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1、光半导体材料——光子晶体张蜡宝熊予莹康凤华南师范大学物理与电信工程学院概念与特性理论分析制备与合成方法引言1.1什么叫光子晶体？光子晶体指介电常数(或折射率)周期性变化的一类物质，英文PhotonicCrystal，简称PC。一维、二维、三维光子晶体立体结构示意图Ze1e2e1e2e1(a)(b)(c)1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别提出光子晶体这一新概念。1991年，Yablonovitch在实验室中人工制造了第一块被认为具有完全禁带的三维光子晶体。1.2特性光子晶体通常具有:光子禁带结构和抑制原子的自发辐射左手材料1.3应用
2、光子晶体的这些特性可用于光纤通讯、微波器件、光路集成、光开关、滤波器件等方面。目前，市场上已经有基于光子晶体的光纤和波分复用器件产品。光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。特点：1.实现大功率单模激光传输；.2.宽波段的单模性质3.具有良好的色散性质4.高的双折射特性5.可以实现多芯传输大模场 晶体光纤多模 晶体光纤多模大数值孔径 晶体光纤高非线性 晶体光纤保偏非线性 晶体光纤1.3研究现状相关学科和技术:物
3、理学材料学和化学微纳米技术光通讯、微波技术Compositionsandsomeapplicationsfor3DnanocompositesfabricatedonthebasisofopalmatricesTypeofthefillerCompositionofthefillerNanocompositephysicalmodelPossibleapplicationsSemiconductorCdS,GaAsInN,GaNGaSb,CdTe,HgSe,Te,InPSeebeck3DnanostructuresQuantumpoints3DsuperlatticesfromSch
4、ottkydiode-typeelementsThermoionicenergyconvertersSemiconductingnanoelectronicapparatusSuperconductorIn,Pb,high-temperaturesuperconductors3DsuperlatticesoftheJosephsoncontacts(transitions)Electromagnetic-wavegeneratorsandamplifiers(>10–20GHz)OpticallyactivemediaSemiconducting‘photodiode’materia
5、lsMaterialswithhighrefractiveindices,ZnS,C,Si,Ge,TiO23Dsuperlatticesofphotodiodes3DnanoopticalsystemsElementaryparticlecountersActiveelementsoftheamplifying/generatingsystems,controlsystemsinfiberopticslaserandotherdevices3.理论分析3.1简化模型在光子晶体中，Maxwell方程存在如下的形式，由Bloch理论易知e1e2e1e2e1e23.2描述方程与经验公式数值
6、计算方法（韩鹏老师会讲）平面波法将电磁场以平面的形式展开,电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开,可以将麦斯韦方程组化成一个本征方程,求解本征值得到传播的光子的本征频率.缺点:计算量与平面波的波数有很大关系,几乎正比于所用波数的立方,因此会受到严格的约束,对某些情况显得无能为力.转移矩阵法由磁场在实空间格点位置展开,将麦克斯韦方程组化成转移矩阵形式,同样变成本征值求解问题.特点：对介电常数随频率变化的金属系统特别有效,由于转移矩阵小,矩阵元少,计算量较前者大大降低,只与实空间格点数的平方成正比,精确度也非常好.可以计算反射系数及透射系数.时域有限差分法(FDTD)将一个单位原胞划分
7、成许多网格,列出网上每个结点的有限差分方程,利用布里渊区边界的周期条件,将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程,这个矩阵是准对角化的,其中只有少数非零矩阵元,明显地减少了计算量.缺点：有限差分法没有考虑晶格格点的形状,遇到具有特殊形状格点的光子晶体时,要求得精确解就比较困难.N阶法从定义的初始时间的一组场强出发,根据布里渊区的边界条件,利用麦克斯韦方程组可以求得场强随时间的变化,从而最终解得系统的能带结构.利用BandSOLVE软件计算得到的二维Hexag
