光子晶體及其應(yīng)用

1、 光子晶體 一、光子晶體簡(jiǎn)介二、光子晶體理論三、光子晶體應(yīng)用四、光子晶體展望人類材料史 利用自然材料石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代 . 材料改性青銅、陶瓷、水泥 更深層次電學(xué)特性：金屬、半導(dǎo)體 磁學(xué)特性 光學(xué)性質(zhì)光子比電子的優(yōu)點(diǎn) 傳播速度更快 攜帶更大信息 更大的帶寬 電子系統(tǒng)：105 Hz 光纖系統(tǒng): 1015 Hz 無光子-光子相互作用 更小的能量損耗全光通訊二十一世紀(jì)： internet era光纖電子器件全光器件能否控制光子的流動(dòng)？一 、光子晶體簡(jiǎn)介 光子晶體（光子晶體（photonic crystal） 是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微

2、結(jié)構(gòu)材料，其最根本的特征是具有光子禁帶。微結(jié)構(gòu)材料，其最根本的特征是具有光子禁帶。 What is photonic crystal?周期排列的人工微結(jié)構(gòu)材料光子晶體圖示構(gòu)成材料:半導(dǎo)體、絕緣體、金屬材料等單元尺寸:毫米、微米、亞微米科學(xué)1998 Best bets衰老、對(duì)付生化武器、光子晶體、吸熱池、哮喘治療、全球氣候走向 光子晶體概念的產(chǎn)生：光子晶體概念的產(chǎn)生： 到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不約而同地指出：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某些波段的電磁波強(qiáng)度會(huì)因破 壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，相當(dāng)于在頻譜上形成能

3、隙，于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，此即所謂的光子能帶結(jié)構(gòu)(photonic band structures)。具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光能隙系統(tǒng)(photonic band-gap system， 簡(jiǎn)稱PBG系統(tǒng))，或簡(jiǎn)稱光子晶體(photonic crystals)。光子晶體簡(jiǎn)介光子和電子都是波粒二象性的光子 先認(rèn)識(shí)波動(dòng)性 后認(rèn)識(shí)粒子性 描寫 麥克斯韋方程 電子 先認(rèn)識(shí)粒子性 后認(rèn)識(shí)波動(dòng)性 描寫 薛定諤方程 薛定諤方程的解依賴于作用勢(shì) 無作用勢(shì) 平面波函數(shù) 能級(jí)連續(xù) 庫倫勢(shì) 氫原子波函數(shù) 能級(jí)分立 固體中周期勢(shì) 布洛赫波函數(shù) 能帶麥克斯韋方程的解依賴于傳播介質(zhì) 無限自由空間 平面波

4、頻率連續(xù) 波導(dǎo)管 TE/TM型波 截止頻率 介電常數(shù)周期結(jié)構(gòu) 能帶光子光子電子電子服從方程麥克斯韋（Maxwell）方程薛定諤方程對(duì)應(yīng)波矢量波標(biāo)量波自旋自旋為1的玻色子自旋為1/2的費(fèi)米子相互作用沒有很強(qiáng) 固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如右圖性質(zhì)性質(zhì)電子晶體電子晶體光子晶體光子晶體聲子晶體聲子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶體(自然或生長的)由兩種(或以上)介電材料構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)由兩種(或以上)彈性材料構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)象電子的輸運(yùn)行為費(fèi)米子電磁波的傳播玻色子機(jī)械波的傳播玻色子參量普適常數(shù)原子數(shù)各組元的介電常數(shù)各組元的質(zhì)量

5、密度，聲波波度晶格常數(shù)1-51m-1cm1mm-1m尺度原子尺度電磁波波長聲波波長波德布羅意波(電子)電磁波(光子)機(jī)械波(聲波)偏振自旋，橫波橫波與縱波的耦合波動(dòng)方程薛定諤方程麥克斯韋方程彈性波波動(dòng)方程特征電子禁帶，缺陷態(tài)，表面態(tài)光子禁帶，局域模式，表面態(tài)聲子禁帶，局域模式，表面態(tài)光子晶體簡(jiǎn)介自然界中的光子晶體： 光子晶體雖然是個(gè)新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質(zhì)的物質(zhì)。 盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅納米球。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)，沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o

6、關(guān)， 而而是因?yàn)樗鼛缀谓Y(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置是因?yàn)樗鼛缀谓Y(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變色把戲。不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變色把戲。在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅膀上的以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅膀上的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果. 翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶bluegreenyell

7、owbrown 2003 2003年年ANDREW R. PARKERANDREW R. PARKER等等發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部森林的甲蟲（森林的甲蟲（Pachyrhynchus Pachyrhynchus argusargus），它的外殼分布有和蛋），它的外殼分布有和蛋白石一樣的光子晶體結(jié)構(gòu)類似白石一樣的光子晶體結(jié)構(gòu)類似物，其具有從任何方向都可見物，其具有從任何方向都可見的金屬色澤。的金屬色澤。 這種棲息于大陸棚上有著刺這種棲息于大陸棚上有著刺毛的低等海生無脊椎動(dòng)物毛的低等海生無脊椎動(dòng)物海毛蟲海毛蟲(sea mouse)具有引人矚目的虹彩。具有引人矚目的虹彩。此

8、種海毛蟲的刺毛是由為數(shù)眾多之此種海毛蟲的刺毛是由為數(shù)眾多之六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀構(gòu)造物構(gòu)造物,其具有與光子晶體光纖其具有與光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)-一樣的物一樣的物理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且僅反射某些波長的色光而發(fā)出鮮僅反射某些波長的色光而發(fā)出鮮明色彩明色彩第一個(gè)功敗垂成的三維光子晶體第一個(gè)功敗垂成的三維光子晶體 遺憾的是，理論學(xué)家稍后指出，上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性遺憾的是，理論學(xué)家稍后指出，上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性(symmetry)之之故，故， 在在W和和U兩個(gè)方向上并非真正沒有能態(tài)存在，只是該頻

9、率范圍內(nèi)兩個(gè)方向上并非真正沒有能態(tài)存在，只是該頻率范圍內(nèi)的能態(tài)數(shù)目相對(duì)較少，因此只具有的能態(tài)數(shù)目相對(duì)較少，因此只具有虛能隙虛能隙(pseudo gap) 1989年，Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實(shí)驗(yàn)上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在。實(shí)驗(yàn)中采用的周期性介電系統(tǒng)是Al2O3塊材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式鉆了將近八千個(gè)球狀空洞，如此形成一個(gè)人造的巨觀晶體。 三氧化二鋁和空氣的介電常數(shù)分別為12.5和1.0，面心立方體的晶格常數(shù)是1.27。根據(jù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)量得的透射頻譜，所對(duì)應(yīng)的三維實(shí)驗(yàn)量得的透射頻譜，所對(duì)應(yīng)的三維能帶結(jié)構(gòu)右圖所能帶結(jié)

10、構(gòu)右圖所 示：示： 最初光子晶體的人工制備：光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體簡(jiǎn)介 兩年之后，Yablonovitch等人卷土重來， 這回他們調(diào)整制作方式，在塊材上沿三個(gè)夾120度角的軸鉆洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的“原子”(如右圖)， 終于打破了對(duì)稱的束縛，在微波波段獲得真正的絕對(duì)能隙，證實(shí)該系統(tǒng)為一個(gè)光子絕緣體(photonic insulator)。第一個(gè)具有絕對(duì)能第一個(gè)具有絕對(duì)能隙的光子晶體，及隙的光子晶體，及其經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的其經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的制作方式制作方式三三. 光子晶體制備光子晶體制備1. 一維光子晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便，制備方法有真空鍍膜技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、MOCVD 、分子束外延等2

11、. 二維光子晶體主要結(jié)構(gòu)有周期性排列的介質(zhì)棒陣列和打孔的薄膜結(jié)構(gòu)。排列方式一般為四邊形和三角形點(diǎn)陣，通過調(diào)節(jié)棒或孔的直徑以及間距大小，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率與帶寬的光子禁帶。一般采用激光刻蝕、電子束刻蝕和外延生長法等制造二維光子晶體(a)介質(zhì)棒陣列(b) 打孔的薄膜結(jié)構(gòu)3. 三維光子晶體制備 精密機(jī)械加工法: Yablonovich等用打孔的方法在基體表面每一點(diǎn)沿著相差120度的方向往里打孔,在基底材料里留下了近橢球圓柱形結(jié)構(gòu)組成的面心立方光子晶體. 只能用于加工微波波段的光子晶體,對(duì)于更短波長的光子晶體,顯得無能為力 半導(dǎo)體制造技術(shù)的方法:將電子束蝕刻,反應(yīng)離子束蝕刻,化學(xué)氣相淀積等技術(shù)運(yùn)用于堆積

12、式的光子晶體制造. S. Y. Lin et al.,Nature 394, 251 (1998)(1) 利用電子束,激光束等在Si基上進(jìn)行蝕刻,留出一系列彼此平行的Si棒;(2) 再用水解等方法將Si棒之間的區(qū)域用SiO2進(jìn)行填充,并進(jìn)行表面機(jī)械拋光;(3) 然后再用多晶Si沉積的方法在(2)中所得的層上鋪一層Si,以便蝕刻與(2)中Si棒向垂直的第二層Si棒(4) 重復(fù)以上步驟以制得所需的層數(shù),然后再用酸將SiO2清洗掉,即得三維周期性結(jié)構(gòu)電磁波可表示為：zktieHHzktieEE00k和 分別為角頻率和波數(shù)，它們與周期T和波長的關(guān)系為：22kT二、光子晶體理論波的傳播速度（相速）為：k

13、T和初相位：的振幅和分別是，設(shè)HEHEHE00HEiieHHeEE00002002rrk ：代入波動(dòng)方程，即可得 0rE22rEk程為定態(tài)下的電磁波波動(dòng)方. 1r，則如果介質(zhì)為非磁性介質(zhì) 對(duì)于對(duì)于非均勻非均勻介質(zhì)，尤其是其介電常數(shù)介質(zhì)，尤其是其介電常數(shù)是周期性變化時(shí)，有是周期性變化時(shí)，有 nkrrrr和變動(dòng)介電常數(shù)平均介電常數(shù)兩個(gè)部分之和：可將相對(duì)介電常數(shù)寫為 rEcrEcrEcrEcrEckrrrrrr2222222222222代入波動(dòng)方程，可得：則有：基于光子晶體的光子集成線路計(jì)劃基于蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體波長尺度的通訊用光子部件超快光子學(xué)計(jì)劃重組天線計(jì)劃DARPADARPA可調(diào)光子晶體計(jì)劃

14、毫米和亞毫米波段的集成天線技術(shù)日美歐四、光子晶體應(yīng)用1.1.微波領(lǐng)域中的應(yīng)用微波領(lǐng)域中的應(yīng)用 2.2.電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用 3.3.光電元件中的應(yīng)用光電元件中的應(yīng)用 4.4.其他方面應(yīng)用其他方面應(yīng)用微波領(lǐng)域中的應(yīng)用微波領(lǐng)域中的應(yīng)用天線天線 普通天線 傳統(tǒng)的微波天線制備方法是將天線直接制備在介質(zhì)基底上，導(dǎo)致大量的能量被天線基底所吸收，效率很低。一般用GaAs（鈣、砷）介質(zhì)作基底的天線，98%的能量損耗在基底中，只有2的能量被發(fā)射出去 光子晶體天線 針對(duì)某微波頻段可設(shè)計(jì)出需要的光子晶體，并讓該光子晶體作為天線的基片。因?yàn)榇宋⒉úǘ温湓诠庾泳w的禁帶中，因此基底不 會(huì)吸收微波

15、，這就實(shí)現(xiàn)了無損耗無損耗全反射，把能量全部發(fā)射到空中。第一個(gè)光子晶體基底的偶極平面微波天線第一個(gè)光子晶體基底的偶極平面微波天線1993年在美國研制成功年在美國研制成功Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)微波波段光子晶體微波波段光子晶體1993年，美國研制反射率接近的光子晶體偶極子天線；1996-1999年，光子晶體微帶貼片天線，抑制諧振模式，消除表面波影響，提高天線效率；1999年，Conexant國際公司研制成功光子晶體人體防護(hù)天線。1996-1999年，光子晶體微帶傳輸線，寬帶放大器，濾波器等微波領(lǐng)域中的應(yīng)微波領(lǐng)域中的應(yīng)用手機(jī)的輻射防

16、護(hù) 手機(jī)的危害 手機(jī)是一個(gè)小型的、但能量極手機(jī)是一個(gè)小型的、但能量極強(qiáng)的電磁波發(fā)生器，其工作頻率強(qiáng)的電磁波發(fā)生器，其工作頻率890MHz890MHz到到965MHz965MHz，輻射出的電磁波對(duì)人，輻射出的電磁波對(duì)人體細(xì)胞體細(xì)胞具有極強(qiáng)的具有極強(qiáng)的致畸致畸作用。手機(jī)在使用過作用。手機(jī)在使用過程中，這種電磁波始終圍繞著人的頭部。程中，這種電磁波始終圍繞著人的頭部。長期、高頻率使用手機(jī)，會(huì)造成正常腦長期、高頻率使用手機(jī)，會(huì)造成正常腦的支持細(xì)胞的支持細(xì)胞膠質(zhì)細(xì)胞膠質(zhì)細(xì)胞DNADNA分子鏈的分子鏈的 電離損害，導(dǎo)致電離損害，導(dǎo)致DNADNA堿基分子鏈的斷裂，堿基分子鏈的斷裂，引起細(xì)胞的癌變引起細(xì)胞的癌

17、變 利用光子晶體可以抑制某種頻率的微波傳播的原理，可以在手機(jī)的天線部位制造維播放護(hù)罩，從而避免對(duì)人體有害的微波輻射直接照射手機(jī)用戶的頭部。這種技術(shù)目前還沒有成熟，但是至少有一個(gè)美好的前景。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用-CPU-CPU 自從自從1970年以來，可以被放置到微電子芯片的電子元件數(shù)量以年以來，可以被放置到微電子芯片的電子元件數(shù)量以18月月翻一番的速度增長，然而即使這種被成為摩爾定律的趨勢(shì)可以在以后的幾翻一番的速度增長，然而即使這種被成為摩爾定律的趨勢(shì)可以在以后的幾年內(nèi)必將逐漸的走向平緩，直至目前的極限。年內(nèi)必將逐漸的走向平緩，直至目前的極限。 要提高要提高CPU速度，

18、也就是縮短速度，也就是縮短CPU完成指令的時(shí)間，就必須減少電信完成指令的時(shí)間，就必須減少電信號(hào)在各個(gè)元件的延遲時(shí)間。減小元件體積，縮短它們之間的距離。但是元號(hào)在各個(gè)元件的延遲時(shí)間。減小元件體積，縮短它們之間的距離。但是元件縮小到一定程度后就很難再有大的突，而且其電子元件的發(fā)熱量將十分件縮小到一定程度后就很難再有大的突，而且其電子元件的發(fā)熱量將十分驚人，很有可能因?yàn)檫^熱而產(chǎn)生電子漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰。驚人，很有可能因?yàn)檫^熱而產(chǎn)生電子漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰。目前所遇的困難 假若用光線來代替電子傳遞信號(hào)，則可以讓生產(chǎn)百億Hz（1012 Hz）的個(gè)人電腦成為可能。這種高速的處理器

19、可以用“光子晶體”（quasicrystal）的物質(zhì)所產(chǎn)生的光成分實(shí)現(xiàn)。這些材料均具有高度的周期性結(jié)構(gòu)，這種周期性可以用來控制和操縱光波的產(chǎn)生和傳播。 目前人們是依靠電子來實(shí)現(xiàn)微電子技術(shù)革命，今后則將依靠光子來繼續(xù)這場(chǎng)革命，這就需要能捕獲和控制光傳播方式的光子晶體之類的新材料。而光子晶體正是可以勝任這種工作的材料解決方法整合各種光子晶體相關(guān)結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的集成光路之想象圖整合各種光子晶體相關(guān)結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的集成光路之想象圖電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用-CPU-CPU電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用-光纖光纖 不同波長的光穿過光纖纖芯的速度也不同。考慮長距傳輸時(shí)，在信號(hào)中就將

20、出現(xiàn)時(shí)間延遲，所以信號(hào)就需要在不同的波長編碼。光纖 纖芯越粗延遲越厲害，通過這樣的纖維的一個(gè)光脈沖變寬，必將限制能精確接收的數(shù)據(jù)率。傳統(tǒng)光纖的缺點(diǎn) 解決的方法還有一種就是采用單模光纖，即盡量減少光纖纖芯的直徑，從而可以只允許一個(gè)模式的光路通過，從而避免上述問題。但同時(shí)成本將大大提高。光子晶體光纖 光子晶體帶隙保證了能量基本無損失，而且不會(huì)出現(xiàn)延遲等現(xiàn)象。英國Bath 大學(xué)的研究人員用二維光子晶體成功制成新型光纖：由幾百個(gè)傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列，然后燒結(jié)從而形成蜂窩結(jié)構(gòu)亞微米空氣孔。引入額外空氣孔做為導(dǎo)光通道，可導(dǎo)波的范圍很大，從而增加數(shù)據(jù)傳輸量。如圖是目前英國斯溫

21、如圖是目前英國斯溫頓頓Bath大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性光子晶體光纖實(shí)物圖光子晶體光纖實(shí)物圖和傳輸效果圖。和傳輸效果圖。傳統(tǒng)激光器的缺點(diǎn)發(fā)射波長的變化會(huì)改變傳輸損耗耦合效率不高輻射角比較大 隨功率的增加線寬趨于飽和， 并重新展寬光電元件中的應(yīng)用光電元件中的應(yīng)用-低閾值激光發(fā)射器低閾值激光發(fā)射器光電元件中的應(yīng)用光電元件中的應(yīng)用-低閾值激光發(fā)射器低閾值激光發(fā)射器 但如果在一塊三維光子晶體的光子禁帶中引入缺陷，然后在其中放置工作物質(zhì)，缺陷態(tài)將構(gòu)成一個(gè)波導(dǎo)，激光發(fā)出的方向?qū)⒀卮朔较?，同樣自發(fā)輻射也只能沿此方向，即自發(fā)輻射與激光出射方向角幾乎為零。這樣幾乎所有的自發(fā)輻射都用來激發(fā)已實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)而

22、無其他損失。泵浦的能量幾乎全部用來產(chǎn)生激光， 這使激光器閾值降低，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。這種激光器體積小、 閾值低， 功率高、 易于光纖耦合， 且可在小區(qū)域密集分布的。出現(xiàn)在能隙中的缺陷態(tài)出現(xiàn)在能隙中的缺陷態(tài)光電元件中的應(yīng)用光電元件中的應(yīng)用-低閾值激光發(fā)射器低閾值激光發(fā)射器光子晶體激光器頂部和剖面示意圖 1 9 9 9年， 美國加州理工學(xué)院謝勒( AS c h e r e r ) 領(lǐng)導(dǎo)的研究組首次報(bào)道了可在室溫下工作且運(yùn)轉(zhuǎn)在 1 5 5 0納米的光子晶體激光器。光電元件中的應(yīng)用光子晶體波導(dǎo)光子晶體波導(dǎo) 傳統(tǒng)的微波波導(dǎo)是基傳統(tǒng)的微波波導(dǎo)是基 于全反射及共振腔于全反射及共振腔原理制作的，原理制作

23、的， 光學(xué)波導(dǎo)如光纖是基于全內(nèi)反射光學(xué)波導(dǎo)如光纖是基于全內(nèi)反射原理制作的。光子晶體波導(dǎo)則是利用了缺陷態(tài)原理制作的。光子晶體波導(dǎo)則是利用了缺陷態(tài)的導(dǎo)波效應(yīng)。的導(dǎo)波效應(yīng)。 完全周期結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光子晶體完全周期結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光子晶體存在完全帶隙。在周期結(jié)構(gòu)存在完全帶隙。在周期結(jié)構(gòu) 中如果引入一線狀中如果引入一線狀缺缺 陷，陷， 則會(huì)在帶隙中引入缺陷模，則會(huì)在帶隙中引入缺陷模， 它意味著它意味著在晶體的特定方向上，具有缺陷模頻率的光能在晶體的特定方向上，具有缺陷模頻率的光能通過光子晶體，在別的方向上由于帶隙的存在通過光子晶體，在別的方向上由于帶隙的存在則是禁戒的，這就形成了光子晶體波導(dǎo)。則是禁戒的，這就

24、形成了光子晶體波導(dǎo)。 在一般的光纖波導(dǎo) 中，當(dāng)波導(dǎo)拐彎時(shí)全內(nèi)反射的條件不再有效 ，因此會(huì)漏掉部分光波能量，使傳輸效率降低。而光子晶體彎波導(dǎo)中，所利用的是不同方向缺陷模共振 匹配原理。原則上只要達(dá)到模式 匹配 ，不管拐多大彎 ，都能達(dá)到很高的傳輸效率。上圖為光子晶體波導(dǎo)的低損耗傳輸示意圖。彎曲效應(yīng)在全光集成系統(tǒng)中很有應(yīng)用價(jià)值 。 光子晶體波導(dǎo)的低損耗傳輸示意圖在波導(dǎo)中的應(yīng)用平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光子晶體結(jié)構(gòu)+全內(nèi)反射目的：避免在垂直方向光泄漏(a)(b)(c)光電元件中的應(yīng)用光子晶體濾波器 光子晶體有光子頻率禁帶， 頻率在禁帶區(qū)內(nèi)光子是不能在光子晶體中存在的。因此， 一塊光子晶體就是一個(gè)自然的理想帶阻濾波

25、器. 利用光子晶體的帶隙特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波優(yōu)良的濾波性能。光子晶體的濾波帶寬可以做得很大 ， 目前能實(shí)現(xiàn)從低頻 ( 幾乎為 0 H z ) 直到紅外的寬帶濾波。這種大范圍的濾波作用利用傳統(tǒng) 的濾波器是難以實(shí)現(xiàn)的。channel drop光子晶體濾波器 光通信中的一個(gè)重要部件就是channel drop濾波器。這種結(jié)構(gòu)是通過在一塊具有二維 的光子晶體平板中引入單點(diǎn)缺陷來實(shí)現(xiàn)的。頻率為 的光可以被分離出來，轉(zhuǎn)移到其他 的波導(dǎo)中，而其他頻率的光將不會(huì)受任何影響。 光子晶體有很多傳統(tǒng)的光濾波器不具備的特和優(yōu)點(diǎn)。它的濾波性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通的光濾波片 ，其阻帶區(qū)對(duì)透過光的抑制可以容易地達(dá)到30dB以下， 而且

26、光子晶體濾波器的帶阻邊沿的陡峭度可以容易做到接近于90度。另外，光子晶體對(duì)通過波段的光波損耗非常小。光電元件中的應(yīng)用光子晶體濾波器 光子晶體發(fā)光二極管 一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過周圍介質(zhì)的無數(shù)次的反射 ，大部分光不能有效地耦合出去， 二極管的光輻射效率很低 。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心置入一塊特制的光子晶體中，并使得該發(fā)光中心 的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體 的光子禁帶重合 ，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會(huì)進(jìn)入包圍它的光子晶體中，而只能沿著特定設(shè)計(jì)的方向輻射并傳導(dǎo)出去。實(shí)驗(yàn)表明，采用光子晶體后 ，發(fā)光二極管的效率會(huì)從目前的1 0左右提高到 9 0 以上 。 日本松下電器第一個(gè)將光子晶體運(yùn)用導(dǎo)入藍(lán)

27、色LED在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。光子晶體 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光電元件中的應(yīng)用光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔 微諧振腔的制作對(duì)光集成有著重要的意義， 近年來受到了廣泛 的關(guān)注 。但由于其尺寸特別小 ，用傳統(tǒng)的諧振腔制作方法來制造微諧振腔是相當(dāng)困難的。而且在光波波段 ，傳統(tǒng)的金屬諧振腔的損耗相 當(dāng)大，品質(zhì)因數(shù)值很小。而利用已有的光子 晶體加工這種微腔很容易實(shí)現(xiàn) ，且其品質(zhì)因數(shù)可以做得很高。在光子

28、晶體中設(shè)計(jì)制作一個(gè)點(diǎn)缺陷 ，這個(gè)點(diǎn)缺陷所對(duì)應(yīng)的角頻率處就會(huì)出現(xiàn)很大的模密度 ， 隨模密度的不斷增加 ，自發(fā)輻射將顯著增加 ，這樣就能實(shí)現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)很高的諧振腔。而這是采用其它材料制作的諧振腔所無法達(dá)到的。兩種微腔結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微圖像光電元件中的應(yīng)用高性能反射鏡 利用光子晶體光子禁帶的特性可以制造高品質(zhì)的反利用光子晶體光子禁帶的特性可以制造高品質(zhì)的反射鏡射鏡 。在短波長區(qū)域。在短波長區(qū)域 ，金屬對(duì)光波的吸收損耗很大，金屬對(duì)光波的吸收損耗很大 ，而介質(zhì)則對(duì)光波的而介質(zhì)則對(duì)光波的 吸收損耗非常小吸收損耗非常小 ，因此用介質(zhì)材料制，因此用介質(zhì)材料制成的光子晶體反射鏡具有極小的損耗成的光子晶體反射鏡具有極小的損耗 。 另外另外 ，由于金屬的趨膚效率，由于金屬的趨膚效率 ，金屬吸收的光集，金屬吸收的光集 中中于極薄的表層內(nèi)，表層溫度變得很高于極薄的表層內(nèi)，表層溫度變得很高 ，容易造成金屬反，容易造成金屬反射鏡射鏡 的表層變形，使其質(zhì)量嚴(yán)重下降。而由光子晶體制的表層變形，使其質(zhì)量嚴(yán)重下降。而由光子晶體制成的反射鏡，由于它對(duì)光波的吸收分布在幾個(gè)波長的范圍成的反射鏡，由于它對(duì)光波的吸收分布在幾個(gè)波長的范圍內(nèi)，所以因吸收光而產(chǎn)生的熱量分布在較大的體積內(nèi)，光內(nèi)，所以