如果介电常数的差异足够大在电介质的交
界面上发生布拉格散射产生能量的禁带
光子晶体简介
黄声野
1.
光子晶体的概念
E. Yablonovitch
和S.John 在1987 年分别独立地提出了光子晶体的概念光
子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构所谓晶体就是指这种
周期性而言的根据周期性的维数光子晶体也分为一维二维和三维
的图
1 是不同维数光子晶体的模型和实例光子晶体里重复结构或称晶胞
的单元尺度是光波长量级通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光子流
2.
光子晶体的带隙结构
与普通晶体一样 光子晶体的周期排列具有能
带结构光子能带之间可能存在光子带隙或光子
禁带光子带隙或禁带是指一个频率范围
在这个频率范围里的电磁波不能在这个光子晶体
里传播而频率位于能带里的电磁波则能在光子晶
体里几乎无损地传播带隙的宽度和位置与光子晶
体的介电常数比值周期排列的尺寸及排列规则都
有关系
就像半导体中原子点阵可以控制电子传播一样 光子晶体中不同介电常数的
1 2 3
1D 2D 3D
图
1 1D,2D,3D 光子晶体
图
2. 电介质棒组成的二维光子晶体
排列可以控制一定频率的光的传播如果介电常数的差异足够大在电介质的交
界面上发生布拉格散射产生能量的禁带在三维严格的光子晶体中禁带内的
电磁波无法向任一个方向传播如果晶体中出现缺陷在某个位置上电介质排列
的周期性被打破了那么光波就可以从这个缺陷射出如果这种缺陷缺是如图
2
中所示的线缺陷那么光就沿着缺陷构成的通道传播从而实现对光的传播方向
的控制甚至可以让光转过很锐的弯
从波动方程的角度来说 由
MAXWELL 方程的出发在e 为常数的自由空
间或均匀介质里有我们熟悉的波动方程
Ñ
2E- mew2E = 0 1
但是在光子晶体里 由于
e 不再是一个常数而是一个周期函数波动方程就变
为
( )
[ E(r)] E(r)
r
2
1
2
c
v
e
Ñ´ Ñ´ =
. 2
光子晶体的结构特性都包含在函数
e (r )里使方程2 有解的w 将构成能
隙而使方程
2 无解的所有w 则构成带隙
图
3 是介质棒呈等边三角形排列的二维光子晶体的带隙结构水平坐标表示
入射光波的波矢垂直坐标表示频率从图中可以看到在
0.4-0.6 之间有一段
频率范围里不存在任何波矢的光波这说明在这个光子晶体里存在这样一个
图
3. 等边三角形光子晶体在f=0.78, 介电常数比为13 时的带隙结构图
光子带隙禁带
3.
光子晶体的应用
光子晶体的光子带隙的存在使它具有很重要的应用背景 可以制作全新原理
或以前所不能制作的高性能器件
1
高性能反射镜控制光子流动的晶体
频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中转播 因此选择没有
吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向入射的光反射率几乎为
100%
而传统的金属反射镜虽然在较大的波段内可以反射光但在红外波段有
较大的吸收如果把这种光子晶体反射镜用作平面天线的衬底可以解决衬底透
射的问题
2
光子晶体波导
传统的介电波导可以支持直线传播光 但在拐角处会损失能量而光子晶
体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率这对于光学器件的集成非
常有意义
3
光子晶体微腔
在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态 这种缺陷态具有很
大的态密度和品质因子这种光子晶体制成的微腔比传统的微腔优异得多 用
它制作微腔激光器体积可以非常小
4
光子晶体光纤
在传统的光纤中 光在中心的氧化硅核传播通常采取掺杂的办法提高其
折射系数以增加传输效率但不用的掺杂物只能对一种频率的光有效英国
Bath
大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛细管一次绑在一起组成六角
阵列在
2000 度高温下烧结后制成了二维光子晶体的光纤在光纤的中心可以
人为地引入空气孔作为导光通道也可以用固体硅作为导光介质光子晶体光纤
在两个方面明显优于传统的光纤一是它在很宽的频率范围内支持单模运行二
是可以传输更大功率
5
光子晶体超棱镜
常规的棱镜难以分开波长相近的光 而用光子晶体制成的超棱镜分光的能
力比常规棱镜大
100 到1000 倍而体积只有常规的百分之一大小这对光通信
中的信息处理有很重要的意义
6
光子晶体偏振器
用二维光子晶体制作的偏振器具有传统的偏振没有的有点 工作频率范围
大体积小易于集成很容易在硅片上集成或在硅基上制成
光子晶体还有许多其它应用背景 如无阈值激光器光开关光放大滤
波器等新型器件随着对光子晶体的许多新的物理现象的深入了解和光子晶体制
作技术的改进光子晶体更过的通途将会被发现
No comments:
Post a Comment