光子晶体的应用

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1、光子晶体的应用引言光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小

2、的光学器件是非常困难的。光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。1.光子晶体简介1．1光子晶体的由来与概念光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(PhotonicBandstru

3、ctures)。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(PhotonicBandGap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。1987年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周

4、期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。由于光子和原子问的耦合与原子的始末状态密度有关。如果电磁波的带隙与电子能带带边重叠，那么电子、空穴的辐射复合就会因状态密度的减少而被强烈的抑制，介质结构在理论上讲是没有损耗的，这种抑制将会比金属波导更为彻底。据此，可以设计一些特殊的介质结构，按照需要来“剪裁”电磁波的色散关系，使电磁波的状态密度适当得被压缩或增加，甚至使某些状态密度为零，相应器件的模式就能得到控制，以满足器件工作的要求。与一般的晶体相类比，把具有不同介电常数的介质材

5、料在空间按一定周期排列起来构筑光子晶体，使其中的光子具有与自然晶体中电子相类似的行为，这种具有周期性介质结构的晶体就称为光子晶体(PhotonicCrystal，PC)。图1．1．1为抽象的光子晶体的结构示意图。其中可以明显看到光子晶体中的周期性结构。根据布洛赫定理，光子晶体的这种周期性将会使电磁波的色散关系结成带状结构，带与带之间有可能会出现类似于半导体里的禁带，即“光子禁带”(PhotonicBandGap，PB6)。如果只在一个方向上具有周期性，光子禁带就只能出现在这个方向上；如果存在三维的周期性结构，在合适的参数与结构下，这种人

6、造的晶体会具有所有方向的完全光子带隙，只要光子的频率在此范围，不论它的传播方向如何，它在光子晶体中的传播都将被禁止。这样，光子晶体不仅可以控制光的自发辐射，也可以控制光子的传播行为。1．2光子晶体的特征光子晶体外观上的直接特征就是结构的周期性，从理论上来讲，这种周期性就是指出了光子晶体最根本的特征是具有光子能带，在具有完全禁带的光子晶体中，落在禁带中的光子是被禁止传播的。当原子被放在一个光子晶体里，它的自发辐射频率正好落在光子禁带中，由于自发辐射的几率与光子态的数目成正比，那么该光子态的数目为零使自发辐射被完全抑制。图1．1．2是一些人

7、造光子晶体的实物图示，可以明显看出周期性的存在，而周期性排列的不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应，也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。光子晶体的另一个主要特征是可以实现光子局域态。当光子无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但是，一旦晶体原有的对称性遭到破坏，即有了缺陷，在光子晶体的禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态。因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见能够自由控制光

8、的行为。1．3光子晶体的应用光子晶体的应用范围非常广泛。利用光子晶体具有光子禁带基本性质，可以将其用作光子晶体全反射镜和损耗极低的三维光子晶体天线；利用光子禁带对原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低因自发跃