光子晶體及運(yùn)用

光子晶體及其應(yīng)用內(nèi)容光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體的特性光子晶體的應(yīng)用光子晶體的制作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)操控電子的流動(dòng)ICSemiconductorlaser...我們能否控制光子的流動(dòng)？半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)態(tài)禁帶電子能帶原子勢(shì)場(chǎng)的周期排列單原子勢(shì)場(chǎng)能級(jí)Ek能帶GLXGeGLXSiEgEg[111][100][111][100]Electronicbandstructures

傳統(tǒng)的操控光的流動(dòng)全反射qcn=1.55,qc=40.2o

Criticalangle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)：幾百

KHz光纖系統(tǒng):

THz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)：internetera光纖電子器件全光器件能否控制光子的流動(dòng)？Whatisphotoniccrystal?'Baby,OneMoreTime'

'OopsIdiditAgain'

光子晶體是什么？周期排列的人工微結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成材料: 半導(dǎo)體、絕緣體、金屬材料等單元尺寸: 毫米、微米、亞微米光子能帶、光子禁帶wkspaceDOSPhotonicbandstructure00光子晶體均勻介質(zhì)wk光子能帶的起源

Bragg散射

Mie共振0kw0p/ddPhotoniccrystalsinnaturePhotoniccrystalsinnatureWeevil象鼻蟲PhotoniccrystalsinnatureSeamousePhotoniccrystalsinnaturebluegreenyellowbrown二維光子晶體二維光子晶體三維光子晶體LincolnlogstructurePhotoniccrystalsvssemiconductorsFermion,s=1/2Boson,s=1e-e:strongp-p:absentElectronicPhotonic半導(dǎo)體~光子晶體半導(dǎo)體光子晶體1930年代電子能帶論（電子帶隙）1987年光子能帶（光子帶隙）

1948年發(fā)明晶體管1991年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1990年代原型器件

1958年發(fā)明集成電路目前探索集成光路1960年代以后微電子革命21世紀(jì)光子技術(shù)革命光半導(dǎo)體未來的半導(dǎo)體NobelNobelNobel?

迅速成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)

93年起，研究論文每年增長(zhǎng)>70%《科學(xué)》1998Bestbets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《科學(xué)》1999Runners-up國(guó)際上激烈競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)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)劃可調(diào)光子晶體計(jì)劃毫米和亞毫米波段的集成天線技術(shù)日美歐光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)帶隙光子能帶結(jié)構(gòu)允許帶允許帶頻率禁帶標(biāo)度不變性光限制光波導(dǎo)光折變光子線路微腔波導(dǎo)ScalingpropertySpontaneousemissionFermigoldenrulesExcitedstateGroundstatephotonSpontaneousemission:modificationNaturalInhibitedEnhancedNozero-pointfluctuationGroundstateExcitedstateStrikingamatch,istherelight?FreespacePBG光子晶體的未來新型光學(xué)、光通訊器件國(guó)防科技未來的半導(dǎo)體、光半導(dǎo)體未解決的重大問題1、帶隙調(diào)控2、物理特性的發(fā)現(xiàn)帶隙的形成機(jī)理寬帶隙、多帶隙處于初始階段3、材料的制備尚無獨(dú)特的方法4、新型器件的開發(fā)半導(dǎo)體：大規(guī)模應(yīng)用光子晶體：研發(fā)階段寬帶全向全反射器Photoniccrystal核爆射線探測(cè)器假目標(biāo)？光子晶體天線Brownetal.,J.Opt.Soc.Am.B10,404(1993)一維全方位反射鏡Y.Fink,etal.,Science

282,1679(1998)布儒斯特角的修飾qiqtnintqiqtnintpwave各向異性布儒斯特角的修飾與消失光子晶體光纖J.C.Knight,etal.,Science

282,1476(1998)自聚焦現(xiàn)象：超吸收應(yīng)用X-射線激光微波吸收？紅外吸收？光波導(dǎo)微腔MicrocavityPhotoniccrystalmicrocavityGrating-likemicrocavityCylindricalcavity新型光子晶體激光器世界上最小的激光器DefectregionActiveregion:InGaAsPa=515nmr=180nmO.Painteretal.,Science284,1819(1999).光限制器、光開關(guān)n1n2

透射率光子帶隙M.Scalora

etal.,Phys.Rev.Lett.73,1368(1994).機(jī)理微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料制備原型器件上載/下載頻道濾波器光通訊SuperprismConventinalprismPBGprism小尺寸、大波長(zhǎng)Crystalofcapacitors.Fourlayersofthestructureformoneperiodofthediamondlattice(fromPhys.Rev.Lett.80,2829).LightSneaksthroughSmallHolesJ.A.Porto,etal.,Phys.Rev.Lett.83,2845(1999)修飾發(fā)射特性：紅外隱身頻率光子晶體熱輻射材料發(fā)射率黑體輻射實(shí)際材料有光子晶體光延遲w01TransmissionPBGPhotonicMoleculeM.Bayer,etal.,Phys.Rev.Lett.81,2582(1998)Photonsconfinedwithinthephotonicmoleculearerestrictedtoasetofdiscreteenergies,likeelectronsinarealmolecule光子晶體偏振器TMTE光子晶體量子阱：多通道濾波器(AB)m(AB)m(CD)n能帶結(jié)構(gòu)透明金屬微波與紅外可見光Agglass紅外反射光譜平均反射率95%可見光透射光譜黃色帶紅色帶LefthandedmaterialsEB=mHkm>0RighthandedmaterialsEB=mHkm<0S=E

HHS=E

HLefthandedmaterials傳播條件自然界沒有！反常的多譜勒效應(yīng)反常的軔致輻射反常的反射反常輻射光壓新現(xiàn)象InverseDopplereffect反常折射現(xiàn)象一維光子晶體二維光子晶體二維光子晶體三維微波光子晶體LincolnLog-likestructureSmallestthree-dimensionalphotoniccrystalyetfabricatedexcludeslightinthewavelengthrangearound1.5m.ShawnLinetal.,OpticsLetters,1January,1999Infraredphotoniccrystalsfabricatedusingdeepx-raylithographyG.Feiertag,etal.,App.Phys.Lett.71,15September1997金屬光子晶體OpalSiO2particlesfccstructureInverseopalJ.E.G.J.WijnhovenandW.L.Vos,Science

281,802(1998)Orderedmicroporousmaterialsfromrod-coilblockcopolymerS.A.JenekheandX.L.Chen,Science

283,372(1999)Sonicbandgap