1、光子晶体简介,一. 引言 二. 光子晶体的应用 三. 光子晶体制备方法 四. 光子晶体的发展前景 五. 总结,一、引言,光子晶体（photonic crystal）E. Yablonovitch 和S.John在 1987年分别独立地提出了光子晶体的概念, 是一种介电常数在空间呈周期性排列的光学微结构。分为一维、二维和三维光子晶体.,E.Yablonovitch. Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062 S.John . Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489,光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率落在其中时，它被全反射，不能穿过光子晶体。处于
2、具有完全带隙（所有方向的入射都被全反射）光子晶体中的原子自发辐射被禁物理上，光子带隙来源于：被周期性介电结构强散射的光之间的干涉,光子局域,在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。,光子带隙,光子能带和电子能带,电子在周期性势场中薛定鄂方程：,R为晶格矢量,单频光在介电常数周期性变化结构中麦克斯韦方程:,周期变化的介电常数,在介电常数以光波长周期变化 的结构中光子的运动规律类似于晶体中电子的运动。,本质上光子是自旋为1的玻色子,是矢量上的饿电磁波,而电子是自旋为1/2的费米子,是标量波;另外,普通晶体的能隙一般利用光电子能谱中的吸收边测量出来,
3、而光子晶体的带隙则是通过透射系数的测量确定.在带隙里,入射电磁波将完全反射,透射系数为零.,二. 光子晶体的应用,光子晶体的禁带特性。光子晶体的最根本特性就是具有光子禁带，一定频率的光不能在光子晶体中传播，可以用来实现滤波器以及微波天线。 对自发辐射的控制。如果原子的自发辐射频率落在光子禁带内，这种自发辐射就会被抑制；如果在光子晶体中加入杂质，光子禁带中就出现了杂质态，可以实现自发辐射的增强。对自发辐射的抑止或增强可用于无阈值激光器和高效发光二极管。 光子晶体的缺陷态。在光子晶体中引入点缺陷，就相当于制作了一个可以捕获光的微腔，可以实现高Q 值的谐振腔；而引入线缺陷，就相当于在光子晶体中引入了
4、光的传播通道，可以作为光波导和光纤。,1.在波导中的应用,平面波导结构光子晶体结构+全内反射,目的：避免在垂直方向光泄漏,(a),(b),(c),光子晶体光纤,(a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤,利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在芯层形成的缺陷中存在和传播。 能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输率的现象。 光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。,光子晶体LED,左边是传统的 LED结构，可以看到它的全反射，现有的 LED临界度是比较小的，相对的，光子晶体蓝色 LED所设计出来的 LED，由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以可进入临界角
5、投射到外面，改善过去 LED的光会全部反射的问题。,日本松下电器第一个将光子晶体运用导入蓝色LED,在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。光子晶体 LED的效率比一般的 LED高出 50。,(a) top xiew of PhC blue LED,(b)Cross-section view of 2-D PhC,在光子晶体的设计上有一些重点，有一个指标是周期这一部分，周期和衍射的距离有关，如果周期越小，衍射的距离就越大，纵使经过修正后还是没有办法将光发射到外面去。相对的如果周期变大，衍射的距离越小，因为这样的关系，光就可以移到外面去了，所以在
6、设计上需要找到一个最适合的周期。,还有一个要点就是高度，高度跟衍射的效率有相当紧密的相关联性，实际上并不是所有的光都会受到衍射的影响，受到衍射影响的光都会跟衍射率产生相关联，所以这两个重要指标就是在开发光子晶体 LED时，需要计算出最适当的 数值,光子晶体LED的设计重点:,光子晶体LED有关文章,Light extraction enhancement from nano-mprinted photonic crystal GaN-based blue light-emitting diodes Opt. Express 14, 8654-8660 (2006),Appl. Phys. Le
7、tt. 89,181109 (2007).,Appl. Phys. Lett. 89,091116 (2006).,三. 光子晶体的制备方法,1. 一维光子晶体结构简单，制作简便，制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、MOCVD 、分子束外延等,2. 二维光子晶体主要结构有周期性排列的介质棒阵列和打孔的薄膜结构。排列方式一般为四边形和三角形点阵，通过调节棒或孔的直径以及间距大小，可以实现不同频率与带宽的光子禁带。一般采用激光刻蚀、电子束刻蚀和外延生长法等制造二维光子晶体,(a)介质棒阵列,(b) 打孔的薄膜结构,三维光子晶体制备,精密机械加工法: Yablonovich等用打孔的方法在基体表面
8、每一点沿着相差120度的方向往里打孔,在基底材料里留下了近椭球圆柱形结构组成的面心立方光子晶体.,只能用于加工微波波段的光子晶体,对于更短波长的光子晶体,显得无能为力,半导体制造技术的方法:将电子束蚀刻,反应离子束蚀刻,化学气相淀积等技术运用于堆积式的光子晶体制造.,S. Y. Lin et al.,Nature 394, 251 (1998),(1) 利用电子束,激光束等在Si基上进行蚀刻,留出一系列彼此平行的Si棒; (2) 再用水解等方法将Si棒之间的区域用SiO2进行填充,并进行表面机械抛光; (3) 然后再用多晶Si沉积的方法在(2)中所得的层上铺一层Si,以便蚀刻与(2)中Si棒向
9、垂直的第二层Si棒,(4) 重复以上步骤以制得所需的层数,然后再用酸将SiO2清洗掉,即得三维周期性结构,胶体自组织法 激光全息法,光子晶体被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”。可以预计，光子晶体的许多基本应用将会在市场上体现出来，在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。 在二十年内，应该制造出第一个光子晶体逻辑路 。由光子晶体制造的光通讯器件将会改变光通讯的现状，光子晶体技术的发展必将对光通信技术产生重大而深远的影响。,四、光子晶体的发展前景,探求光子晶体的新物理效应,设计有特定带隙结构的光子晶体,制作光子晶体的新方法,光子晶体在实际中的应用,总 结,数值计算 结构设计 制作方法,谢 谢,
