光子晶体简介及应用

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1、光子晶体及其应用的研究(程立锋物理电子学)摘要：光子晶体(PbmDfticCrystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(PhotonicB锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光

2、子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。关键词：光子晶体；算法；应用；1光子晶体简介在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提

3、高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电

4、子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。与半导体类似，光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构，从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。同样，光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlicBandGap)。频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。其实不管任何波，只要受到周期性的调制．都有能带结构，也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是

5、不能传播的，电磁波或者光波也不例外．如果只在一个方向上具有周期结构，光子带隙就只可能出现在这个方向上，如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。我们将具有光予禁带的周期性介质结构称为光子晶体(Phooo面ccrystal)，或叫做光子带隙材料(PhotonicBandgapMaterials)。2光子晶体的结构按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。所谓一维光子晶体是指介质频率在空间一个方向上具有周期性分布韵光子晶体材料，相当于不同介质组成的多膜材料。简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成

6、，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空阊位置的周期性函数，而在平行于介质层平面方向上介点函数不随空间位置变化。实际上，光学中常见的布拉格反射镜就是一种简单的一维光子晶体。二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由介质杆平行而均匀的排列组成的。这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向)介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在多种结构。如矩形、三角形、和石墨的六边形结构等。截面形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样。矩形的光子频率禁带范围较窄，三角形和石墨结构的光子频率禁带范围

7、较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同的两种介质拄来构造二维光子晶体。光子晶体光纤和光子晶体波导就是二维光子晶体的特例。三维光予晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。三维光子晶体具有全方位的光子带隙，即落在光子带隙中的光在任何方向都被禁止传播。这一特性具有极其重要的应用前景。Yablonovitch创造出了世界上第一个具有完全光子频率带隙的三维光子晶体，它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构