光子晶体简介及应用

光子晶体及其应用的研究

(程立锋物理电子学)

摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。

关键词：光子晶体；算法；应用；

1光子晶体简介

在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。

在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在

带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。与半导体类似，光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构，从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。同样，光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlic Band Gap)。频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。其实不管任何波，只要受到周期性的调制．都有能带结构，也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是不能传播的，电磁波或者光波也不例外．如果只在一个方向上具有周期结构，光子带隙就只可能出现在这个方向上，如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。我们将具有光予禁带的周期性介质结构称为光子晶体(Phooo面c crystal)，或叫做光子带隙材料(Photonic Bandgap Materials)。

2光子晶体的结构

按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。

所谓一维光子晶体是指介质频率在空间一个方向上具有周期性分布韵光子晶体材料，相当于不同介质组成的多膜材料。简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空阊位置的周期性函数，而在平行于介质层平面方向上介点函数不随空间位置变化。实际上，光学中常见的布拉格反射镜

就是一种简单的一维光子晶体。

二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由介质杆平行而均匀的排列组成的。这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向)介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在多种结构。如矩形、三角形、和石墨的六边形结构等。截面形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样。矩形的光子频率禁带范围较窄，三角形和石墨结构的光子频率禁带范围较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同的两种介质拄来构造二维光子晶体。光子晶体光纤和光子晶体波导就是二维光子晶体的特例。

三维光予晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。三维光子晶体具有全方位的光子带隙，即落在光子带隙中的光在任何方向都被禁止传播。这一特性具有极其重要的应用前景。Yablonovitch创造出了世界上第一个具有完全光子频率带隙的三维光子晶体，它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构，也称为钻石结构。不过三维光子晶体的制作相对来说比较复杂，对材料和设计加工都有很高的要求。

2.1光子晶体的理论研究方法

由于电磁场的矢量特性，使得光子晶体的理论模拟变的较为困

难。不过，经过许多理论物理学家的努力，目前几种理论上的模拟和实验结果已经取得较好的一致性。这些理论方法比电子能带理论计算方法更为完善，因为光子之间不存在库仑相互作用，是真正的单粒子问题，而在电子系统中库仑作用不可忽略，固体物理只能采取一定的近似条件来计算。由于这个原因，光子晶体理论计算的结果往往和实验测量的结果相差很小，理论结果甚至可以直接应用于生产实践，从这个角度来说，光子晶体的理论计算有着很重要的实践意义。以下是几种用来计算光子带隙和缺陷模的方法，它们均基于经典电磁场理论。

1、平面波展开法

平面波展开法在光子晶体理论分析中应用最早也最广泛。在计算光子晶体能带结构时，平面波展开法应用布洛赫定理，把介电常数和电场或磁场用平面波展开，将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间，从而将能带计算简化为代数本征问题的求解。平面波展开法的缺点是收敛速度比较慢，通过与紧束缚法相结合，可以在某种程度上解决这个问题。另外，平面波展开法不能计算金属光子晶体能带。

2、时域有限差分法

时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，简称FDTD)的基本思想是：首先定义初始时间的一组场分布，然后根据周期性边界条件，利用麦克斯韦方程组可以求得场随时间的变化，随着时间的演化，最终解得光子晶体的能带结构。FDTD方法既可以计算光子晶体介质结构的能带关系，也可以计算金属结构的光子晶体能带关系。结合最

佳匹配层(Perfectly Matched Layer)技术，该方法还能计算光子晶体缺陷局域态、光子晶体波导本征模、光子晶体表面模等一系列问题。这种方法的优点是简单、直观、容易编程，且可以大大减少计算量。节省计算机内存。目前已有不少利用该方法计算光子晶体的文献，相关的计算机软件也已经开发出来。

3、转移矩阵法

转移矩阵法同样把求解光子带隙转化为求解本征值问题。这种方法首先对麦克斯韦方程做离散化，将电场或磁场在实空间格点位置展开。相邻两层空间的场之间的关系可以用一个转移矩阵来表示。利用转移矩阵，由麦克斯韦方程可以从一个层面上的场外推至整个光子晶体空间。该方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效。由于转移矩阵只与层面上的格点数的平方成正比，与平面波展开法相比，其计算量大大降低，精确度也非常好，而且还可以计算一个有限尺寸光子晶体的反射系数和透射系数。

4、多重散射法

多重散射法将光子晶体作为散射体放置于开放系统中，当电磁波与散射体相互作用时，研究目标的散射、吸收和透入特性。由于入射波与物体作用要产生散射波，散射波与入射波之和满足介质不连续面上切向分量连续的边界条件，因此在物体所在区域直接计算入射波和散射波之和的总场比较方便。将电磁场分别向一阶BesseI、HaIlkcl 函数作展开，又因为麦克斯韦方程是线性的，故总场、散射场和入射场都分别满足麦克斯韦方程，通过求解展开系数可以求散射振幅、传

输系数等。这种方法在求解某些特殊问题时效果相当不错。

3光子晶体的应用

光子晶体能够控制光在其中的传播，所有它的应用十分广泛。在光子晶体中引入一个点缺陷，可以制成高品质的谐振腔，这种谐振腔可以改变原子的自发辐射；在光子晶体中引入线缺陷，可以制成新型波导，这种波导无弯曲损耗。目前，光子晶体的应用主要体现在以下几个方面：

1、光子晶体全反射镜

传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和可见光波段有较大的吸收。此外，由于金属的趋肤效应，金属反射镜对光波的吸收只发生在表面极薄的深度内，在强光照射下，金属反射镜表面的温度会上升到很高，从而造成金属反射镜的表面变形，使其质量严重下降。用光子晶体材料制成的反射镜可以克服上述缺点。光予晶体中不允许频率位于光子带隙内的光子存在。当一束频率处于光子带隙内的光子入射到光子晶体上时，会被全部反射。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的入射光，反射率几乎为lOO％。根据这个原理制作出的反射镜没有上述金属反射镜的诸多缺点：因为光学介质在几个波长的深度内对光波的吸收损耗非常小，所以采用光学介质材料制成的光子晶体反射镜具有极小的损耗；同时相对于金属表面由于趋肤效应产生的吸收薄层，光子晶体反

射镜对光波的吸收分布在几个波长厚的较多介质内，因吸收光而产生的热量分布的体积要大孚导多，所以同样强度的光照下，光子晶体反射镜表面温度升高值要比金属反射面的温度升高值小得多，反射镜的表面不容易损坏。如一维光子晶体全方位反射镜。

2、光子晶体天线

这是光子晶体在微波波段的一个重要应用。微波天线在军事和民用方面都有许多重要的应用。如在卫星电视，雷达等等都有广泛的利用微波天线。然而传统的微波天线制备方法是将天线直接制各在介质基底上，这样就导致大量的能量被天线基底所吸收，因而造成基底的发热。光子晶体的发现给解决这一问题提供了相当有效的方法。针对某一微波频段可以设计出需要的光子晶体，并让光子晶体作为天线的基底，这就实现了无损耗全反射，就把能量全部反射到空中。目前，基于光子晶体的高方向性、高增益和超宽频带天线和阵列天线的研究，小尺寸隐蔽天线的研究，超方向性的光子晶体共振天线的研究都已取得显著的成绩，天线在应用了光子晶体覆膜后还能有效的减少人体所受到的电磁波的辐射，光子晶体天线已称为光子晶体研究领域的另一个热点。

3、光子晶体密集波分复用器

利用光予晶体波导，谐振腔，波导之间的相互作用，可以构造高品质的极窄带选频滤波器。基于这个原理可以设计结构紧凑的光子晶体密集波分复用器。近

年科研人员发现了光子晶体的超棱镜现象，波长相差很小的光波可以

达到很大的分离角，从而提出了另一种光子晶体密集波分复用器模型。

4、非线性光子晶体器件

非线性光子晶体是采用非线性介电材料制作的光子晶体。目前非线性光子晶体的研究形成了大热点，因为非线性光子晶体在光子开关，光子限幅器，光束分裂和光束合成等方面有着难以估量的应用潜力和发展潜力。

5、光子晶体光纤

传统的光纤是由纤芯和包层两种光学性能不同的介质构成，光依靠全内反射在纤芯中传播。传统光纤的缺点是不同波长的光穿过光纤纤芯的速度不同，考虑长距离传输时，在信号中就会出现时间延迟，所以信号就需要在不同的波长编码。这种现象叫做延迟——光纤纤芯越粗延迟就越厉害，因为光将沿不同的路径或“模式”通过纤维。通过这样的纤维的一个光脉冲变宽，必将限制能准确接收的数据。解决的方法还有一种就是采用单模光纤，即尽量减少光纤纤芯的直径，从而可以只允许一个模式的光路通过，以避免上述问题。但同时成本将大大提高。而光子晶体制作的新型光纤在这方面都有显著的优势。光子晶体带隙保证了能量的基本完整无损，而且也不会出现延迟等影响数据传输的现象。

除了以上应用，光子晶体还可以用来制作具有很高的品质因数的光子晶体微腔，光子晶体放大器，光存储器，光子频率变换器等。由于光子晶体的特点决定了其优越的性能，光子晶体器件将取代大多数

传统的光学器件，使得集收集、处理、传输于一体的光学系统得以实现。随着对光子晶体带来的新的物理现象的深入研究，光子晶体将有更多的用途被发现。

参考文献

1何晓东. 光子晶体及其应用的研究. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所：中国科学院博士学位硕士学位论文，2002：54—70 2向安，高鸿奎，高建平，等．光子晶体的制备及应用化学通报，2002，V01.10：669．674

3宋俊峰．光子晶体的理论研究．吉林长春：吉林大学博士学位论文，2000：44—56

4张友俊;姬波;王向前光子晶体及其应用[期刊论文]-红外与激光工程 2004:03

5.Yablonovitch E Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics 外文期刊 1987:20

光子晶体的应用及其发展前景

光子晶体的应用及其发展前景 摘要：光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。 关键字：光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 （1）1987年，E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 （1）什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。 （2）光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。

光子晶体简介及应用

光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；

1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在

光子晶体基本原理

光子晶体 2.1光子晶体的基本原理 大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。 另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。 简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。 2.2光子晶体的制备 人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。 从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。

光子晶体原理及应用

一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的

光子晶体的应用与研究

光子晶体的应用与研究 IsSN1009—3044 Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术 V o1.7,No.22.August2011. 光子晶体的应用与研究 陆清茹 (东南大学成贤学院,江苏南京210000) E—mail:kfyj@https://www.wendangku.net/doc/1f1631707.html,.ell https://www.wendangku.net/doc/1f1631707.html, Tel:+86—551～56909635690964 摘要:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand～Gap,简称为PBG)g~性的人造周期性电介质结构.有时也称为PBG光子晶体结 构.该文系统的阐述了光子晶体的产生,制备及应用. 关键词:光子晶体;光子频率禁带;激光全息: 中图分类号:TN364文献标识码:A 光子晶体激光器:微波天线 文章编号:1009—3044(2011)22—5468—02 进入2O世纪后半叶以来,全球迎来了电子时代,电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域,尤其是促进了计算机 和通讯行业的发展.但是进入21世纪以后,伴随着电子器仲不断深入的小型化,低耗能,高速度,其进一步的提升也越来越困难.人 们感到了电子器件发展的瓶颈,开始把目光转向了光子,有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想.电子器件的基 础是电子在半导体中的运动,类似的,光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动.光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量 损耗小,运行速度快,所以工作效率高.光子器件在高效率发光二极管,光子开关,光波导器件,光滤波器等方面都具备巨大的应用

潜力.近年来,光子晶体相关的理论研究,实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展,光子晶体领域已经成为现在世界范围 的研究热点.1999年l2月17日,《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一. 1光子晶体的由来 1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand—Gap,简称为 PBG)特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG光子晶体结构.它是根据电子学上的概念类比得出的.我们知道,在固体物理 学的研究中,晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用.在介电常数周期性分布的介质 中的电磁波的一些频率是被禁止的,光子晶体也类似.通常这些被禁止的频率区间为光子带隙,也叫光子频率禁带,而将具有"光子 频率禁带"的材料称作为光子晶体 2光子晶体的分类与结构 我们可以根据光子晶体的结构进行分类根据其能隙空间分布的不同,我们把光子晶体分为一维光子晶体,二维光子晶体,三 维光子晶体. 3光子晶体的制造 光子晶体在自然界中几乎不存在,它是一种人造做结构,其制备工艺主要有以下几种: 3.1机械加工法 机械加工法又叫精密机械加工法.这种加工法是存光子晶体的早期研究中发展起来的方法.机械加工法通过在集体材料上进 行机械接卸钻孑L,利用空气介质和集体材料的折射率差束获得光子晶体,这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在 厘米至毫米量级的微波波段光子晶体. 3.2半导体微制造法 半导体制备技术中的"激光刻蚀","反应离子束刻蚀","电子束刻蚀"以及"化学汽相

以平面波展开法分析光子晶体能带结构.

以平面波展開法分析光子晶體能帶結構 廖淑慧講師 中州技術學院電子工程系 黃坤賢學生 黃照智學生 中州技術學院電子工程系 摘要 光子晶體的主要特色在於所謂的光子能隙—電磁波無法在能隙中傳播。雖然三維的光子晶體被認為是最具應用潛力的，但是二維光子晶體的結構在製程上卻佔有較易製作的優勢，所以在光電元件裝置及相關研究領域上亦廣為使用。我們使用平面波展開法，分別計算一維和二維光子晶體的能帶結構。根據理論分析的結果，我們發現一維光子晶體無論介電常數差異如何，總是存在著光子能隙。對於二維正方晶格的結構計算，我們發現正方晶格對TM波有能隙，對TE波則無。 關鍵詞: 光子晶體，光子能隙，平面波展開法 壹﹑前言 當半導體中的電子受到晶格的週期性位勢(periodic potential)散射時，部份波段會因破壞性干涉而形成能隙(energy gap)，導致電子的色散關係(dispersion relation)呈帶狀分佈，此即所謂的電子能帶結構(electronic band structure)。西元1987年，E. Yablonovitch 與S. John不約而同地提出相關見解[1][2]，說明類似的現象亦存在於所謂的光子系統中。根據他們提出的研究報告顯示，在介電係數呈週期性排列的三維介電材料中，電磁波被散射後，某些波段的電磁波強度將會因破壞性干涉而呈指數衰減，無法在該材料內傳遞，這樣的現象相當於在對應的頻譜上形成能隙，因此，色散關係也具有帶狀結構，此即所謂的光子能帶結構(photonic band structure)。這種具有光子能帶結構的介電物質，就稱為光子晶體(photonic crystal)。 事實上，在三維光子能帶結構的概念尚未被提出之前，科學家們對於一維的光子晶體(層狀介電材料) 的研究早已行之多年。電磁波在一維的光子晶體中的干涉現象早已應用在各種光學實驗以及相關的應用產品之中，例如作為波段選擇器、濾波器、繞射光柵元件或反射鏡等。因為科學界一直未能以「晶格」的角度來看待週期性光學材料，所以遲遲未能將固態物理上已發展成熟的能帶理論運用在這方面。直到1989年，Yablonovitch與Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在[3]，終於引起相關研究領域的注意，並且開始大舉投入這方面的研究。

光子晶体的应用及其发展前景

光子晶体的应用及其发展前景 光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 (1)什么是光子晶体

光子晶体及其器件的研究进展

深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师

子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得

光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展

光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展 段廷蕊　李海华　孟子晖3　刘烽　都明君 (北京理工大学化工环境学院　北京　100081) 摘　要　光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料,它具有尺度为光波长量级的重复结构单元,通过对这些结构单元的合理设计,可以调控光子晶体 的光学性质。近年来,光子晶体不仅在药物释放、光学开关、金属探针领域取得了广泛的应用,也为化学及生 物传感器领域提供了新的检测原理和手段。本文概述了光子晶体的制备方法及近年来该技术在化学及生物 传感器领域中的应用研究。 关键词　光子晶体　水凝胶　化学传感器　生物传感器　分子识别 Application of Photonic Crystals in Chemical and Bio2sensors Duan T ingrui,Li Haihua,Meng Z ihui3,Liu Feng,Du Mingjun (School of Chemical&Environmental Engineering,Beijing Institute of T echnology,Beijing100081) Abstract　Photonic crystals are periodical materials which are made by periodically arrangement of m ore than tw o materials with different reflective index.Photonic crystals have periodical and repeated unit structure with nanometer scale, and its optical properties can be tuned by reas onably designing of the structure units.Photonic crystals have been applied not only in clinical diagnosis,drug delivery,optical s witches,ion probe,but als o in biosens ors and chemical sens ors.Here the preparation methods and applications in sens ors field of photonic crystals are summarized. K eyw ords　Photonic crystals,Hydrogel,Chemical sens or,Biosens ors,M olecular recognition 1　光子晶体的概念及其结构特性 光子晶体(photonic crystals)是1987年Y ablonovitch和John等在研究自辐射和光子局域化时分别提出的。光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制,从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)。光子能带之间可能会出现带隙,即光子带隙(photonic bandgap,简称P BG)。具有P BG的周期性介电结构即光子晶体,或称作光子带隙材料,也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体中,周期性排列的重复结构单元的尺度是光波长量级,根据重复结构循环的维数,可分为一维、二维和三维光子晶体(图1)。就像半导体中原子点阵可以控制电子传播一样,光子晶体中不同折光指数的周期性排列结构可以控制一定频率的光的传播。光子带隙或禁带是指一个频率范围,频率在此范围的电磁波不能在光子晶体里传播,而频率位于导带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折光指数、周期排列的结构尺寸及排列规则都有关系。但与电子相比,光子具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度以及更低的能量损耗。光子晶体作为一种新型的信息传导材料,已成为学术界的一个研究热点[1～5],王玉莲、顾忠泽等[6～8]发表过相关的综述和文章,宋延林等[9,10]近年来报道的具有荧光特性的光子晶体在光学器件领域显示了良好的应用前景。 国家自然科学基金项目(20775007)和863计划项目(2007AA10Z433)资助 2008206230收稿,2008209229接受

综述光子晶体的研究进展

光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领

域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的

光子晶体简介论文

光子晶体简述 吉林师范大学欧天吉 0908211 摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、 三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。 关键字：光子晶体材料制备前景应用 光子晶体的原理 1、什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。 1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念1990年，Ho.K.M，等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 ２、光子晶体的性质 光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出:光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比,当原子被放在一个光子晶体里面,而它的自发辐射光的频率正好 落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可以实现辐射增强。

光子晶体

光子晶体的特点、制备与应用 （哈尔滨工业大学，黑龙江省哈尔滨150090） 摘要：光子晶体是20世纪80年代末提出的具有光子能带及能隙的新概念和新材料,由于光子晶体具有光子带隙、光子局域和控制光子态密度等特性, 所以它具有广阔的应用前景。本文简述了光子晶体的主要特征, 重点介绍了其制备方法、进展以及现有应用和发展前景。 关键词：光子晶体；光子晶体的制备；光子晶体的应用； Characteristics, preparation and application of the photonic crystal Abstract:Photonic crystal is a new concept and new material with photonic band and energy gap at the end of the 1980 s. Because photonic crystal has the properties of photonic band gap, photon localization and control the photon density of states, it has peculiar properties and vast application prospect. This essay briefly introduce the main features of photonic crystal, emphasis introduce the preparation methods, progress and the existing application and development prospect. Keywords: Photonic crystal, the preparation of photonic crystals,the application of the photonic crystal 1引言 光子晶体是电介质材料周期性排列形成的人造晶体，电磁波在其中的色散关系可以用类似于表征电子在半导体中运动的能带结构来描述称之为光子带结构。在光子晶体中可能存在的带隙称之为光子带隙。人们从各个角度展开了对它的理论和实验研究, 取得了迅速的发展, 尤其是介电常数呈三维周期性排列的光子晶体的理论研究和实验制作更受到高度重视。[1]由于光子带隙的存在，

蓝光LED光子晶体技术原理及制程详解

蓝光LED光子晶体技术原理及制程详解 为回避日亚化学的蓝光LED 加萤光粉制技术专利，各业者纷纷投入其它能达到散发出白光的LED 技术，目前最被期待的技术是利用UV LED 来达到白光的目的，但是，UV LED 仍旧有着光外漏及低亮度两个不易克服的困难。使得除了继续努力来解决相关的问题外，不得不再去寻求其它的材料或技术来达到散发出白光的LED 技术。 ?在1987 年，国籍相异且分居不同地点的两位学者，Eli Yablonovitch 与Sajeev John 几乎同一时间在理论上发现，电磁波在周期性介电质中的传播状态具有频带结构，利用两种以上不同折射率（或介电常数）材料做周期性变化来达成光子能带的物质。所以光子晶体（PhotonicCrystal）被发现已将近 20 年后的今天，在各领域的应用有着相当令人激赏的表现，一直是备受研发者所关心的一项技术。 ?目前利用二次元光子晶体来达到完成白光LED 的技术，已陆续出现突破性的发展，使得未来Photonic Crystal LED 已成为众所瞩目的焦点与摆脱日亚化学专利的期望寄托。 ?1、光子晶体特性与结构 ?光子晶体随着波长不同，会出现于周期性的结构，可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这些结构当中，最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构，但是，三次元的光子晶体在制造上及商品化，就今天的技术而言是非常困难的。原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体，所以，今天在LED 领域各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。 ?一般的材料构造是属于固定构造，所以材料本身会具有的一定的折射率。

光子晶体的制备及其应用.

简述光子晶体的制备及其应用 摘要：简单介绍了光子晶体，光子晶体的理论分析方法，简述了光子晶体在光传感的应用，空心光纤的简单介绍。 关键词：光子晶体简介，光子晶体的制备，光子晶体理论分析方法，光子晶体的应用，光传感，空心光纤1.简介]1[ 光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。 从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 2.制备和理论分析方法]2[ 2 . 1有效折射率方法 B i r k s等人最早研究光子晶体光纤时，将其与传统的阶跃折射率光纤类比， 提出了等效折射率模型，主要用于解释全反射型光子晶体光纤的单模特性，并指 出对于光子晶体包层空气孔比较大的情况下不能使用此方法，而且很少用于分析 光纤的色散特性，主要原因是一般认为其精度比较低。但也有文章表示，等效折 射率模型可以进行模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损 耗特性、色散特性等等，同时结果精度较好1 4 5 - 4 8 1 。其计算方法的主要等效步骤如 图2 . 3 . 1 所示。

光子晶体

缺陷真的是不完美吗？ ——光子晶体的理论计算、制作工艺以及器件应用 （综述报告） Do defects really mean imperfection? On theory, fabrication and applications of photonic crystals （Review） 胡小龙 034698 无研01

摘要 光子晶体材料的介电系数在空间中呈周期分布，这种材料存在光子带隙，引入缺陷对光有局域效应，为更好地控制光和利用光提供了新的方法。本文综述了近几年来光子晶体理论和实验方面研究进展，包括：理论计算方法、制作工艺以及器件应用。 Abstract The dielectric coefficient of photonic crystals is periodic in space. Photonic bandgap exits and light can be localized in the defect. The emergence of this new material provides new methods and possibilities for the control and manipulation of light. A brief overview of the progress in both theoretical and experimental research in recent years is presented, including: theoretical computation methods, fabrication and applications.

光子晶体

光子晶体的制备及应用 王文瀚12S011029 1 引言 光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。 实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。 当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。[1] 2 光子晶体原理 最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。 (a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构 图1 光子晶体结构示意图

光子晶体在传感器领域的应用

? 164 ? ELECTRONICS WORLD ?技术交流 光子晶体在传感器领域的应用 郑州工程技术学院土木工程学院 宋 萌 本文概述了光子晶体在传感器领域中的应用，简单介绍了光子晶体的基本结构、分类和主要特性。依据应用范围将光子晶体传感器进行分类论述，对其工作原理、结构、特点分别进行了阐述。最后对光子晶体传感器的发展趋势进行了展望。 1987年S.John 和Yabonovitch 分别独立提出了光子晶体的概念，这为操纵和控制光子的传播提供了新的途径。光子晶体是指一类由不同折射率的介质周期性排列而成的微纳结构，它具有光子带隙，处在光子禁带频率范围内的光波在介质中的某些方向上是不能传播的。利用这种光子禁带特性，可以将光子晶体制成光波导器件、光子晶体光纤等光电器件（张友俊,姬波,王向前,等.光子晶体及其应用[J].红外与激光工程,2004,33(3):320-322）。近年来，光子晶体一直是国内外科技工作者研究的热点，光子晶体的相关研究成果已经广泛的应用于功能器件、光通信、红外/雷达等领域。传感器是一种能探测、感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出的检测装置，广泛的应用于自动控制、环境监测、生物医学、化学工程等领域。将光子晶体的优良特性应用到传感器技术中，可实现具有体积小、易于集成、灵敏度高等优点的新型传感器件，在温度、pH 值、折射率、压力等探测领域有较高的应用价值。因此，基于光子晶体的新型传感器件的研究引起了科技工作者越来越多的关注。 光子晶体的结构根据其折射率在空间中变化分布的不同可分为一维、二维和三维光子晶体，这分别代表了结构中折射率分布周期性变化的维度。光子晶体结构中折射率的变化量（即折射率对比度）对其自身的光子带隙特性具有重要的影响。光波在光子晶体中传播时折射率对比度会影响结构中布拉格散射的强度。其比值越大，布拉格散射越强烈，光子晶体中产生光子带隙的几率以及带隙宽度也会越大。在光子带隙以内的波段，光波既不能传播，也不能被吸收，将被完全反射。光子晶体的带隙特性使得光子晶体对环境中的某些物理量变化相当敏感，可用于精密检测某些参量的变化。例如，在光子晶体结构中与分析物结合会改变物质的折射率对比度，从而引起光子晶体带隙的位置发生一定的偏移，通过与实验值对比，即可测定分析物的种类、浓度等参量。此外，对于光子禁带处于可见光波段的光子晶体，其结构色特性可以被人眼直接观察到。在响应材料的影响下，某些环境条件的改变会引起光子晶体结构色发生变化，即显示出色彩的改变，这一性质也被广泛的用于某些参量的检测。目前，基于光子晶体的优异特性已经开发出多种不同用途的传感器。 1.化学传感器 光子晶体可作为化学传感器用于检测溶液的pH 值和离子浓度。美国匹兹堡大学的Lee K 等人使用高电荷密度单分散聚苯乙烯球制造 了一种胶体晶体阵列，这种胶体晶体阵列具有较强的衍射光（Lee K,Asher S A.Photonic Crystal Chemical Sensors:PH and Ionic Strength[J].Journal of the American Chemical Society,2000,122(39):9534-9537）。他们利用胶体晶体阵列中布拉格衍射峰值波长的变化来监测pH 和离子浓度变化。实验中发现，在pH 为6.7时，布拉格衍射峰值出现在681nm 处。以此为中性值，当pH 值不断增大至9.6的过程中，衍射峰波长会发生红移。而当pH 值从6.7逐渐降低时，衍射峰波长会发生蓝移。在pH 值为2.0时，衍射峰的波长为506nm 。在所有pH 值下，衍射条纹的中心频率对称，宽度不变。利用胶体光子晶体的这种pH 敏感性可以制成性能良好的化学传感器。软性水凝胶制备的光子晶体可用于检测多种化学物质，并可用于离子传感。其中由水凝胶光子晶体微腔构成的传感器可以用来检测液体溶液中ClO4?和Ca2+离子浓度的微小变化。由于微腔的结构非常小，它们可以作为芯片集成到实验室的设备上。 2.湿度传感器 直接暴露于空气中的水凝胶光子晶体可以用来感知环境中的湿度变化。从水凝胶光子晶体的光学性质的变化可以测量出环境中湿度的大小。基于水凝胶光子晶体开发的光学传感器可通过测量光功耗来感知湿度。美国伊利诺伊大学的Barry,R.A.等人利用聚丙烯酰胺的天然亲水性改变光子晶体的结构性质，从而感知光学性质的变化（Barry R A,Wiltzius P.Humidity-Sensing Inverse Opal Hydrogels[J].Lang-muir,2006,22(3):1369-1374）。由于水凝胶的化学性质，其逆水凝胶结构能够感知湿度。实验中使用的丙烯酰胺具有良好的亲水性和吸水性。当相对湿度为20%时，水凝胶光子晶体的布拉格反射峰在538nm 处，当相对湿度为80%时，反射峰移至580nm 处。光子晶体湿度传感器具有灵活性好、尺寸小的优点，在环境湿度检测方面具有很大的潜力。3.折射率传感器 具有微型空腔的二维光子晶体可用于折射率传感，环境折射率的变化对光子晶体微型空腔的共振波长和品质因数具有强烈的影响。利用此原理，将不同的液体渗透到有空腔结构的光子晶体中，就可以测量折射率。光子晶体微腔构成的折射率传感器灵敏度很高，可达10?2~10?4量级，并且只需要很少量的分析样品。这种类型的传感器可以方便地集成到芯片以及其他光学组件上。 4.温度传感器 光子晶体也可以用来制造温度传感器。温度传感器的概念是当组 成光子晶体的材料的温度发生变化时，可观测到布拉格反射峰或光子 项目名称：河南省高等学校重点科研项目计划（19B416006）。 （下转第166页）