光子晶体贾林楠SY1119113.ppt

光子晶体及其应用简介 主讲人：贾林楠 物理科学与核能工程学院 自然界中的光子晶体 主要内容 光子晶体 研究历史 基本原理 应用领域 制备方法 一、光子晶体的研究历史 1987 年美国 Bell 实验室的 E ． Yablonovit ch 和普林斯顿大 学的 S ． John 分别在研究如何抑制自发辐射和无序电介质材 料中的光子领域时，各自独立提出的了 “光子晶体 ” (Photonic crystal ，简称 PC 或 PhC) 的概念，这一概念的提 出为材料学家、 电子工程师和物理学家带来了一个全新的激 动人心的领域。 1989 年， Yablonovitch 和 Gmitter 首次在实验上证实三维 光子能带结构的存在，之后物理界开始大举投入这方面的理 论研究。 1997 年美国麻省理工学院的研究者们完成了光子晶体波 导和光子晶体微腔的制作。 1999 年美国加州大学的研究人员研制成功第一个光子晶 体激光器，并且预言随着技术的进步，可以用光子晶体波导 连接成百上千个这样的激光器形成集成电路。 二、光子晶体的基本原理 在传统的 晶体 中，由于 周期性排列 的原子形成的周期性 电势场对电子的布拉格散射，从而形成了电子的 能带结构 ； 能带与能带之间可能存在带隙。半导体正是利用了其能带结 构中的带隙来有效地控制了电子的能态和传输行为。 而 光子晶体 是用介质制造的人工周期结构，构成 介电常 数 在空间上的 周期性分布 。于是，电磁波在光子晶体中传播 将因介电常数的周期变化而发生布拉格散射，进而导致 光子 的能带结构 (Photonic band structure) 的形成。光子晶体 的能带结构特性决定了光子晶体具有不同于其它介电材料的 独特性能。 光子晶体的结构 光子晶体结构示意简图 2 、光子晶体的性质 光子晶体最显著的特性就是具有 光子带隙 当光子晶体的周期性结构中存在缺陷时，在 带隙中将出现 缺陷模式 (DefectedMode) ，这也是 光子晶体的又一重要特性。 三、光子晶体的制备方法 ? 精密机械加工技术 ? 胶体颗粒自组织法 ? 逐层叠加法 1 、精密机械加工技术 这种加工技术主要用于微波波段的光子晶体的制作。 微波波段光子晶体的晶格常数一般在厘米至毫米量级，用 精密机械加工技术比较容易实现。 2 、原子自组织法 制作光学波段的光子晶体另外常用的技术是胶体颗粒 的自组织生长 , 颗粒的大小一般为微米或亚微米。 3 、逐层叠加法 逐层叠加法就是用多片二维周期性结构叠加在一起而 构成三维光子晶体。 四、光子晶体的应用 ? 微波天线 ? 光子晶体光纤 ? 低阈值激光发射器 ? 高效发光二极管 ? 光子晶体微谐振腔 光子晶体在微波天线中的应用 如针对某微波频段设计出需要的光子晶体， 并让该光子晶体作为天线的基片。由于此微波波 段落在光子晶体的禁带中，基底不会吸收微波， 这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空 中。 一种弯曲光子晶体结构作为天线反射面 光子晶体在光纤中的应用 光子晶体光纤是一种 带有缺陷 的二维光子晶体 。它的传光方式主要有两 种：一种是类似普通光纤 的全内反射，使用高折射 率的纤芯，周围的包层具 有二维光子晶体结构，一 般与纤芯是同种材料，如 空气／硅微孔光纤；另一 种是光子带隙传光机制， 纤芯通常为空气孔，用光 子晶体的带隙来禁止特定 频率的光横向传播。 图 a 图 b 光子晶体在激光器中的应用 在激光器中引入光子晶体，可以实现 低阈值 激光振荡 。由于光子晶体对于光子带隙范围内的 光波具有抑制作用，所以当光子晶体的光子带隙 频率与激光器工作物质的自发辐射频率相一致时 ，激光器的自发辐射就会被抑制，这样激光器中 因自发辐射而引起的损耗将会大大降低，从而使 激光振荡的阈值变得很低。 日本京都大学的 Susumu Nodo 工作小组制作的 406nm 电泵浦光子晶体面发射激光器（ PCSEL ） 实验表明，采用光子晶体的发光二极管 发光效 率 会从传统发光二极管的 10 ％左右提高到 90 ％以上 。另外，当采用只允许单一频率的光波穿透的光子 晶体作为发光二极管的谐振腔时，该发光二极管将 只能发出具有单一频率和良好相干性的类似激光的 光波，而且发光效率也会大大提高。 光子晶体在二极管中的应用