件結構中，由於電磁波 1987 年首先由Yablonovitch[1]及John[2]分別提出 。 相位週期性的本質，使得週期性結構成為關鍵要 但是它一直沒有受到太多的注意，直到最近這幾 ■ 647 ■ 物理雙月刊（廿三卷六期）2001 年 12 月 年，因為各種製作相關結構的製程技術發展成熟， 式光子晶體的製作技術突飛猛進。研究成果包括： 光子晶體才受到注目。基本上，光子晶體是在二維 ( 一) 利用乾式蝕刻在三五族半導體上產生空氣 或三維空間中，讓材料折射率(或介電常數)產生週 洞，配合於中心一個點瑕疵的安排，形成一個微腔 期性變化的結構，這種結構模仿原子在固態晶體中 半導體雷射的共振腔(參見圖一 – 二維光子晶體 的排列。所以，類似電子於固態晶體中的能帶結 結構中心瑕疵的上視圖)[3] ，這裡所謂的瑕疵即是週 構 ，在光子晶體中就產生光子的能帶結構。因此， 期性結構中某些位置該有空氣洞而未有洞 ；