1、光子晶體的應(yīng)用與研究issn10093044compurknowledgeandtechnology電腦知識與技術(shù)vo1.7,no.22.august2011.光子晶體的應(yīng)用與研究陸清茹(東南大學(xué)成賢學(xué)院,江蘇南京210000)email:.elltel:+8655156909635690964摘要:光子晶體是指具有光子帶隙(photonicbandgap,簡稱為pbg)g性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu).有時(shí)也稱為pbg光子晶體結(jié)構(gòu).該文系統(tǒng)的闡述了光子晶體的產(chǎn)生,制備及應(yīng)用.關(guān)鍵詞:光子晶體;光子頻率禁帶;激光全息:中圖分類號:tn

2、364文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a光子晶體激光器:微波天線文章編號:10093044(2011)22546802進(jìn)入2o世紀(jì)后半葉以來,全球迎來了電子時(shí)代,電子器件被極其廣泛的應(yīng)用于工作和生活的各個(gè)領(lǐng)域,尤其是促進(jìn)了計(jì)算機(jī)和通訊行業(yè)的發(fā)展.但是進(jìn)入21世紀(jì)以后,伴隨著電子器仲不斷深入的小型化,低耗能,高速度,其進(jìn)一步的提升也越來越困難.人們感到了電子器件發(fā)展的瓶頸,開始把目光轉(zhuǎn)向了光子,有人提出了使用光子代替電子作為新一代信息載體的設(shè)想.電子器件的基礎(chǔ)是電子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng),類似的,光子器件的基礎(chǔ)是光子在光子晶體中的運(yùn)動(dòng).光子的性質(zhì)決定了光子器件的主要特點(diǎn)是能量損耗小,運(yùn)行速度快,所以工作效率高.光子器件在

3、高效率發(fā)光二極管,光子開關(guān),光波導(dǎo)器件,光濾波器等方面都具備巨大的應(yīng)用潛力.近年來,光子晶體相關(guān)的理論研究,實(shí)驗(yàn)科學(xué)以及實(shí)際應(yīng)用都已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展,光子晶體領(lǐng)域已經(jīng)成為現(xiàn)在世界范圍的研究熱點(diǎn).1999年l2月17日,科學(xué)雜志就已經(jīng)把光子晶體的研究列為全球十大科學(xué)進(jìn)展之一.1光子晶體的由來1987年s.john和e.yablonovitch等人分別提出了光子晶體的概念:光子晶體是指具有光子帶隙(photonicbandgap,簡稱為pbg)特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu),有時(shí)也稱為pbg光子晶體結(jié)構(gòu).它是根據(jù)電子學(xué)上的概念類比得出的.我們知道,在固體物理學(xué)的研究中,晶體中的呈周期性排列的原子產(chǎn)生

4、的周期性電勢場會(huì)對其中電子有特殊的約束作用.在介電常數(shù)周期性分布的介質(zhì)中的電磁波的一些頻率是被禁止的,光子晶體也類似.通常這些被禁止的頻率區(qū)間為光子帶隙,也叫光子頻率禁帶,而將具有光子頻率禁帶的材料稱作為光子晶體2光子晶體的分類與結(jié)構(gòu)我們可以根據(jù)光子晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類根據(jù)其能隙空間分布的不同,我們把光子晶體分為一維光子晶體,二維光子晶體,三維光子晶體.3光子晶體的制造光子晶體在自然界中幾乎不存在,它是一種人造做結(jié)構(gòu),其制備工藝主要有以下幾種:3.1機(jī)械加工法機(jī)械加工法又叫精密機(jī)械加工法.這種加工法是存光子晶體的早期研究中發(fā)展起來的方法.機(jī)械加工法通過在集體材料上進(jìn)行機(jī)械接卸鉆孑l,利用空氣介質(zhì)

5、和集體材料的折射率差束獲得光子晶體,這種方法可以用于制備制作起來比較容易的晶格常熟在厘米至毫米量級的微波波段光子晶體.3.2半導(dǎo)體微制造法半導(dǎo)體制備技術(shù)中的激光刻蝕,反應(yīng)離子束刻蝕,電子束刻蝕以及化學(xué)汽相淀積等能夠應(yīng)用于面心立方結(jié)構(gòu)的光子晶體的制備.這類制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和設(shè)備,并且用這種方法制備的光子晶體具有較寬的禁帶,在集成光電子元件的應(yīng)用方面有很大的潛力.但是這類制備方法的二藝太過復(fù)雜,而且成本過高,并且在向光子晶體中引入缺陷和制備更短波長的光子晶體等方面存在不足.3.3膠體自組織法分散的聚苯乙烯乳膠球能自發(fā)的在水中排列成面心立方和體心立方等有序結(jié)構(gòu),這種膠體

6、體系被人們稱為膠體晶體.目前制備交替晶體的多為二氧化硅小球體系或者聚苯乙烯球.這種方法制備的光子晶體的折射率比值不會(huì)太大.蛋白石光子晶體的折射率比值比較小,這也就決定了此種膠體光子晶體的光子禁帶較窄,它們是非完全光子帶隙晶體.為解決膠體晶體的低介電常數(shù)配比問題,人們又發(fā)展了模板法.模板法和膠體法可以用于制備可見光和近紅外波段的i維光子晶體.它們的缺點(diǎn)是不易引入人們想要的缺陷,以及制得的光子晶體機(jī)械強(qiáng)度較低,尺寸較小等.3.4激光微制造法有一種相對比較簡單的制備光子晶體的方法叫做激光微制造法.其原理是,光線能通過透鏡產(chǎn)生匯聚,從而在焦點(diǎn)處可以產(chǎn)生收稿日期:20110623作者簡介:陸清茹,碩士,

7、現(xiàn)就職于東南大學(xué)成賢學(xué)院.5468計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù);*本欄目責(zé)任編輯:梁書第7卷第22期(2011年8月)compurknowledgeandtechnology電腦知識與技術(shù)很高的溫度.如果將緊密聚焦后的激光束直接照射存透明材料上,只要光強(qiáng)足夠大,則材料內(nèi)部的亞微觀尺寸區(qū)得光學(xué)性質(zhì)會(huì)被改變光學(xué)改性區(qū)取決于激)匕束的聚焦情況,如果使用配有高數(shù)值孔徑的顯微鏡對激光束聚焦,則所得的光學(xué)改性區(qū)的尺寸有可能達(dá)到進(jìn)行為制造的激比波長量級3.5激光全息制造法激光傘息制造法的原理是:兩束或多束相關(guān)光線在相重疊匯聚處能產(chǎn)生在空間上呈周期性變化的罔案,然后再通過光與物質(zhì)的相互作用,就能形成介質(zhì)折射率在空間:呈

8、周期性變化的結(jié)構(gòu).因?yàn)榇婀鈴?qiáng)比較高的地方,液態(tài)樹脂會(huì)發(fā)生固化,而其他地方還是液態(tài),所以該電磁波場強(qiáng)的圖案能被轉(zhuǎn)印到樹脂材料中,進(jìn)而得到需要的光子晶體結(jié)構(gòu).3.6雙光子聚合法雙光子聚合是近些年來發(fā)展起來的一種新型光聚合技術(shù),它要求材料中能引發(fā)光聚合的活性成分能在同時(shí)吸收兩個(gè)光子,產(chǎn)生一種活性物質(zhì),進(jìn)而引發(fā)聚合反應(yīng).雙光子聚合技術(shù)是點(diǎn)聚合,能通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)加工,所以加工精密度要比普通光聚合更高.4光子晶體的應(yīng)用發(fā)展4.1光子晶體激光器傳統(tǒng)光學(xué)器件尺寸的縮小已經(jīng)接近物理極限,光子晶體為突破這一瓶頸限制帶來了曙光,可望滿足元器件不斷微型化的需要.另外從理論性上看,光子晶體激光器的起振閾

9、值可以為零.因此光子晶體激光器的研究受到了廣泛重視,日本,美國,德國,韓國,英國,瑞士,法國等國的研究者都已研制出光子晶體激光器裝置.但由于其制作工藝復(fù)雜,目前國內(nèi)在這方面的研究基本上還是空白狀態(tài).從作原理上看.光子晶體激光器可以分為兩類,一類基于缺陷態(tài)光子晶體的特性,另一類基于光子晶體的理想反射特性.從工作特點(diǎn)上看,光子晶體激光器可分為半導(dǎo)體光子晶體激光器,光子晶體光線激光器,光子晶體激光二極管,有機(jī)聚合物光子晶體激光器.從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看.已研制出的有光子晶體帶間缺陷模激光器,表面發(fā)射型光子晶體激光器,脊形波導(dǎo)光子晶體激光器,六角波導(dǎo)環(huán)形諧振腔光子晶體激光器,光子晶體分布反饋式激光器,垂直腔面發(fā)

10、射光子晶體激光器,光子晶體帶邊激光器等.4.2光子晶體光纖光子晶體纖維其實(shí)就是在二維光子晶體的長度方向上制造一定的缺陷,從而使其能夠成光的導(dǎo)體的波導(dǎo).光子纖維光線最重要的特點(diǎn)是無休止單模特性和其奇異的色散特性.4.3光子晶體在為微波中的應(yīng)用一微波天線這里主要介紹一種在做波領(lǐng)域巾的平面二維光子晶體.這種光子品體可能實(shí)現(xiàn)相位可控的金屬一介質(zhì)反射表面,岡而可能實(shí)現(xiàn)具有高表面阻抗的電磁波反射表面,也就是說,可能實(shí)現(xiàn)電磁波的同相位反射.這樣的光子晶體,將會(huì)在天線,通訊,尤其是手機(jī)通訊中,有非常誘人的應(yīng)用前景.4.4光子晶體發(fā)光二級管眾所周知.傳統(tǒng)的發(fā)光二極管在光通信領(lǐng)域中起著關(guān)鍵性的作用.一般的傳統(tǒng)發(fā)光

11、二極管的發(fā)光中心發(fā)出的光要經(jīng)過包圍它的介質(zhì)的無數(shù)次反射.其中大部分的光不能有效地耦合出去,從而使傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的光輻射效率很低.如果把一塊特質(zhì)的光子晶體放在發(fā)光二極管的發(fā)光中心,并設(shè)計(jì)成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與其中間的光子晶體的光子頻率禁帶相重合,則發(fā)光二極管的發(fā)光中心發(fā)出的光就不會(huì)進(jìn)入包圍它的光子晶體中,而是沿著特定的設(shè)計(jì)方向相外輻射,這樣就能極大地提高發(fā)光二極管的效率.5結(jié)束語如前文所述,光子晶體雖然只發(fā)展了短短二十幾年,但是因?yàn)槠鋸V闊前景,已經(jīng)引起了全世界學(xué)術(shù)界的廣泛重視.很多科研工作者在光子晶體的理論研究,實(shí)驗(yàn)以及具體應(yīng)用上都進(jìn)行了大量的工作.當(dāng)前光子晶體的波長范圍已經(jīng)發(fā)展到了紅外

12、光甚至可見光的波段,但是如果想在此波段范圍內(nèi)制造完全帶隙的維光子晶體還存在著一定的困難,目前最大的制約還是在適宜的材料和加工工藝上.岡此,人們發(fā)明了了雙光子聚合技術(shù)和激光全息光科技書,這兩種技術(shù)結(jié)合了高分子化學(xué)和激光光學(xué)的全新手段.是交叉性,邊緣性的前沿研究領(lǐng)域.目前在加=_i_=工藝方面,人們可以采用激光全息技術(shù)來制備j維光子晶體,甚至也能通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來給光子晶體加人我們想要的缺陷.但是在先進(jìn)技術(shù)不斷革新的同時(shí),我們對材料也不斷提出了更高的要求.我們希望材料聚合后的折射率應(yīng)較大,因?yàn)檎凵渎氏嗖钤酱?光子晶體產(chǎn)生的能隙寬度才會(huì)越大.現(xiàn)在,人們使用以上技術(shù)制造出的聚合物微結(jié)構(gòu)作為模板,再結(jié)

13、合其他高折射率的材料,例如使用硅,鍺等進(jìn)行填充,再通過煅燒,化學(xué)腐蝕等方法出去模板,進(jìn)而制備出具有更高設(shè)置指數(shù)的光子晶體.光子晶體優(yōu)良的特性及其在光電子領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力,必將推動(dòng)光通信技術(shù)的飛速發(fā)展.目前光子晶體正處于深入研究和應(yīng)用推廣階段,許多美好設(shè)想即將成為現(xiàn)實(shí),國內(nèi)外的科學(xué)家們將在該領(lǐng)域進(jìn)行大量的研究工作參考文獻(xiàn):【1zhouwd,rennons,babat,eta1.electricallyinjectedsingledefectphotonicbandgapsurfaceemittinglaseratroomtemperaturej.electron.lett,2000,36(181:l541一l542.2moosburgterj,kampm,klopff,eta1.semiconductorlaserswith2-dphotoniccryst