光子晶体和光子晶体光纤

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1、Powerpoint光子晶体光纤于方永2013.11.5主要内容1、光子晶体2、光子晶体光纤3、有限元法和COMSOL光子晶体光是人类得以生存的基本条件，也是人类文明发展的基本要素。早期人们对于光的了解与研究，开始于对日常生活所见现象的探知，例如：光的反射、折射、衍射和干涉现象等，进而开启了光学理论的发展。光子晶体十七世纪是光学发展的一个极为重要的时代，许多关于光的现象和原理均在此世纪出现。1611年，开普勒（JohannesKepler）所发现光的全反射现象，是目前光纤内光传输的基本原理。光子晶体光的特性光到底是波还是粒子？1864年，麦克斯韦的论文“Adynamictheoryof

2、theelectromagneticfield”中推导出一准确以及简洁的数学式子来描述光的传播，称之为麦克斯韦方程式。光是电磁波的观念才逐渐地被科学家们接受。光子晶体1887年赫兹发现了光电效应以及1905年爱因斯坦对此所提的光量子理论解释后，科学家们了解到光的确具有粒子的性质。光子晶体1923年发现的康普顿散射效应也支持光的粒子性。随着二十世纪量子理论的兴起与发展成熟，人们才清楚的知道光是电磁波，同时具有粒子以及波动的特性。光子晶体光的颜色与其本身的波长λ（或是频率，也就是每秒振动的次数）有关。一般可将光在不同波长（频率）的区段分别加以区分姓名。光子晶体电磁波属于横波，在传输时电场与

3、磁场的振动方向相互垂直，且电场磁场均与波的传播方向（k）垂直。光子晶体入射光与折射光之间的路径关系遵守斯涅耳折射定律(Snell’srefractionlaw)：n1sinθ1=n2sinθ2。当光由折射率大的物质进入到折射率小的物质(即n2>n1)，折射角θ2会大于入射角θ1，此时为内折射。在此内折射的情况下，当入射角大于某一临界角时，折射角会等于90度，亦即出现全反射(totalreflection)现象。光子晶体具有光波波长尺度的周期性排列介质，则类比于电子的物质波(deBrogliewave)与原子晶格的大小，光(电磁)波在此宏观排列的行为将有如电子在晶体中一般，因此可藉由排列

4、周期、空间结构和介质的介电常數等性质來控制光的行为。光子晶体是一个能与光产生交互作用的周期性结构材料，其折射率(refractiveindex)在空间上为周期性函數。光子晶体光是电磁波，因此科学家猜测光在此光子晶体中的情况应该类似于电子在一般晶体内的模式。既然电子在周期性原子晶格内具有电子能隙现象，那么光在光子晶体内也应该有所谓“光子能隙”(photonicbandgap)的存在。光子能量在此一特殊结构下呈现不连续性，光子能带间可能出现能隙，意即某些频带的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在此结构内传播，所以当这种光波入射此晶体时必然出现全反射现象，此时可视为光子的绝缘体。光子

5、晶体光子晶体(PhotonicCrystal)：是指折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期和光波长为同一数量级。光子晶体也被称为光子带隙材料。光子晶体由于光子晶体中折射率在空间上必须为周期性的函數，我们可将光子晶体依空间维度区分为：一维、二维以及三维等。在一个维度上存在此周期性结构，则光子能隙只出现在此方向上；如果在三个维度上都存在着周期性结构，则可以得到全方位的光子能隙，此时特定频率的光进入此光子晶体后在各方向都将无法传播。光子晶体自然界的光子晶体澳洲的宝石──蛋白石(opal)生物界中也有光子晶体的踪影：蝴蝶翅膀孔雀的羽毛金龟子的壳澳洲海老鼠的毛发由于本身几何结构上的周期性使

6、它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化，因此其色彩缤纷的外观是与色素无关。光子晶体信息技术革命标志：半导体技术趋势：微型化和高度集成化限制：纳米尺度的量子效应摩尔定律：自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。光子晶体个人电脑如今已十分普遍，决定电脑速度的中央处理器(CPU)现已达GHz的等级。然而，要具有更高运算速度的THz等级的电脑，就必须藉由光子取代电子来传送和处理信息。光子与电子相比较，具有更快的速度与更大的频宽，且光子之间没有交互作用，若能将现有的电子元件提升为光子

7、元件，则元件运作在速度上及精度上都能得到大幅度的提高。科学家相信光学元件将可以用光子晶体制作，达到光传播的目的。光子晶体光子时代的到来？光子电子传播速度108m/s104-105m/s数据传播速率光子远远大于电子载体带宽1012Hz105Hz载流子相互作用弱强光子晶体光子帯隙的产生：定态下的电磁波波动方程为：对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时，有如果介质为非磁性介质，则µr=1。光子晶体光子帯隙的产生：光子晶体光子帯隙的产生：因此在周