《光子晶体发展》ppt课件

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1、光子晶体的发展与应用第六组一、光子晶体简介二、光子晶体中的量子理论三、光子晶体的发展历程四、光子晶体的应用五、光子晶体的发展前景信息技术革命标志：半导体技术趋势：微型化和高度集成化限制：纳米尺度的量子效应摩尔定律：自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。光子时代的到来？光子电子传播速度108m/s104-105m/s数据传播速率光子远远大于电子载体带宽1012Hz105Hz载流子相互作用弱强一、光子晶体简介光子晶体（photoniccrystal）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料。从

2、晶体结构来说，晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。光子晶体的结构简介一光子晶体的能带结构光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似,因此光子晶体中介电函数的周期性变化能产生光子能带结构.当电磁波在周期性排列的介电材料中传播时,由于在不同介质交界面处介质对电磁波的布拉格散射,电磁波将受到调制而形成能带结构,并导致在带与带之间光子能隙的出现.光子能隙不仅与光子能量有关,而且与光波的传播方向有关.光子能隙可分为两种:一种不完全能隙,能隙只出现在某些特定的方向上;另一种是完全能隙,即

3、在各个方向上都有能隙存在.如果光子落在完全能隙内,则此频率的光在该光子晶体中沿任何方向都不能传播,这就是所谓的光子禁带.由于光子禁带的存在,光子晶体可以抑制自发辐射.我们知道,自发辐射的几率是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,而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时,由于该频率的光子的态的数目为零,自发辐射也就被抑制.反过来,光子晶体也可增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可实现.如在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可实现自发辐射的增强.二光子晶体中自发辐射简介当原子处于激发态时,如果不受外界影响,它们会

4、自发地回到基态,从而放出光子,我们把这样一过程称为自发辐射过程.自发辐射过程并不是物质的固有性质,而是物质与场相互作用的结果,也就是说它本质上是电磁振荡为零时的受激辐射,即所谓的电磁真空.John等人研究发现在光子晶体中,由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止而形成光的局域态,原子自发辐射所发出的光子就会被限制在原子周围,而不是以光速传播,原子与辐射场之间仍存在能量交换,这样,辐射场对原子进行修饰而形成光子—原子束缚态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发辐射具有不同于真空中指数衰减的性质,因此,对光子晶体原子自发辐射性质的研究,为研制新型的低噪音,高相性的激发,寻找奇异的光学材料等都具有十分重

5、要的意义.JohnS.Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489YablonovitchEPhys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062光子晶体具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonicbandgap)。光子晶体--自然界中的例子ButterflyOpalSeamouse在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的

6、材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。光子晶体的特性晶格类型，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充比。点缺陷线缺陷面缺陷2光子局域在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。1光子带隙在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通信的一种关键性基础材料。优点：（一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。一般的光纤波导中，波导拐弯时，全内反射条件不再有效．会漏掉部分光波能量，使

7、传输效率降低。而光子晶体弯曲波导中，利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原则上只要达到模式匹配，不管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。（二）能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输率的现象。（三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。二、光子晶体中的量子理论电磁波可表示为：分别为角频率和波数，它们与周期T和波长的关系为：波的传播速度（相速）为：对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变化时，