(集成光电子学导论)第九章光子晶体波导及器件.ppt

第九章 光子晶体波导及器件 光子晶体：光的半导体 思考：半导体是什么？尝试由半导体的基本特征思考光的半导体——光子晶体应该长什么样 9.1 半导体概念与分类 半导体的特征？ 周期性结构 完好的周期性排列不会导电：禁带 周期性被破坏才会导电：价带?导带 光子晶体 回忆半导体的能带结构?光子晶体？ 回忆生活中是否有类似光子晶体的应用？（对某些波段光禁止传播的结构） 眼镜片上镀了抗紫外膜，能够阻止紫外光透过。那么光学薄膜是否是光子晶体呢？ 光学薄膜：周期性排列的膜层——一维光子晶体 类光子晶体现象的思考 思考：晶体的晶格是非常完美的周期结构，是否对某个波段是禁带？ 扫描电子显微镜的使用 自然界里是否存在光子晶体？ 光子晶体的应用 思考：光子晶体光纤可以让光在空气芯中传输，这有什么用？ 思考：如何让光陷入一个光子晶体的点缺陷内，被存储起来 光子晶体的制作 光子晶体的其他有趣现象 思考：如果折射率是负的对已有光学定律有哪些影响？ 反射折射定律 然后近年来有不同方法做出了负折射材料，于是带来了光电领域的飞速变革 基于负折射的隐形材料 总结 掌握半导体和光子晶体的异同点 以硅为例，能够由半导体的基本结构特征推出光子晶体应该具有的特征 三维光子晶体 金属球金刚石结构 二维光子晶体 及直角波导 光子晶体激光器-最小的激光器 220nm 0.03mm3 光计算的逻辑门 光子晶体的制作 光子晶体结构的周期是相应光波的波长量级 可见光：亚微米；红外光：微米-毫米；微波：毫米-厘米 堆积或打孔：砖头，电子（离子）束 多光束干涉产生光强周期分布：排列微粒，全息光刻 微粒的自组织及相关的方法 微加工，微刻蚀技术 自上而下：标准半导体工艺 自下而上：自组织 反蛋白石结构 反蛋白石结构---Inverse OPAL 用OPAL 作为模板，在其空隙中填充高折射率， 再把模板颗粒去掉，形成介质与空气的结构 填充材料的可能性很多：氧化物，半导体，非线性材料， 碳----，能构成各类不同特性的光子晶体。TiO2,CdSe,Ge Si,GaP---- 对反蛋白石结构，当折射率和占空比合适时，有完全能隙 它的结构取决于原来的模板，并放大原有的缺陷 获得高的填充率不容易 反Opal的制备及测量 N2 suspensions glass slice separate circle 样品生长池 倒置显微镜光路图 SiO2构成的OPAL 不同角度看到不同的颜色 用多光束干涉构成三维光子晶体 N束激光在会聚点的干涉产生的空间光强分布 多光束干涉形成的光强极大值能构成所有 14种基本的晶格结构（布喇菲格子） X Z X-Z Y-Z q1 4束光干涉形成立方结构 q2 q1= q2=63o 面心立方 立方体边长= l/Sin 64o 用Ar离子激光514nm入射分别得到 边长为580nm 的面心立方和边长为450nm 的体心立方 q1= q2=54o 体心立方 立方体边长= l/ Sin 54o 1，根据光与介质的相互作用，直接把微粒束缚在 光强极值处，光强的空间分布变成微粒的空间结构 梯度力：Fg~ 散射力—动量交换，沿光线行进方向 Fg 三束光干涉图案及小颗粒排列 在光子晶体能带边缘，或者金属结构的特殊光子晶体，可能具有某些特殊光学性质——折射率是负数 ?1 RHM LHM (1) (2) ?1 RHM RHM (1) (2) 这样的左手 现象有什么用？ n0 n0 思考当n0时，对同样的平板折射，将发生什么事情？ 思考，这有什么用？ ?1 ?2 RHM RHM (1) (2) * ? 何谓半导体 物体分类 导体 — 导电率为105s.cm-1，量级，如金属 绝缘体 — 导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。 半导体 ? 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 微电子器件、 激光器 温度增加使导电率大为增加 温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光照特性 光敏器件 光电器件 主要半导体材料 ★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge ★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP ★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe 一、本征半导体 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 常用的本征半导体 Si +14 2 8 4 Ge +32 2 8 18 4 +4 ? 本征半导体的原子结构和共价键