光子晶体及其应用 - 中国物理C.PDF

光子 晶体及其应用 高 　　 　　过去的 50 年中 ,人们通过对半导体的深入研究 或介电常数呈周期性变化的结构 。而这种周期性的 ( 及其广泛应用 ,极大地推动了电子工业和信息产业 空间分布可以是一维的、二维的 ,甚至是三维的 如 的发展 。在电子信息领域 ,较小体积的电路和更高 图 1) 。其尺寸约为光信号在材料内波长的 1/ 4 ,所 的信息交换速度是当今科学家不断追求的目标 。我 以在大部分光电应用波段内其尺寸在 25～100 纳米 们知道线路越细 , 电阻就越大 、能量散失就越多 ,而 之间。其基本原理便是利用了光在上述周期性结构 更高的速度则提高了信号同步的准确性要求 。在电 中的散射和多次干涉 ,形成一个光子禁带 。使得该 子线路已经发展到极限的今天 ,科学家们把注意力 频段的光不能通过周期结构 ,其现象类似于电子在 转向了光 。这是因为光子有着 电子所不具备的优 晶体中运动产生的禁带 。我们称之为“光子禁带” 势 :速度快 ,彼此间不存在相互作用 。如果能实现这 (p hotonic band gap , PB G) ,频率处于禁带中的光是 一点 ,信息的传输速度将快得无法想象 。我们虽然 被严格禁止传播的。科学家们将具有光子禁带的周 ( ) 已经朝这个方向迈出了可喜的一步 ———光纤的使 期性电介质结构称为光子晶体 Photonic Cryst al 。 用 ,但是对于信息的输入和输出 ,光纤依靠的仍然是 亚伯诺维奇于 199 1 年在实验室中制造了第一 传统的电子器件 ,这大大限制了信息的传输效率 。 块当时被认为具有完整禁带的三维光子晶体 ,是一 光子晶体可能将扭转这一局面 。光子晶体做成的器 种面心立方结构 。但后来的研究表明 ,这种结构并 件可以人为控制光子的流动 ,就像半导体中的电子 不存在绝对禁带 。自然界中 ,具有完整禁带的天然 ( 一样 。光子晶体的研究不仅仅是光通信领域内的问 三维光子晶体非常少 如蛋白石 、蝴蝶翅膀等就是这 ) 题 , 同时对其他相关产业也将产生巨大的影响 ,这就 样的特例 ,绝大多数光子晶体都是人工设计制造出 是光子晶体越来越引起人们广泛关注的原因。 来的。 一 、什么是光子晶体 二 、光子晶体的性质 早在半个世纪之前 ,物理学家就已经知道晶体 光子晶体最根本的特征是具有光子禁带 ,频率 中电子的色散关系呈带状分布 ,也就是大家所熟悉 处于禁带中的光是被禁止传播的。根据光子晶体的 的电子能带结构 。能带理论的出发点是固体中的电 这一特点 ,我们可以通过控制其中的光子来达到控 子不再束缚于个别的原子 ,而是在整个固体内运动 , 制其特性的目的。 称之为共有化电子 。对于理想晶体 ,原子规则排列 光子局域是光子晶体的一个主要特征 , 由约翰 成晶格 ,晶格具有周期性 , 等效势场也应具有周期 于 1987 年提出。由量子力学可知 , 自发辐射的几率 性 。晶体中电子的波函数是按晶格周期调