ch2---光子晶体和光子芯片ppt课件.ppt

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1、OPTOELECTRONICS光子晶体与光子芯片RenR西安交通大学Chapter6PhotonicCrystalandPhotonicChip1提要一、光子晶体的内涵二、光子晶体的分类与制备三、光子晶体的物理属性与功能应用四、光子晶体的基础研究与发展前景五、结论2光子晶体的发展过程光子晶体于1987年由E.Yablonovitch提出。在此之前人们已经应用了光子晶体：布拉格光栅。布拉格光栅属于一维光子晶体。在DFB激光器中使用了布拉格光栅，并且利用了光子晶体的缺陷态。DFB激光器中的/4相移实际为一个一维光子晶体中的面缺陷。1991年制造出第一个人造三维光子晶体——Yablonovite

2、型光子晶体。光子晶体光纤是典型的二维光子晶体，最早由ST.J.Russell等人于1992年提出。1998年报道了第一个真正利用光子禁带（PBG)导光的光子晶体光纤。V.Berger于1998年提出非线性光子晶体。3光子晶体的内涵自然界中的光子晶体蛋白石是天然界的光子晶体蝴蝶翅膀鳞片具有光子晶体结构澳大利亚盛产的蛋白石具有光子晶体结构，它是有二氧化硅纳米球堆积而成，它的色彩与色素无关，而是由于具有不同带隙的光子晶体结构，反射不同颜色的光。蝴蝶翅膀的鳞片也是光子晶体结构，它的色彩与选择反射光有关。4什么是光子晶体光子晶体是折射率在空间周期性变化，存在一定光学能带间隙的介质结构。特点：具有一定的

3、光学禁带，对于某些波长是不能透射过光子晶体的。折射率在空间排列的周期是波长量级。光子晶体的材料对工作波段的光的吸收很小。5光子晶体与半导体的异与同单晶半导体是原子或分子在空间周期性排列，存在一定能带间隙的介质结构。光子晶体与半导体的相同点：都是周期性排列的结构都具有一定的能带结构，都存在能带间隙光子晶体与半导体的主要不同点：光子晶体的理论基础建立在Maxwell方程基础上；半导体的理论基础建立在Schrodinger方程基础上；它们分别属于电动力学和量子力学的范畴。6光子晶体的传播态与光学能态的结构如果比较薛定谔方程和波动方程：（薛定谔方程）（波动方程）并让以下两式成立：可以发现两式形式是相

4、近的。由于光子晶体折射率的排列与晶体中原子的排列类似，都具有周期性，分析时都可以引入布洛赫波函数，因而可以得出：当光子晶体中折射率周期为波长量级时，可以出现与固体能带理论中的禁带相类似的光学禁带。7光子晶体的布里渊区由于光子晶体中的折射率分布是周期性的，与晶体中的原子排列类似，而且它们遵循的理论公式的表达形式也是类似的，因而固体理论中的许多概念都可以引入到光子晶体中，在光子晶体上，如倒格子、布里渊区、色散关系、Bloch函数等。三维面心结构光子晶体第一布里渊区8aGXMirreducibleBrillouinzone2DperiodicityEHEHTMTEfrequencyw(2πc/a)

5、=a/lGXMG9缺陷态与局域态与固体能带理论类似，在完美的光子晶体中也可以引入杂质和缺陷，使严格的周期结构破坏，这些缺陷能够束缚一定频率的光子，产生局域化的能级，这部分局域态位于光学禁带之中。在光子晶体中也可以引入不同类型的缺陷：点缺陷，线缺陷和面缺陷等。这些缺陷的控制是光子晶体实现各种功能的基础。10缺陷态与局域态完整二维光子晶体及其光学能带图带线缺陷二维光子晶体及其光学能带图11光子晶体的分类与制备光子晶体形态一维光子晶体在一个方向上具有周期性：如布拉格光栅二维光子晶体在两个方向上具有周期性：如光子晶体光纤三维光子晶体在三个方向上具有周期性：如天然opal宝石12二维光子晶体的制备a、

6、光子晶体光纤的制备方法：与常规光纤的制备方法相同，首先制备PCF的预制棒，将二氧化硅毛细管和实心棒按一定的排列组合成具有一定空气/二氧化硅比例的预制棒，制备预制棒的随意性很高，可以制备出不同尺寸和形状的芯区。然后将PCF预制棒在高温下拉丝成光纤，最后PCF外层涂覆保护层。13二维SOI光子晶体波导的制备方法制备工艺流程1、热氧化2、HF溶解二氧化硅，减薄顶部硅层3、旋涂PMMA4、在150℃烘烤，45分钟5－6、电子束曝光（30KV）7、化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）8、去除PMMA9－10、减薄衬底，解理，用HF去除夹层SiO214三维光子晶体的种类及制备方法根据光子晶体的发明人命名的Y

7、ablonovite型光子晶体是第一个具有光学禁带的人造三维光子晶体，于1991制备而成，制备工艺特点：选用材料为PMMA，采用X射线曝光技术，对掩膜上每个孔曝光三次，曝光的角度与基片的法线方向成35.26，每个曝光角度之间的夹角为120。该光子晶体即可以工作在微波范围，也可以工作在光学波长。15Woodpile型光子晶体主要针对GaAs基和InP基材料，制备工艺采用Waferfused技术[4,5]。这