1、光子晶体及其应用,林晨曦Tsinghua Univ.,内容提要,光子晶体简介 光子晶体能带的形成 光子晶体能带特性与功能 光子晶体在光通信系统的应用 一维光子晶体 二维光子晶体,光子晶体能带的形成: 散射,杂乱介质中的光散射 光波波长杂质平均间隔a：Rayleigh散射光子平均自由程la4能量以扩散方式传播 a: 几何光学，la,能量以波动方式传播 a：光子局域， la临界状态，光子局域 相干散射比随机散射更容易获得光子局域启发人们设想光子晶体,光子晶体能带的形成: 布拉格反射,菲聂尔(Fresnel)定律光波在入射到不同折射率的分界面上时,会发生折射/反射 布拉格(Bragg)反射光波穿过周
2、期性调制折射率的介质时,不同层面上的反射光相干叠加,使总的反射光增强/减弱 有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构,均匀介质中：线性色散，不会形成带隙 周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受到“晶格”的布拉格反射，不能传播，形成带隙,光子晶体能带的形成: 光的“半导体”,半导体中,电子波函数受到晶格的周期性散射, 某些Bloch频率(电子在固体中做共有化运动的德布洛意频率)的电子波不能在晶体中传播,对应禁带(带隙);其他频率的电子波能够传播,对应导带和价带. 包含不同介电常数组分的周期性介质也会对光波产生Bragg反射/折射,形成能带结构,光子晶体能带的形成: 角
3、度相关性,光波入射在平面光栅上,不同处反射/透射的光相干叠加,形成定向传播的反射/投射波 光子晶体和普通介质(如空气)的分解面上也有类似现象,光子晶体能带的形成: 偏振相关性,电磁波为矢量波,TE波和TM波分别形成能带结构 TE波和TM波共同的带隙为全带隙 带隙有频率,角度(方向)、偏振相关性,红色:E偏振的带隙 蓝色:H偏振的带隙 黑色:两者相交,全带隙,光子晶体能带的形成: 缺陷,带隙中的波：指数增长(衰减)形,在纯光子晶体中不能存在，只能在缺陷中存在 缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件,光子晶体能带特性与功
4、能: 光子晶体分类与基本结构(1),一维光子晶体在近期光子晶体定义中被排除在外，不算光子晶体，但一维光子晶体与二维、三维的光子晶体在物理本质上有相通之处 一维光子晶体: 光栅 多层介质膜,光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(2),二维光子晶体分为平板和光纤两大类 平板：光波主要在二维光子晶体所在平面内传播 光纤：光波主要沿与二维光子晶体所在平面垂直的方向传播,光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(3),三维光子晶体: 紧密排列的条状物 紧密堆积的小球(颗粒),光子晶体能带特性与功能: 能带结构,光子的色散关系:k(频率与波矢的关系),光子晶体能带特性与功能: 态密度分
5、布,态密度：单位频率间隔、单位体积内能容纳多少个传播模式 带隙中态密度为零 带隙的带边处有可能出现态密度增大(尖峰) 带边的态密度急速下降为零(带隙)或很小的值(准带隙),光子晶体能带特性与功能: 影响因素,能带结构与几何参数(晶格种类、形状等)有关 能带结构与光学参数(介电常数)有关,光子晶体在光通信中的应用 一维光子晶体,多层介质膜：广泛用于增透膜、增反膜 外腔激光器两端镀膜以增加反射率，降低阈值和噪声,第一台激光器 原理示意图,光子晶体在光通信中的应用 一维光子晶体,半导体激光器中使用Bragg反射作为光腔的两个“端面” DFB(分布反馈激光器) DBR(分布布拉格反射激光器) VCSE
6、L(垂直腔面发射激光器),光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,早期实验验证光子晶体(微波波段),光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,光子晶体波导可以实现直角转弯,补充 传统波导的原理及缺陷,金属波导(waveguide)依靠镜面反射原理 传统介质波导依靠全反射原理波导芯区折射率高于包层 当波导弯曲时，有光的泄漏发生弯曲损耗 弯曲损耗时与弯曲半径呈指数关系存在阈值，弯曲半径在阈值以下，损耗不重要；在阈值以上，损耗急剧增大弯曲半径不能过大限制了波导的集成度，无法像电子芯片一样灵活布线,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,分频器,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：
7、平板,滤波器,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,抑制自发辐射 在有光子晶体存在的空间，光波无法穿透而传播 光子晶体阻拦的方向，自发辐射被抑制 其他的方向，自发辐射被允许,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,光子晶体微腔 费米(Fermi)黄金定则：自发辐射率与光场模式密度成正比用光子晶体调节模式密度，即可改变自发辐射率，进而增强微腔的品质因数(Q值),光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,微腔激光器 改变光腔的品质因数，即可改变激光器的特性，如阈值、噪声等,补充 激光器(1),激光器的三个组成部分 泵浦：将增益介质的粒子从下能级泵浦到上能级，造成粒子数反转，使辐射
8、大于吸收，产生增益 增益介质：提供粒子，将泵浦的能量通过量子过程转移给激光 谐振腔：1，使光在腔内往复传播，经历更多的增益2，光腔有选频和定向作用，使激光的频宽窄，方向性好,补充 激光器(2),泵浦能量泵浦泄漏泵浦损耗非辐射复合(损耗)自发辐射(噪声)腔内激光输入激光 抑制自发辐射，可以降低激光器的阈值，减少噪声,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,负折射 折射率为负 0级透射波被带隙抑制 只存在1级（或1级）透射波,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,超棱镜 光波透过光子晶体与空气的界面之后，传播方向变化，发生折射 折射率对入射光的频率、方向等非常敏感 远远超过普通棱镜的
9、能力，叫做“超棱镜”,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：平板,负折射成像 负折射使入射光线和折射光线在法线同侧 发散的光束可以会聚，聚焦，成像,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：光纤,基本结构 Si基光纤,截面出现光子晶体 包层为二维光子晶体，芯区为缺陷 芯区导光,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：光纤,由于历史原因，所谓光子晶体光纤并不全是依靠光子晶体的带隙特性导光的 光子晶体光纤，又叫微结构光纤(Micro-structure Fiber),光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：光子,Band Gap Guided Rods Rings Index Guided Lar
10、ge Holes Air Clad High Delta Core Tapered Small Holes,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：光子,Index Guided 不是真正的“光子晶体光纤” 包层含有空气孔，芯区没有孔，只有SiO2 包层平均折射率小于芯区，靠全反射导光 Band Gap Guided 真正用光子晶体特性导光 包层是二维光子晶体(Ring型为一维光子晶体) 频率落在带隙内的光波无法穿透包层而辐射，从而被限制在芯区,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：光子,带隙对模式的影响 导波模的传播常数急剧变化 和普通光纤类似 泄漏损耗急剧变化 新的截止行为 带隙导致的截
11、止 不同模式分布于不同带隙中 波导导致的截止 不同模式存在于同一个带隙中 不同的截止频率 带内截止，带边截止,补充 光纤中的模式,多模光纤的模式 辐射模和传导模 子午模(TE、TM波)与旋进模(EH、HE波) 每个模式都有其截至波长，长于此波长的光无法存在于此模式中，短于此波长者则可存在 最低模式为HE11模，它的截至波长为无穷大，即它永远存在,光子晶体在光通信中的应用 二维光子晶体：光纤,带隙对光纤色散的影响(1) 不同模式有不同的色散关系 带隙中的模式截止会带来色散的严重变化 邻近导波模式截止处, 波导色散增大,上图红色：色散参量(D) 蓝色：基模传输 黑色：次高阶模传输,光子晶体在光通信
12、中的应用 二维光子晶体：光子,带隙对光纤色散的影响 带隙边缘处,色散急剧变大 零色散波长位于带隙短波长侧,色散曲线非对称,左图红色：色散参量(D) 左图黑色：基模传输 上图：不同光纤的色散奇异行为,补充 光纤的色散(1),光纤的色散 群速度随中心频率的变化 不同波长的信号，传播时间(延时)不同 多模光纤的色散,补充 光纤的色散(2),单模光纤的色散：古斯汉辛位移 反射波和入射波在反射点上相位不连续，这个相位移动叫做Goos-Haenchens shift 单模光纤也有色散 同一模式不同频率的波，斜入射到波导壁的角度不同，引起G-H位移也不同，传导相同距离所需时间亦不同,补充 光纤的色散(3),单模光纤的色散主要包括二部分 材料色散为石英的本征色散 波导色散为光纤在光纤中导引传播而带来的色散,总结,光子晶体是为了改变光子的运动而设计的 光子晶体能带：导带、禁带 一维光子晶体：多层介质膜 二维光子晶体：平板、光纤 三维光子晶体 光子晶体从概念到工艺制作都处于初级水平，有待进一步发展,谢谢大家!,2003.12.20,
