光脉冲在一维负折射材料光子晶体中的传播

一维光子晶体带隙结构研究_张玲

第37卷第9期2008年9月 光　子　学　报 ACTA P HO TON ICA SIN ICA Vol.37No.9 September 2008 Tel :02928220149828313　Email :warltszhang @https://www.wendangku.net/doc/8313086363.html, 收稿日期:2007204228 一维光子晶体带隙结构研究 张玲,梁良,张琳丽,周超 (西安建筑科技大学物理系,西安710055) 摘　要:在考虑介质色散的基础上,研究了介质层厚度对光子晶体带隙结构的影响.利用传输矩阵法,计算了以Li F 和Si 两种材料组成的一维光子晶体带隙结构.结果表明,介质层厚度的增加会引起禁带的红移,厚度减小会引起蓝移.分析了含空气缺陷层、金属缺陷层的光子晶体结构,发现空气缺陷层对带隙结构的高反射区域变化不大,而在低反射区域,反射系数为零的波带之间出现了两边反射系数增加,中间反射系数减小的情况.在金属缺陷层的带隙结构中,金属对整个波长范围光的吸收作用不同,金属对低反射区1.6μm 、1.85μm 处透射率较大的透射光吸收作用明显,而在1.28～1.38μm 处透射率波长区间,几乎无吸收. 关键词:光子晶体;色散;带隙结构;空气缺陷层;金属缺陷层中图分类号:O734 文献标识码:A 文章编号:100424213(2008)092181524 0　引言 微加工技术的进步,使得光子晶体[1]在理论和实验研究上取得了重大进展,利用光子晶体可以制造出光通信中的许多器件,如光纤、微谐振腔,品质优良的光子晶体滤波器、集成光路等等[223].实验室一般采用不同折射率介质在空间的周期性排列形成光子晶体,Ward 等人提出一种增强块状金属反射能力的方法,他们预测含有Al/玻璃层的一维金属/电介质光子晶体比块状Al 的反射能力更强[4].对Au/MgF 2光子晶体透射性质的研究发现,周期性结构产生的透射共振使得光通过金属层的透射率大大增强,并有效抑制了吸收.通过控制金属层和电介质的厚度以及周期数,可以调节透射区域的波长范围、宽度和陡度[5].如果在光子晶体中引入缺陷,可使光子局域化[6],在有缺陷层的一维光子晶体(AB )n D m (BA )n 的带隙结构发现随着缺陷层厚度的增加,在禁带中出现的缺陷模向低频方向移动[7].还有一些金属/电介质光子晶体可以对某些晶体的闪烁光谱进行修饰,使得其对慢衰减成分的相对抑制比大大提升等等[8].本文在考虑色散关系的基础上对于LiF 与Si 构成的2元一维光子晶体的带隙结构进行了研究,通过改变介质层的厚度,分析了其带隙结构的变化,另外当该结构的光子晶体中有空气缺陷层、金属缺陷层时,其带隙结构的变化[2],并对计算结果做了分析. 1　理论模型 典型的光子晶体是由两种不同介电常量(εa ,εb ),厚度为(d a ,d b )的材料交替排列的其结构如图1,根据光在介质薄膜传播的传输矩阵方法,在第一 介质中的传输矩阵为 M a = cos δa isin δa /ηa i ηa sin δa cos δa (1) 图1　一维光子晶体模型 Fig.1　The structure of 12D photonic crystal 在第二介质中的传输矩阵为 M b = cos δb isin δb /ηb i ηb sin δb co s δb (2) 式(1)、(2)中δj =2πn j d j cos θ/λ,n j 、d j 、θj ,分别为第 j 层(j =(a ,b ))的折射率,介质层厚度,入射角, λ为真空中的波长,对于TE 波:ηj =n j cos θj ,对于TM 波ηj =n j /co s θj , 对于整个光子晶体的传输矩阵,若取层的对数为n ,则 M =(M a ,M b )n = M 11M 12M 21 M 22 (3) 设光子晶体周围材料的折射率为n 0,对于TE 波η0=n 0co s θ0,光在光子晶体传播时的反射系数和透射系数分别为 r = (M 11+M 12η0)η0-(M 21+M 22η0)(M 11+M 12η0)η0+(M 21+M 22η0) (4)

一维光子晶体中缺陷层厚度与缺陷模的关系

一维光子晶体中缺陷层厚度与缺陷模的关系[摘要]采用传输矩阵法,分析了缺陷层厚度与缺陷模波长之间的关系，即：一 定的缺陷层厚度范围内，缺陷模的波长将随缺陷层厚度的增大而发生红移，且两者呈线性关系。利用这个关系，设计了一种精确计量微小位移的方法。 [关键词]一维光子晶体传输矩阵法缺陷微小位移测量 光子晶体（Photonic Crystal, Pc）是一种因折射率空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料。它的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。利用它我们可以制造出以前无法制作的甚至是全新理论的高性能器件，如光子晶体激光器、光子晶体波导及光纤等。由于一维光子晶体具有控制光模式及其光传输的优异能力且易于制备，它在光子晶体应用中占据了重要地位。含有缺陷的一维光子晶体的特性已经有文章进行过讨论，但是就缺陷层厚度和缺陷模位置的关系尚无明确的阐述。本文对这一问题进行了研究，并利用结论设计了一种监测微小位移的方法。 一、一维光子晶体的传输矩阵分析方法 光在光子晶体中的传播服从Maxwell方程组。实际研究光子晶体的过程中比较常用的计算方法有平面波展开法、时域有限差分法、传输矩阵法等等。对于一维光子晶体，使用传输矩阵法是比较方便的。 根据法拉第电磁感应定律，可以推出单层介质膜的传输特性： 只要给出各层的参数，就能得到每一层的特征矩阵，利用（1.3）式和（1.4）式，就可以计算处一维光子晶体的透射谱。 当一维光子晶体中所包含的层数比较大时，矩阵连乘的计算量是非常大的,需要用计算机来进行计算。本文利用MATLAB程序来实现数值的计算。 二、缺陷模位置与缺陷层厚度关系的数值研究 取一维光子晶体模型参数为，高折射率层折射率,低折射率层折射率n ＝1.35，入射光中心波长λ＝1550nm，缺陷层两侧的膜周期数N＝10，缺陷层的折射率。取缺陷层厚度时，可以看到在透射谱中出现了光子带隙，带隙中含有十分尖锐的缺陷态。缺陷态的性质已有文章介绍，在这里不再讨论。 图2波长-透射率谱，缺陷层厚度d＝λ/4＝387.5nm 在光子带隙的范围内（1200nm-1800nm）扫描缺陷态的透射峰，即记录不同的缺陷层厚度d和缺陷模位置。取d的变化范围为50nm-1000nm，可以得到d

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。

一维光子晶体的能带结构研究开题报告

科研文献调研报告 题目：一维光子晶体的能带结构研究 学院：＿＿理学院＿ 专业：＿＿光信息科学与技术＿＿ 班级：＿2008级 学号：＿ 080701110083 学生姓名：＿＿李辉＿＿＿＿＿指导教师：＿＿徐渟＿＿＿＿＿ 2012年3月14日

一维光子晶体的能带结构研究 摘要： “光子晶体"的概念是1987年S．John和E．Yabloncvitch分别提出来的。而在当今世界，科学家们在不断研究电子控制的同时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子。与此同时随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光的控制。因此近年来光子晶体得到深入广泛的研究与应用。 关键字：光子晶体能带结构半导体器件 The Investigation on the Band Structures of one-dimensional photonic crystal Abstract： The concept of"Photonic crystals" was put forward byS.John and E.Yabloncvitch in 1987.But nowScientists constantly study electronic control and find that the integration of semiconductor devices has been the limit because of the characteristics of the electronic.And the photon has the advantage of high speed,no interaction, which electron does not have.So scientists want to get

固体物理小论文一维光子晶体

一维光子晶体层状碘化铅/碘甲基氨的色散关系 自1987 年Yablono vitch[ 1 ] 在周期性排列的电介质中发现光子禁带以来, 人们对光子晶体这种人工结构已做了大量的研究工作。一维光子晶体, 其结构简单（图示1）, 易于制备, 可以设计滤波器、薄膜太阳能电池等光电子学器件的常用结构。 使用CVD法制备卤化铅（碘化铅）层状结构，后期退火在每层碘化铅中加入碘甲基氨，由于二者的介电常数相差较大且呈周期排布所以在堆垛方向上形成一维光子晶体（图示2）。

通常描述光子晶体能带结构的物理参量主要是透射谱、反射谱及其）（k ω色散关系.本文中我们用平面波展开发计算色散关系[2]. 光子晶体理论分析中应用最早、最广的一种方法就是平面波展开法。在计算光子晶体光子能带结构时,平面波展开法直接应用了结构的周期性,将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间,将色散关系计算简化为对代数本征值问题的求解. 假设光子晶体处在无源空间, 且是由各向同性、无损耗、非磁性、无色散的线性介质组成 入射波t i e x E t x E ω-=)(),( 由麦克斯韦方程给出其波动方程 2222),()(,t t x E a x x t x E ??=??ε）（ 图2 碘化铅层状结构SEM 图

削去时间 )()(-2222x E c x x x E εω=??）（ a 为晶格常数，)(x ε为周期性介电函数， nm a nm a a a a 4040212 1==+= ???<<<<=a x a a x x 1211 ,0,)(εεε 1a 为碘化铅厚度，2a 为碘甲基氨厚度，假设二者相等，根据图2可估算大概尺度为40nm 1ε为碘化铅介电常数，2ε为碘甲基氨介电常数，查阅资料取31=ε62=ε 将周期函数)(x ε做周期展开 ∑∞-∞== n x a n i n e x πεε2)( 其中 ?-=a x a n i n e x a 02)(1πεε 积分得 ???????≠??????--=+=-0,1)(20,12212211n e n i n a a a a a a n i n πεεπεεε 将E(x)展开得到布洛赫波的形式 ∑∞-∞=+= m x a m k i e m B x E )2()()(π 将②③带入①中 ① ② ③

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

时域有限差分法在一维光子晶体数值模拟方面的研究

文章编号:100525630(2006)0420037206 时域有限差分法在一维光子 晶体数值模拟方面的研究Ξ 宋　琦1,高劲松1,王笑夷1,王彤彤1,陈　红1,郑宣鸣1,申振峰1,凌　伟2 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学技术研究中心,吉林长春130033; 2.海军驻长春地区航空军代表,吉林长春130033) 摘要:介绍了时域有限差分法的基本原理,并对一维光子晶体薄膜中传播的电磁场作 了模拟和分析。通过对光子晶体透射谱的研究,讨论了不同周期数和不同介电常数比对光 子晶体带隙的影响,最后通过在周期介质层状结构中引入缺陷层构造了光子缺陷态。 关键词:时域有限差分法;光子晶体;光学禁带;缺陷态 中图分类号:O 734 文献标识码:A Study on the FD T D si m ula tion of the 1-D photon ics crysta l SON G Q i 1,GA O J in 2song 1,W A N G X iao 2y i 1,W A N G T ong 2tong 1CH EN H ong 1,ZH EN G X uan 2m ing 1,S H EN Z hen 2f eng 1,L ing W ei 2(11Op tical T echno logy and R esearch Cen ter ,Changchun In stitu te of Op tics ,F ine M echan ics and Physics , Ch inese A cadem y of Sciences ,Changchun 130033,Ch ina ; 21A viati on Comm issary of N avy in Changchun ,Changchun ,130033Ch ina ) Abstract :T he p rinci p le of fin ite difference ti m e dom ain (FD TD )w as p resen ted ,and analysis of electrom agnetic field in 1D p ho ton ics crystal (PC )w as p erfo rm ed .B ased on the study of tran s m ittance of 1D PC ,influence of differen t p eri ods and dielectric con stan t rati o s on the p ho ton ics band gap w ere discu ssed .T he defect state w as fo rm ed by in troducing the defect layer in to p eri od structu re . Key words :fin ite difference ti m e dom ain (FD TD );p ho ton ics crystal ;p ho ton ics band gap ;defect state 1　引　言 光子晶体是近年来深受关注的一个新兴研究方向[1～3]。光子晶体是由多种介电材料构成的复合结构。由于其在空间周期性排布的特殊结构与半导体材料极其相似,光子晶体也拥有与电子晶体的电子禁带相似的光子禁带(p ho ton ics band gap ,PB G ),频率落在光子禁带中的光子将被严格禁止,而在禁带中人为的引入缺陷将构造出光子的局域态,从而达到对光子的“捕获”的目的。 光子晶体的应用主要基于光子晶体的能带结构中存在的光子带隙与局域态。利用光子晶体的特殊性第28卷　第4期2006年8月 光　学　仪　器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .28,N o.4 A ugu st,2006 Ξ收稿日期:2006206230 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60478035) 作者简介:宋　琦(19802),男,辽宁省辽阳市人,硕士,主要从事光子晶体理论及现代薄膜制备方面的研究。

光子晶体透射谱

na=2.10;nb=1.46;n1=1;n2=1; d=1064; c3=0;c1=asin(n1*sin(c3)/na);c2=asin(na*sin(c1)/nb);c4=asin(nb*sin(c2)/n 2); d1=1064; a=d1/(4*na);b=d1/(4*nb); Ba=2*pi*na*a*cos(c1)/d; Bb=2*pi*nb*b*cos(c2)/d; f=4*pi*1e-7; e=1e-9/(36*pi); m=sqrt(e/f); za=m*cos(c1)*na;zb=m*cos(c2)*nb;z1=f*cos(c3)*n1;z2=f*cos(c4)*n2; p1=cos(Bb);p2=-i*sin(Bb)/zb;p3=-i*zb*sin(Bb);p4=cos(Bb); P=[p1 p2;p3 p4]; q1=cos(Ba);q2=-i*sin(Ba)/za;q3=-i*za*sin(Ba);q4=cos(Ba); Q=[q1 q2;q3 q4]; O=Q*P; for n=1:100; O1=O^n; O11=O1(1,1);O12=O1(1,2);O13=O1(2,1);O14=O1(2,2); z1=sqrt(e/f)*n1*cos(c3);z2=sqrt(e/f)*n2*cos(c4); t=2*z1/(z1*(O11+z2*O12)+O13+z2*O14); t1=abs(t); h1(1,n)=t1; end n=1:100; plot(n,h1); xlabel('周期'); ylabel('透射率');title('光子晶体透射率随周期变化'),grid on

一维光子晶体的禁带宽度分析

闽江学院 本科毕业论文(设计) 题目一维光子晶体的禁带宽度分析 学生姓名 学号 系别电子系 年级03 专业电子科学与技术 指导教师 职称副教授 完成日期2007.05.16

目录 摘要 (2) ABSTRACT (3) 第一章绪论 (4) 1.1什么是光子晶体？ (4) 1.2光子晶体理论计算方法 (5) 1.3光子晶体的应用 (8) 第二章一维光子晶体基本理论 (9) 2.1光子禁带的产生 (9) 2.2一维光子晶体的特征矩阵 (11) 第三章一维光子晶体带隙变化规律的研究 (13) 3.1带隙随厚度比的变化 (13) 3.2带隙随折射率差的变化 (16) 3.3带隙随角度的变化 (19) 3.4厚度比与折射率差同时变化下的最大带隙 (22) 总结 (24) 参考文献 (25)

摘要 光子晶体的研究领域非常广泛，涉及到光学的方方面面。由于它所具有的特殊的性质，故被称为光的半导体，足见它对光学领域的影响力。虽然这个领域的工作也才刚开始10年多一点，但是进展非常地快。通过对这个领域的深入研究.不仅对光子晶体研究本身有意义，而且对光学领域的理论发展也具有重要的价值。使得人们对光的理解更加深入。 介绍了一维光子晶体的基本概念和原理系统综述了对一维光子晶体的研究进展和应用前景。 作为一维光子晶体的应用基础,一维光子晶体的禁带是研究的重点。一维光子晶体的带隙决定了工作频率范围，因此研究其带隙变化规律是其应用的关键，通过改变各种参数确定带隙的依赖因素及其定量关系。 通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性,讨论了影响带宽的因素，说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法,：1、使各层介质的厚度d微微变化，形成规则递增，达到展宽禁带的目的。2、角度 逐渐变化，使晶体在角度域化互相叠加，达到扩展带宽的目的。3、使晶体的折射率n1逐渐变化（n2＝4.6），达到扩展带宽的目的。通过画出改变各种参数的情况下的带隙曲线图，得到带隙随各参数变化的规律，从而达到对一维光子晶体带隙变化规律的分析。 关键词:光子晶体;光子禁带;相对带宽;展宽。

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/8313086363.html,.ell https://www.wendangku.net/doc/8313086363.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

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

一位光子晶体的计算

一维光子晶体的研究方法----传输矩阵法 1：绪论 1．1：光子晶体研究的意义 在以前对半导体材料的研究导致一场轰轰烈烈的电子工业革命，我们的科技水平有了突飞猛进的发展，并为此进入了计算机和信息为标准的信息时代。在过去的几十年里，半导体技术正向高速，高集成化方向发展。但这也引发了一系列的问题，比如电路中能量损失过大，导致集成体发热。此外，由于高速处理对信号器件中的延迟提出更高的要求，半导体器件的能力已经基本达到了极限，为此科学家们把目光从电子转向广光子。这是因为光子有着电子所不具备的优势：1.极高的信息容量和效率。2.极快的响应速度。3.极强的互连能力和并行能力。4.极大地存储能力。5.光子间的相互作用很弱，可极大地降级能力损失。但是与集成电路相比，科学家们设想能像集成电路一样制造出集成光路，在集成光路中，光子在其中起着电子的作用，全光通过。光子计算机将成为未来的光子产业，集成光路类似于电子产业中半导体的作用，光子产业中也存在着向集成电路的器件一样的集成光路——光子晶体，光子晶体的研究不仅仅是光通讯领域内的问题，同时也对其他相关产业将产生巨大的影响。 1.2：光子晶体的概念及应用 光子晶体是八十年代未提出的新概念和新材料，迄今取得了较快的发展，光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。 控制光子是人们长期以来的梦想，光子晶体能帮助人们实现这一梦想。1987年Yablonol itch在讨论如何控制自发辐射和John 在讨论光子局域化时各自独立的提出了光子晶体的概念。他们所讨论问题的共同实质是周期性电介质材料中光传播的特性，根据固体电子能带理论，晶体内部原子呈周期性排列，库仑场的叠加产生周期性势场，当电子在其中运动时受到周期性势场的布格拉散射而形成的能带结构，带与带之间有带隙，称为禁带。能量落在禁带中的电子波不能传播。与此相仿，当电磁波在周期性电介质结构材料中传播时由于受到调制而形成能带结构——光子能带结构，其带隙称为光带隙（PBG:photonic band gap）。此具有

一维光子晶体的应用发展

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/8313086363.html, 一维光子晶体的应用发展 作者：江帅璋 来源：《新教育时代·学生版》2016年第33期 摘要：一维光子晶体是介质特定的在一个方向上具有周期性的结构，在另外的两个方向上却是均匀性分布的。结构比较简单的一维光子晶体一般是两种介质交替叠层而形成的，这种一维光子晶体在垂直于介质层平面方向的介电常数是随空间位置的改变而改变的，而在平行于介质层平面方向的介电常数并不随空间位置的改变而改变。这种光子晶体在光纤和半导体激光器上已经得到了运用，布拉格光纤和半导体激光器的分布反馈式谐振腔事实上就是一维光子晶体。因为一维光子晶体制作简单，结构简单，所以一维光子晶体被大家广泛的关注。在最早期的时候，因为一维光子晶体特定的在一个方向上表现有周期性的结构，所以光子禁带也只在这个方向上出现，之后Joannopoulos和他的同事们根据理论和仿真得到一维光子晶体应该有全方向的三维带隙结构，因此一维光子晶体也能够具备二，三维光子晶体所具有的特性，所以一维光子晶体被人们更加普遍的应用到了研究中。 关键词：一维光子晶体周期性介电常数 一、一维光子晶体的研究进展与应用 一维光子晶体具有制作简易和控制光的传播形式优异性等优势，让一维光子晶体在不一样的研究中得到了广泛的关注。这些年一维光子晶体在研究领域取得了一些明显的进展。因为一维光子晶体拥有三维材料的全向能隙结构，所以可以将一维光子晶体应用到二维和三维器件的设计当中；一维光子晶体有高增益的局域广场以及光延迟效应，能够导致一些非线性效应，比如说谐波的产生、光学双稳态等；并且一维光子晶体也具有超折射现象，而且因为它有控制光模式以及光传输的优异性能，所以一维光子晶体在光子晶体的应用中占据着主要地位。下面我们从三个方面介绍一维光子晶体的特点和应用，分为物理机制和效应两个角度。[1] 1.全向能隙结构 1998年，因为一维光子晶体的边界是有限制的，所以出现了跟二维光子晶体和三维光子 晶体相像的全向能隙结构。虽然金属材料的反射镜的反射率跟入射角度没有关系，但是金属材料是吸收电磁波的，所以金属材料的反射率并不高。以前的多层高反膜会因为入射角度的增加其反射率降低。一维光子晶体可以产生一个不跟入射光偏正方向以及入射角有关联的较宽的全向带隙，解决了金属材料反射率不高的难题。除了反射镜外，一维光子晶体能够普遍的运用到微波天线、透射光栅、光波导等器件的研制中。[2～6] 2.布儒斯特角的控制

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。

光子晶体的制备与应用研究_李会玲

光子晶体的制备与应用研究＊ 李会玲①　王京霞②　宋延林③ ①助理研究员,②副研究员,③研究员,中国科学院化学研究所,北京100190 ＊国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101) 关键词　光子晶体　胶体晶体　自组装　光学器件 光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。 1光子晶体简介 1987年,美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出“光子晶体”的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现“光子带隙”(photonic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic cryst als)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。 2光子晶体制备 自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。 2.1微加工方法 微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(GaAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。 2.2全息光刻 全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30μm厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12], · 153 · 　自然杂志　31卷3期科技进展

光子晶体及其特性

光子晶体及其特性 王娟娟 摘要:光子晶体是一种介电常数不同的、其空间呈周期分布的新型光学材料。通过深入研究,达到进一步了解光子晶体的原理、特性、制备方法以及应用之目的。 关键词:光子晶体光子禁带光子局域Purce ll效应 1.引言 20世纪，半导体的发现并应用引发了一场影响开半导体材料，半导体内部存在周期性势场电子受到周期性势场的调制发生布拉格散射形成能带结构，而带与带之间可能存在禁带，落入禁带中的电子则无法继续传播。 1987 年 E. Yablonovich 和 S. John 分别提出了光子晶体的概念[1-2] 光子 晶体是由不同介电常数的物质在空间周期性排列而形成的人工微结构，当电磁波通过光子晶体时光子晶体中周期性排布的介电常数会对电磁波进行调制，从而产生光子能带能带之间可能存在禁带与半导体对比可以发现在光子晶体中，周期性分布的介电常数起到了半导体中周期性势场的作用，同时与电子禁带相对应的也有光子禁带的存在，因此有人又把光子晶体称为光半导体光子晶体可以用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光 子晶体波导等[3-6] 在光通信，光电集成等方面具有极其广阔的应用前景。 2.光子晶体 光子晶体按照其周期性排列方式可分为一维、二维和三维光子晶体，它们的介电常数分别在一维、二维和三维空间上周期性排列，其中一维光子晶体就是常见的多层膜结构，二维光子晶体是周期性排列的介质柱或空气孔，三维光子晶体中介电常数则在3个方向具有周期性在实际应用中，二维光子晶体有着更广泛的前景更受到人们的重视光子晶体具有高低折射率材料交替排列的周期性结构 可以对相应频率的电磁波进行调制产生光子禁带[7-8] ，如果在3个方向上都存在 周期结构，可以产生全方位的光子禁带，在全方位光子禁带中与该禁带频率相对应的电磁波将被完全禁止传播光子禁带是光子晶体的主要特性，光子晶体的另一个特性是光子局域若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷