1、第59卷第1期2010年1月100023290201059(01)0340211物理學(xué)報ACTAPHYSICASINICAVol.59,No.1,January,20102010Chin.Phys.Soc.光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展倪培根(國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)學(xué)物理科學(xué)部物理科學(xué)一處,北京100085)(2009年4月2日收到;2009年5月11日收到修改稿)從光子晶體概念的提出到現(xiàn)在已經(jīng)過了20余年,光子晶體不僅成為微納光子學(xué)和量子光學(xué)的重要研究領(lǐng)域,而且在信息光學(xué)以及其他多個學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用.本文重點綜述了光子晶體的制備工藝,尤其是二維光子晶體和三維光子晶體的制備工藝進(jìn)展,同時也

2、綜述了光子晶體的應(yīng)用研究的進(jìn)展,在此基礎(chǔ)上,提出了一些光子晶體研究的展望.關(guān)鍵詞:光子晶體,光子帶隙,人工微結(jié)構(gòu)PACC:4270Q,4225B.本文分為三部分內(nèi)容進(jìn)行敘述:11引1,2言;光子晶體的應(yīng)用研究進(jìn)展;光子晶體制備研究的可能突破和光子晶體應(yīng)用的關(guān)鍵.由于光子晶體的研究涉及范圍太過廣泛,本文僅限于在光子晶體的制備和一些相關(guān)應(yīng)用的綜述上,光子晶體光纖已自成一個重要應(yīng)用方向,其物理機(jī)理明確,技術(shù)性強(qiáng),所以本文未考慮該方向.自John和Y來,20余年.由于、量子光學(xué)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景,而得到科研人員愈來愈廣泛而深入地研究.光子晶體是介質(zhì)的周期排列而構(gòu)成的一種人工微結(jié)構(gòu)材料,由于電磁波在其

3、中的傳播可以用類似于電子在半導(dǎo)體中傳播的能帶理論來描述,故而得光子晶體之名,以此表明光子之晶體與電子之晶體(半導(dǎo)體)的區(qū)別與聯(lián)系.光子晶體被認(rèn)為是控制光子(電磁波)傳播的行之有效的工具,光子晶體的典型特點是具有光子帶隙.當(dāng)物質(zhì)的自發(fā)輻射頻率處在光子帶隙內(nèi)時,它可以用于抑制光子晶體內(nèi)的物質(zhì)的自發(fā)輻射.同時,當(dāng)在光子晶體內(nèi)引入缺陷時,如果物質(zhì)的自發(fā)輻射頻率和缺陷模的頻率一致,又可用于增強(qiáng)物質(zhì)的自發(fā)輻射,而且這種自發(fā)輻射有類似于受激輻射的特性.光子晶體可以用于制備超高品質(zhì)因子的微腔,用于研究腔量子電動力學(xué)效應(yīng),是量子通訊和量子信息處理的有力工具.由于光子晶體諸多的優(yōu)異特性,人們對光子晶體的制備工藝做

4、了大量的研究,提出了光子晶體的各種可能應(yīng)用,同時也發(fā)現(xiàn)了光子晶體的一些新特性.本文主要目的是回顧光子晶體的制備工藝的發(fā)展和相關(guān)的應(yīng)用研究進(jìn)展.在此基礎(chǔ)上,探討光子晶體制備和應(yīng)用研E-mail:nipg21光子晶體的制備工藝光子晶體具有的巨大應(yīng)用前景已被人們廣泛認(rèn)識,所以作為光子晶體得以應(yīng)用的必要條件光子晶體的制備工藝得到世界上眾多研究人員的深入研究.從光子晶體的維數(shù)來說,光子晶體的制備的可以分為一維光子晶體的制備,二維光子晶體的制備和三維光子晶體的制備.由于一維光子晶體的制備可以用非常成熟的各種鍍膜工藝來實現(xiàn),所以這里我們主要關(guān)注二維和三維光子晶體的制備.2111二維光子晶體的制備進(jìn)展在二維光

5、子晶體的制備工藝研究中,對于微波區(qū)的光子晶體,可以用一根一根的電介質(zhì)圓柱(直徑數(shù)個毫米)來構(gòu)成一個光子晶體,制備工藝相對比較簡單.但是,當(dāng)光波長小到幾個微米和亞微米時,即可見光區(qū)和近紅外區(qū)光子晶體的制備就非常困難.即使如此,研究人員充分利用各種納米制備技術(shù),尤1期倪培根:光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展341其是借鑒成熟的半導(dǎo)體加工工藝技術(shù),制備工作在可見光區(qū)和近紅外區(qū)的光子晶體,比如Wendt等人在1993年利用電子束直寫和反應(yīng)離子束刻蝕方法在GaAs基片上制備了二維AlGaAs薄膜(平板)光子3晶體.首先他們利用電子束直寫的單點曝光技術(shù)(single-spotexposure)在電子膠上定義

6、了二維光子晶體結(jié)構(gòu)圖形,經(jīng)過顯影,得到在電子膠上的二維圖形.然后利用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將圖形最終轉(zhuǎn)移到AlGaAs薄膜上,這種技術(shù)的好處是可以大大節(jié)省電子束直寫系統(tǒng)定義圖形的時間,和多點曝光技術(shù)(現(xiàn)在通常所用的技術(shù))相比,大約只需要多點曝光技術(shù)所使用時間的十分之一的時間,甚至更少.但是單點曝光技術(shù)有一個缺點是不能進(jìn)行曝光量的修正(proximityeffect),如果能夠克服這一點,單點曝光技術(shù)應(yīng)該更有前途.Krauss等人利用多點曝光技術(shù)和反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)制備了GaAs基光子晶體(如5圖1所示).之后,是基于相類似的技術(shù).法定義光子晶體,11.另外,多光束相干技術(shù)也被用來制備二維光子晶體的

7、圖形光路如圖2所示.12694(a)三個光柵構(gòu);()產(chǎn)生三角形圖案的光路設(shè)置,其制備條件下,在n型硅110表面通過氟化氫溶液的腐蝕而得到的大縱橫比的微孔,所制備的光子晶體微結(jié)15構(gòu)如圖3所示.除了陽極氧化鋁方法外,利用液體腐蝕方法通常只能制備孔徑比較大的二維光子晶體,該類光子晶體的光子帶隙波長基本處在1030m區(qū)間.圖1利用多點曝光技術(shù)制備的二維GaAs光子晶體圖3利用多孔硅制備工藝的二維光子晶體除了利用電子束、深紫外光和多光束相干技術(shù),同時輔以反應(yīng)離子束刻蝕工藝制備二維光子晶體外,有些科學(xué)家也利用電化學(xué)方法刻蝕微孔,從而得到二維光子晶體,比如陽極氧化鋁通過電化學(xué)方法腐蝕而得到大縱橫比周期的微

8、孔13,14光子晶體微結(jié)構(gòu)的均勻性直接關(guān)系到光子晶體的物理性質(zhì),當(dāng)前制備工藝需要克服的一個重要困難是如何制備出孔徑完全一致的光子晶體.微孔的輕微差別,就有可能引起諧振頻率的改變,而使器件;又如在光照342物理學(xué)報59卷的功能失效,尤其是對于密集波分復(fù)用器件,其頻率間隔是100GHz,也就是0167nm的波長間隔.在一個二維平板GaAs光子晶體中,對于去掉一個微孔所形成的微腔,如果要使微腔波長的偏差小于0167nm,那么圍繞微腔的微孔的直徑偏差應(yīng)近似小于16d=4n0105nm,這對制備工藝來說是一個相當(dāng)高的要求.如何克服制備工藝上的限制和光子晶體實際應(yīng)用所需精度的矛盾,將是未來光子晶體能夠進(jìn)一

9、步走向應(yīng)用的關(guān)鍵.2121三維光子晶體的制備工藝樣品池底的尺度小于微球的微通道流出,樣品池中的微球就形成周期排列的三維光子晶體.當(dāng)時,所有的三維膠體光子晶體的晶面都是沿(111)方向,而對于(111)方向的晶格結(jié)構(gòu),可能構(gòu)成面心立方,也可能構(gòu)成六角密堆結(jié)構(gòu),或者是無規(guī)密堆結(jié)構(gòu).在實驗中沿(111)方向的面心立方結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的,但是在存在外界微擾的情況下,有可能引起面缺陷,引入六角密堆結(jié)構(gòu)或無規(guī)密堆結(jié)構(gòu).為克服這個問題,利用模版法制備晶向為(100)方向的膠體面心立方光子晶體方法被提出2524.隨后,Xia等人利用這種方26,27具有完全帶隙的三維光子晶體可以在空間所有方向上對光子的傳播進(jìn)行調(diào)制

10、,所以是光子晶體發(fā)展的重中之重,是光子晶體研究中的難點.對原子自發(fā)輻射的抑制和制備高Q微腔是三維光子晶體發(fā)揮其主要性能的關(guān)鍵體現(xiàn).因而世界上許多研究組致力于三維光子晶體制備方法和工藝的研究.維光子晶體的制備比較而言,制備要困難得多.,體的制備,經(jīng)過,三維光子晶體的制備工藝也得到了長足的發(fā)展,總的來說,已知的三維光子晶體的主要制備方法有:蘸筆納米光刻術(shù)(dip2pennanolithographymethod),膠體微球自組裝方法,多光束相干,相位光柵,多光子聚合方法,掠角度沉積技術(shù)(glancingangledeposition),自克隆技術(shù)(autocloningtechnology),電子

11、束直寫和反應(yīng)離子束刻法制備出了晶向在(100)方向的光子晶體,同(100)晶向光子晶體的方法.(,但322831.利用納米微球在溶液中長,通常需要多天甚至十多天時間,Meng等人發(fā)展了一種在低真空和紅外加熱的輔助作用下的膠體自組裝方法,這種方法可以大大地縮短晶體生長的時間33.微球構(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)光子晶體由于折射率不夠大,所以不具有完全光子帶隙,只有當(dāng)反演成空氣球構(gòu)成的反結(jié)構(gòu)時,才可能在第8和第9光子帶之間出現(xiàn)光子帶隙34,相應(yīng)的反演方法,比如利用化學(xué)氣相沉積和原子層沉積方法也被成功的發(fā)展起來.至今,利用這種方法已成功地制備了工作在近紅外區(qū)的存在完全光子帶隙的三維光子晶體,比如硅基反opal

12、光子晶體35,36蝕的聯(lián)用等.微球自組裝方法是最早用于制備三維光子晶體的方法.利用單分散的聚苯乙烯或二氧化硅微球在水或酒精等溶液中可以自組裝成具有面心立方結(jié)構(gòu)周期排列的膠體光子晶體17,18,如圖4所示.這種微球構(gòu)成的光子晶體即使反演成空氣球形成的光子晶體,其高折射率介質(zhì)的折射率必須大于219才能出現(xiàn)完全光子帶隙.與此同時,有科學(xué)家提出利用opal制備微球和圓柱構(gòu)成的光子晶體37.但是,這種在液體中的膠體光子晶體具有很大的不可控性和不穩(wěn)定性,很難在實際應(yīng)用中發(fā)揮作用.于是該生長方法得到進(jìn)一步拓展,發(fā)展到微球在重力作用下自然沉積,溶液揮發(fā)后,形成固態(tài)的三維光子晶體,也稱之為opal1922,但是

13、制備高質(zhì)量的具有完全帶隙的反演光子晶體并不容易,到目前為止,仍沒有能利用這種方法制備出在可見光區(qū)具有完全光子帶隙的三維光子晶體.為了在三維光子晶體中引入人為的缺陷,利用雙光子刻蝕的方法在膠體光子晶體中寫入缺陷的方法被提出.同時通過不同的途徑(雙光子激光直寫或刻蝕和沉積的過程)已制成面波導(dǎo)、線波導(dǎo)和點缺陷等缺陷.電子束直寫、反應(yīng)離子束刻蝕、氣相沉積、表面拋光和濕法刻蝕的聯(lián)用,可以用來制備三維光子晶體,利用這種方法可以制備出相應(yīng)的帶有特定缺陷3840.隨著對膠體光子晶體的研究的深入,人們又提出可以利用液體的表面張力,將波片垂直插入膠體溶液中,通過控制溫度、濕度,隨著膠體懸浮溶液中溶劑的蒸發(fā),在波片

14、的表面就自然形成了沿(111)方向周期排列的面心立方光子晶體23.而Xia等人也提出可以通過對溶液施加一定的壓力,使膠體溶液中的溶劑在高于外界大氣壓的壓力驅(qū)動下沿1期倪培根:光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展343為了制備三維光子晶體,科學(xué)家也發(fā)展了許多新的制備工藝.多光束相干全息也是一種比較好的44,45制備方法,通過多光束相干可以形成幾乎所有的晶格類型,比如面心立方,金剛石結(jié)構(gòu),體心立方等等,所有這些晶格都能通過調(diào)整各個光束的相位和偏振而得到.但是受所用的激光束波長的限制,目前仍然不能制備完全光子帶隙在可見光區(qū)的三維光子晶體.由于多個光束的調(diào)整非常不方便,所以有兩種相對簡便的方法得到了發(fā)展:利

15、用相位光柵或者多面棱鏡構(gòu)造多個光束的相干,從而減少各個光束4651之間相對相位和偏振控制的問題;通過相位調(diào)制器動態(tài)構(gòu)造多個光束的方法更方便.多個光束,但是如果要寫特定的波導(dǎo),科研工作者53,54,.利用SU8光敏膠上定義了搭積木,并通過反演將其轉(zhuǎn)變成硅基光子晶體,55,56m處出現(xiàn)了完全光子帶隙在115,其制備的光子晶體如圖6所示.進(jìn)一步,在無機(jī)光敏介質(zhì)As2S3上也制備了搭積木型的光子晶體.不僅僅是搭積木型的光子晶體,利用雙光子吸收方法也制備出了58螺旋型的光子晶體結(jié)構(gòu).5752圖4制備的硅基反opal的掃描電鏡圖的三維光子晶體.這種方法最早被用來制備光子帶隙在近紅外的光子晶體,Lin小組首

16、先制備了41woodpile結(jié)構(gòu)的光子晶體,但是由于這種方法需要及其昂貴的設(shè)備,并且需要多次的電子束直寫,即每一層都需要進(jìn)行一個循環(huán),所以加工非常費時,而,42究.雖然如此,Qi,提高了制備速43度和效率,其制備的光子晶體工藝流程圖和制備的光子晶體如圖5所示.圖5(A)一種利用電子束刻蝕制備三維光子晶體的流程圖;(B)(a)制備的光子晶體的掃描電鏡圖,(b)和(c)是光子晶體的高倍掃描電鏡圖344物理學(xué)報59,6059卷晶體.其原理是利用計算機(jī)控制高濃度的聚合(高分子)電解質(zhì)墨水流過毛細(xì)玻璃管噴口(直徑1m或更細(xì)),在一個凝結(jié)物的存儲池里迅速凝固,可以直接刻寫任意設(shè)計形狀和功能的三維周期性微結(jié)

17、構(gòu),如圖7所示,這是一搭積木結(jié)構(gòu)的三維光子晶體61.掠角度沉積技術(shù)(glancingangledeposition)也可以用來制備三維光子晶體,Kennedy等用掠射角沉積法獲得了螺旋型三維光子晶體62.這種沉積技術(shù)的原理是利用一個準(zhǔn)直的蒸發(fā)源與樣品表面法向成80至近90的入射角照射到具有模板的樣品上,由圖6(a)利用雙光子聚合技術(shù)所制備的三維光子晶體;(b)和(c)是光子晶體的某個方向的截面于樣品表面的圖形,接受沉積源的照射而生長,(在陰)和(所示,蘸筆納米光刻術(shù)(dip2pennanolithographymethodorinkdeposition)圖7(a)制備三維光子晶體的實驗裝置示意

18、圖;(b)制備的三維光子晶體的掃描電鏡圖圖8(a)掠角度沉積技術(shù)制備光子晶體的示意圖;(b)制備的三維光子晶體的掃描電鏡圖1期倪培根:光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展345自克隆(autocloning)技術(shù)是Kawashima等采用的一種簡單靈活的制備光子晶體的方法,該方法是在濺射刻蝕和濺射沉積的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的.用干法刻蝕制作具有周期性的、成波浪狀排列的基底,在適63,64當(dāng)?shù)臈l件下,在基底上堆疊薄膜,并保持薄膜的波浪形狀與基底上的相同.當(dāng)重復(fù)堆疊具有不同折射率的兩種介質(zhì)膜,則很容易獲得多維周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體,如圖9所示.圖9autocloning從制備的工藝看,使用“自上而下”的方法,也有綜

19、合利用“相結(jié)合的方法.從總體上,的三維光子晶體,但是存在的問題是:由于所用光束的波長的限制,至今只能制備出在近紅外區(qū)的存在完全光子帶隙的光子晶體.而膠體自組裝法可以制備任意晶格周期的光子晶體,但是由于這種光子晶體是面心立方結(jié)構(gòu),所以只有當(dāng)折射率對比大于219時才能出現(xiàn)完全光子帶隙,因此至今未見在可見光區(qū)存在完全光子帶隙的光子晶體的報道.在這方面恰好是光子晶體應(yīng)用的重要區(qū)域,所以如果能制備出在可見光區(qū)存在完全光子帶隙的光子晶體,將會給該領(lǐng)域帶來重要突破.具有超高Q值的光子晶體微腔在量子點與微腔的相互作用研究中起著重要的作用介紹光子晶體在集成光電子學(xué)上的應(yīng)用.當(dāng)在光子晶體中去掉構(gòu)成光子晶體的一個“

20、原子”時,也就引入一個點缺陷.引入的點缺陷在光子帶隙內(nèi)引入一個缺陷模,進(jìn)而構(gòu)成了一個微腔,它可以用做濾波器和激光諧振腔等.Yabolonovitch提出并演示了這樣的三維光子晶體缺陷實驗6765.66,它可能是量子計算和量子信息處理的載體.下面主要簡要.隨后人們發(fā)現(xiàn)引入各種各樣的缺陷可以構(gòu)成各種不同的功能器件,比如去掉一行構(gòu)成光子晶體的“原子”而構(gòu)成的光波導(dǎo)68,這種光波導(dǎo)可以使光轉(zhuǎn)90彎而只有69,70非常小的損耗波分復(fù)用器件,它可能是下一代集成光子芯片中的主要連接波導(dǎo).點缺陷和波導(dǎo)的復(fù)合而構(gòu)成的7131光子晶體的應(yīng)用光子晶體概念從提出的那一天就和它巨大的潛在應(yīng)用聯(lián)系在一起.光子晶體由于其所

21、特有的光子帶隙能夠抑制物質(zhì)的自發(fā)輻射,可以用于全反射鏡等.而引入的缺陷,可以形成缺陷模,這種缺陷模可以用作微腔、波導(dǎo)、光開關(guān)、激光器和探測器等等;同時即使在光子帶隙外的區(qū)域,光子晶體獨特的色散關(guān)系也可以應(yīng)用到不同的領(lǐng)域,比如superprism;superlens,delayline,collimator等.總之,光子晶體的應(yīng)用主要是在集成光電子學(xué)中,同時光子晶體也在其他方面有著重要的應(yīng)用,比如可用于提高發(fā)光二極管的,其中Fan等人提出的結(jié)構(gòu)如圖10所示.在這種結(jié)構(gòu)中,上下載波導(dǎo)中間有兩個全同的微腔,并且這兩個微腔組合后,構(gòu)成可以支持兩個簡并的微腔模,其中一個模式是奇模,而另一個模式是偶模,這

22、樣就能將處在微腔諧振頻率上的光子從上載波導(dǎo)中耦合到下載波導(dǎo)中,而不干擾其他信號在上載波導(dǎo)中的傳輸.Noda等人提出另一種波分復(fù)用形式,在平板光子晶體中,可以由微腔將波導(dǎo)中某一頻率的光波耦合到波導(dǎo)的上方,而由光纖或透鏡接收的器72.而Zhang等人提出利用類似于低頻濾波器74形式的波分復(fù)用器件,可以實現(xiàn)無反射的波分復(fù)用73.光束分束器,Mach2Zender干涉儀等也可以346物理學(xué)報75,7659卷81,82通過各種波導(dǎo)和點缺陷構(gòu)成.光子晶體波導(dǎo)的特殊色散關(guān)系也可以用于延遲線(delayline)77,78等.而共振耦合微腔構(gòu)成的波導(dǎo)可以形成90或79,8060彎曲而無反射的彎波導(dǎo).如果在光子

23、晶體帶隙的中間引入一缺陷模(微腔模),即激光模式,這個模的上下都沒有光子態(tài)存在,所以激發(fā)介質(zhì)只能以這一激光模式產(chǎn)生受激輻射,從而大大提高了激光器的效率.總之,利用光子晶體的缺陷可構(gòu)成的各種集成光學(xué)器件的核心元件,波導(dǎo)、微腔、延遲線、干涉儀、分束器和波分復(fù)用器等,因此無源光子線路可以在光子晶體上實現(xiàn).當(dāng)在光子晶體中引入有源材料和非線性材料時,就可以構(gòu)成光子晶體微腔激8387光器和光子晶體開關(guān),光子晶體的這些應(yīng)用使它成為下一代集成光子光路的主要載體.圖10(a)Fan(b),從而輻射,因此,它可以用來調(diào)控激發(fā)介質(zhì)的輻射特性,比如利用來提高激光器和發(fā)光二極管的出光效率.對于發(fā)光二極管,Fan等人提出

24、利用二維光子晶體提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率的方法,認(rèn)為處于二維光子晶體中的激發(fā)介質(zhì),當(dāng)輻射光的頻率在光子帶隙內(nèi)時,那么沿光子晶體平面的輻射光會被完全抑制,而垂直于光子晶體平面的方向,由于沒有光子晶體的能隙的限制,所以大部分的輻射光將沿這一方向輻射,從而直接輻射出二極管.沒有光子晶體的時候,由于激發(fā)介質(zhì)所在區(qū)域的折射率稍高于上下層介質(zhì)的折射率,會在激發(fā)介質(zhì)層形成波導(dǎo),所以大部分的輻射光會被局限在這一區(qū)域,經(jīng)傳播從側(cè)面輻射出去,降低了發(fā)光效率.光子晶體的應(yīng)用極大地提8891高發(fā)光二極管的出光效率.對光子晶體光子帶隙特征的認(rèn)識使得光子晶體擁有了廣泛的潛在應(yīng)用,而對光子帶隙外的光子晶體特殊色散關(guān)系的深入

25、認(rèn)識,使得光子晶體具有更加廣闊的用途.如圖11所示,對于一個典型的光子晶體的二維光子帶結(jié)構(gòu),科學(xué)家從光子帶結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn),在靠近光子帶隙的地方,其中光子帶的曲率變化非常快的地方,光子晶體的有效折射率隨頻率的變化非常快,所以這些地方就可以用作棱鏡使9294用.這種由光子晶體構(gòu)成的棱鏡由于具有極大的折射率隨頻率的變化率,因而稱之為超級棱鏡.而對于曲率接近于零靠近帶隙的地方,由于折射率無窮大,光子的傳輸將被無限的延遲,可以用為延遲線95或增加太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率等.另外,在色散空間中,對于二維方形光子晶體而言,當(dāng)頻率處于一定的區(qū)間時,沿著某個方向,光子晶體的等頻率線和這個方向垂直,這時就產(chǎn)生自準(zhǔn)直效應(yīng),

26、如圖12所示.這種自準(zhǔn)直效應(yīng)可以用于波導(dǎo)和分束器以及彎9698波導(dǎo)等等,極有可能在集成光路中得到應(yīng)用.另外光子晶體中也存在負(fù)折射效應(yīng),這種負(fù)折射效99-101應(yīng)可以用來成像和做透鏡,而且可以突破衍射極限.光子晶體的應(yīng)用經(jīng)過近20年的理論和實驗上的演示,已經(jīng)有許多的用途,但是光子晶體本身就好像是一座超級寶藏,仍然有待進(jìn)一步發(fā)掘.除了在光電子學(xué)上的應(yīng)用外,光子晶體也被認(rèn)為可以提高各種探測器的性能.由于光子晶體中有很多的納米空隙,當(dāng)組成光子晶體的物質(zhì)對某一種氣體敏感時,可以產(chǎn)生折射率的變化.如果光子晶體中有一個對折射率變化很敏感的微腔,那么任何細(xì)微的變化,都可能引起光子晶體微腔的透過率的變102化,

27、從而感知周圍介質(zhì)中某種氣體含量的變化.在這個方面的工作有可能在環(huán)境、生物和人體探測器上得到應(yīng)用.光子晶體在量子信息處理也存在潛在的應(yīng)用,1期倪培根:光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展347這種作用已發(fā)現(xiàn)可以改變量子點的自發(fā)輻射壽命,同時將產(chǎn)生Rabi劈裂現(xiàn)象,也是研究退相干和量子103經(jīng)典邊界的工具.41光子晶體的展望經(jīng)過20余年的發(fā)展,光子晶體理論的發(fā)展已經(jīng)比較完善,光子晶體器件原理設(shè)計等方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展.在光子晶體的制備上,尤其是二維光子晶體的制備上,科學(xué)家已經(jīng)取得了巨大的突破;在三維光子晶體的制備上,也發(fā)展了多種制備方法.但是在制備工藝方面,仍然有許多關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)有待克服,比如,這是

28、光,Q值的,這需要.,工作在可見光區(qū)具有完,至今未見報道.三維光子晶體是未來三維集成光子光路的基礎(chǔ),但是如何在三維光子晶體中引入缺陷等功能性模塊仍然是一個比較棘手的問題,尤其是要按制備二維光子晶體一樣的精度要求.所有這些,都是當(dāng)前擺在廣大科技工作者面前的一個巨大挑戰(zhàn),只有妥善解決,方能使光子晶體在集成光路的應(yīng)用上得到體現(xiàn).當(dāng)然除了在集成光路上的應(yīng)用、高Q微腔等少數(shù)問題需要克服之外,光子晶體也已在許多方面即將顯現(xiàn)出得到應(yīng)用的突破,比如光子晶體在光電二極管和太陽能電池等方面的應(yīng)用.由于不需要很高的制備精度,極有可能在近幾年內(nèi),采用光子晶體設(shè)計的光電二極管和太陽能電池進(jìn)入市場.同時,利用光子晶體內(nèi)的

29、多孔特性,可能構(gòu)成各種傳感器,由于空隙內(nèi)的介質(zhì)變化,從而引起光學(xué)特性的變化,最終制成各種探測器.光子晶體從誕生之日起,各種新現(xiàn)象、新性質(zhì)被不斷發(fā)現(xiàn),從而衍生出一些新的研究方向.隨著對光子晶的深入研究,也許會進(jìn)一步發(fā)掘出光子晶體可能具有的一些新性質(zhì).圖11二維三角形光子晶體(空氣圓柱在介電常數(shù)為12125的電介質(zhì)中的排列)的TE偏振波光子能帶結(jié)構(gòu),其中空氣柱的占空比為0155圖12正方形光子晶體結(jié)構(gòu)中的頻率等位線.光子晶體是由空氣柱在介電常數(shù)為12的電介質(zhì)中排列而成,其中圓柱的半徑為晶格常數(shù)的0135,如圖中的插圖所示.粗實線是f=01185(ca)的等位線,在這個頻率附近出現(xiàn)自準(zhǔn)直效應(yīng).粗虛線

30、處表示的是類似于空氣中的等位線光子晶體的微腔可以做成Purcell系數(shù)非常大的超高Q值微腔,那么如果在光子晶體微腔中存在一個量子點,就有可能出現(xiàn)微腔與量子點的強(qiáng)相互作用.123YabolonivitchE1987Phys.Rev.Lett.582059JohnS1987Phys.Rev.Lett.582486WendtJR,VawterGA,GourleyPL,BrennanTM,HammonsBE1993J.Vac.Sci.Technol.B112637456KimS,ChongH,DeLaRueRM,MarshJH,BryceAC2003Nanotechnology141004Krauss

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32、viJ2007Nature450857LoncarM,NedeljkovicD,PearsallTP,VuckovicJ,SchererA,KuchinskyS,AllanDC2002Appl.Phys.Lett.801689OBrienD,SettleMD,KarleT,MichaeliA,SalibM,KraussTF2007Opt.Exp.151228BogaertsWWV,TaillaertD,BeckxS,LuyssaertB,BienstmanP,BaetsR2002IEEEJ.Selec.Top.Quant.Elect.8928DivlianskyIB,ShishidoA,Kho

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