亚波长结构和光子晶体.ppt

光子晶体的应用1.光子晶体光纤（PCF）分类:实心光纤和空心光纤实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤这里主要讲一下光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波)在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理光子能隙导光机理空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。包层中的小孔点阵结构像一面镜子，使光在许多的空气小孔和石英玻璃界面多次发生反射。不同寻常的色度色散02极好的非线性效应03无截止单模(EndlesslySingleMode)01优良的双折射效应04光子晶体光纤（PCF）的特性：光子晶体集成光路6.3制作技术叠层制作

第六章亚波长结构和光子晶体概述按照光栅结构与波长的关系，可分为三种：亚波长结构减反结构（10.6?m）多层膜系光学微结构应用：减反，偏振等特点：结构周期波长等效折射率设计方法材料，能源和信息是当今世界文明的三大支柱；光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控经典波的传输；借用固体物理中晶体的结构思想，将固体能带理论推广到介观尺度和宏观尺度用于考察电磁波辐射与人工晶格的耦合作用；0302016.2光子晶体光子带隙材料（光子晶体）1声子带隙材料（声子晶体）2光波声波3周期排列的人工微结构材料4调控波的传播5构成材料: 半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸: 毫米、微米、亚微米6光子晶体是什么？JohnS.Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489YablonovitchEPhys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062光子晶体具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonicbandgap)。光子晶体--自然界中的例子ButterflyOpalSeamouse蛋白石，蝴蝶翅膀，孔雀羽毛，海老鼠毛等。光子晶体的特性晶格类型，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充比。点缺陷线缺陷面缺陷2光子局域在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。1光子带隙在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的带隙01光子能带结构02允许带03允许带04频率05禁带06工作波段: 可设计在可见光、红外、微波、声波范围07光子晶体的能带结构带隙效应微腔波导转弯限制波导操控光子的流动抑制自发辐射均匀介质光子晶体三类晶体比较性质电子晶体光子晶体声子晶体结构结晶体(自然或生长的)由两种(或以上)介电材料构成的周期性结构由两种(或以上)弹性材料构成的周期性结构调控对象电子的输运行为费米子电磁波的传播玻色子机械波的传播玻色子参量普适常数原子数各组元的介电常数各组元的质量密度，声波波度晶格常数1-5?1?m-1cm1mm-1m尺度原子尺度电磁波波长声波波长波德布罗意波(电子)电磁波(光子)机械波(声波)偏振自旋?，?横波横波与纵波的耦合波动方程薛定谔方程麦克斯韦方程弹性波波动方程特征电子禁带，缺陷态，表面态光子禁带，局域模式，表面态声子禁带，局域模式，表面态《科学》1998Bestbets衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向《科学》1999Runners-up93年起，研究论文每年增长70%迅速成为国际学术界的研究热点半导体~光子晶体半导体光子晶体1930年代电子能带论（电子带隙）1987年光子能带（光子带隙）1948年发明晶体管1991年实验验证1990年代原型器件1958年发明集成电路目前探索集成光路1960年代以后微电子革命21世纪光子技术革命光半导体未来的半导体NobelNobelNobel?国际上激烈竞争基于光子晶体的光子集成线路计划基于蛋白石结构的光子晶体波长尺度的通讯用光子部件超快光子学计划