光子晶體

一、光子晶體簡介二、光子晶體理論三、光子晶體應用四、光子晶體展望人類材料史利用自然材料石器時代、銅器時代、鐵器時代...材料改性青銅、陶瓷、水泥…更深層次電學特性：金屬、半導體…磁學特性光學性質光子比電子的優點傳播速度更快攜帶更大信息更大的帶寬電子系統：105Hz光纖系統:

1015Hz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：internetera光纖電子器件全光器件能否控制光子的流動？一、光子晶體簡介光子晶體（photoniccrystal）

是一種介電常數隨空間周期性變化的新型光學微結構材料，其最根本的特征是具有光子禁帶。

Whatisphotoniccrystal?周期排列的人工微結構材料光子晶體圖示構成材料: 半導體、絕緣體、金屬材料等單元尺寸: 毫米、微米、亞微米《科學》1998Bestbets衰老、對付生化武器、光子晶體、吸熱池、哮喘治療、全球氣候走向

光子晶體概念的產生：

到1987年，E.Yablonovitch及S.John不約而同地指出：在介電系數呈周期性排列的三維介電材料中，電磁波經介電函數散射后，某些波段的電磁波強度會因破壞性干涉而呈指數衰減，無法在系統內傳遞，相當于在頻譜上形成能隙，于是色散關系也具有帶狀結構，此即所謂的光子能帶結構(photonicbandstructures)。具有光子能帶結構的介電物質，就稱為光能隙系統(photonicband-gapsystem，簡稱PBG系統)，或簡稱光子晶體(photoniccrystals)。光子晶體簡介光子和電子都是波粒二象性的光子先認識波動性后認識粒子性描寫麥克斯韋方程

電子先認識粒子性后認識波動性描寫薛定諤方程薛定諤方程的解依賴于作用勢無作用勢→平面波函數→能級連續庫倫勢→氫原子波函數→能級分立固體中周期勢→布洛赫波函數→能帶麥克斯韋方程的解依賴于傳播介質無限自由空間→平面波→頻率連續波導管→TE/TM型波→截止頻率介電常數周期結構→？→能帶？光子電子服從方程麥克斯韋（Maxwell）方程薛定諤方程對應波矢量波標量波自旋自旋為1的玻色子自旋為1/2的費米子相互作用沒有很強

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的晶體雖然有相同的地方，也有本質的不同，如右圖性質電子晶體光子晶體聲子晶體結構結晶體(自然或生長的)由兩種(或以上)介電材料構成的周期性結構由兩種(或以上)彈性材料構成的周期性結構調控對象電子的輸運行為費米子電磁波的傳播玻色子機械波的傳播玻色子參量普適常數原子數各組元的介電常數各組元的質量密度，聲波波度晶格常數1-5?1m-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)機械波(聲波)偏振自旋，橫波橫波與縱波的耦合波動方程薛定諤方程麥克斯韋方程彈性波波動方程特征電子禁帶，缺陷態，表面態光子禁帶，局域模式，表面態聲子禁帶，局域模式，表面態光子晶體簡介自然界中的光子晶體：光子晶體雖然是個新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質的物質。

盛產于澳洲的寶石蛋白石(opal)。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無關，而是因為它幾何結構上的周期性使它具有光子能帶結構，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。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，其翅膀上的斑斕色彩，其實是鱗粉上排列整齊的次微米結構，選擇性反射日光的結果.

翅膀鱗粉具有光子晶體結構的蝴蝶bluegreenyellowbrown2003年ANDREWR.PARKER等發現一種澳洲昆士蘭的東北部森林的甲蟲（Pachyrhynchusargus），它的外殼分布有和蛋白石一樣的光子晶體結構類似物，其具有從任何方向都可見的金屬色澤。

這種棲息于大陸棚上﹐有著刺毛的低等海生無脊椎動物`海毛蟲(seamouse)`具有引人矚目的虹彩。此種海毛蟲的刺毛是由為數眾多之六角圓柱體層層疊積形成的結晶狀構造物,其具有與光子晶體光纖(photoniccrystalfiber)--一樣的物理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且僅反射某些波長的色光﹐而發出鮮明色彩第一個功敗垂成的三維光子晶體

遺憾的是，理論學家稍后指出，上述系統因對稱性(symmetry)之故，在W和U兩個方向上并非真正沒有能態存在，只是該頻率范圍內的能態數目相對較少，因此只具有虛能隙(pseudogap)

1989年，Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在。實驗中采用的周期性介電系統是Al2O3塊材中，按照面心立方(face-centeredcubic,fcc)的排列方式鉆了將近八千個球狀空洞，如此形成一個人造的巨觀晶體。三氧化二鋁和空氣的介電常數分別為12.5和1.0，面心立方體的晶格常數是1.27。根據實驗量得的透射頻譜，所對應的三維能帶結構右圖所示：

最初光子晶體的人工制備：光子晶體簡介光子晶體簡介

兩年之后，Yablonovitch等人卷土重來，這回他們調整制作方式，在塊材上沿三個夾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)，終于打破了對稱的束縛，在微波波段獲得真正的絕對能隙，證實該系統為一個光子絕緣體(photonicinsulator)。第一個具有絕對能隙的光子晶體，及其經過特別設計的制作方式三.光子晶體制備1.一維光子晶體結構簡單，制作簡便，制備方法有真空鍍膜技術、溶膠－凝膠技術、MOCVD、分子束外延等2.二維光子晶體主要結構有周期性排列的介質棒陣列和打孔的薄膜結構。排列方式一般為四邊形和三角形點陣，通過調節棒或孔的直徑以及間距大小，可以實現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)介質棒陣列(b)打孔的薄膜結構3.三維光子晶體制備精密機械加工法:Yablonovich等用打孔的方法在基體表面每一點沿著相差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構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,對于更短波長的光子晶體,顯得無能為力半導體制造技術的方法:將電子束蝕刻,反應離子束蝕刻,化學氣相淀積等技術運用于堆積式的光子晶體制造.

S.Y.Linetal.,Nature394,251(1998)(1)利用電子束,激光束等在Si基上進行蝕刻,留出一系列彼此平行的Si棒;(2)再用水解等方法將Si棒之間的區域用SiO2進行填充,并進行表面機械拋光;(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)重復以上步驟以制得所需的層數,然后再用酸將SiO2清洗掉,即得三維周期性結構電磁波可表示為：分別為角頻率和波數，它們與周期T和波長的關系為：二、光子晶體理論波的傳播速度（相速）為：

對于非均勻介質，尤其是其介電常數是周期性變化時，有比較電子和光子（在晶體中）的定態波動方程，可以看出兩式得相似之處：光子晶體中的光子能帶不同于半導體中的電子能帶國際上激烈競爭基于光子晶體的光子集成線路計劃基于蛋白石結構的光子晶體波長尺度的通訊用光子部件超快光子學計劃重組天線計劃可調光子晶體計劃毫米和亞毫米波段的集成天線技術日美歐四、光子晶體應用1.微波領域中的應用

2.電子計算機技術中的應用

3.光電元件中的應用

4.其他方面應用微波領域中的應用—天線

普通天線

傳統的微波天線制備方法是將天線直接制備在介質基底上，導致大量的能量被天線基底所吸收，效率很低。一般用GaAs（鈣、砷）介質作基底的天線，98%的能量損耗在基底中，只有2％的能量被發射出去

光子晶體天線

針對某微波頻段可設計出需要的光子晶體，并讓該光子晶體作為天線的基片。因為此微波波段落在光子晶體的禁帶中，因此基底不會吸收微波，這就實現了無損耗全反射，把能量全部發射到空中。第一個光子晶體基底的偶極平面微波天線1993年在美國研制成功Brownetal.,J.Opt.Soc.Am.B10,404(1993)微波波段光子晶體－1993年，美國研制反射率接近１００％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．

微波領域中的應用—手機的輻射防護

手機的危害手機是一個小型的、但能量極強的電磁波發生器，其工作頻率890MHz到965MHz，輻射出的電磁波對人體細胞具有極強的致畸作用。手機在使用過程中，這種電磁波始終圍繞著人的頭部。長期、高頻率使用手機，會造成正常腦的支持細胞——膠質細胞DNA分子鏈的電離損害，導致DNA堿基分子鏈的斷裂，引起細胞的癌變

利用光子晶體可以抑制某種頻率的微波傳播的原理，可以在手機的天線部位制造維播放護罩，從而避免對人體有害的微波輻射直接照射手機用戶的頭部。這種技術目前還沒有成熟，但是至少有一個美好的前景。電子計算機技術中的應用--CPU

自從1970年以來，可以被放置到微電子芯片的電子元件數量以18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可以在以后的幾年內必將逐漸的走向平緩，直至目前的極限。

要提高CPU速度，也就是縮短CPU完成指令的時間，就必須減少電信號在各個元件的延遲時間。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熱量將十分驚人，很有可能因為過熱而產生電子漂移現象，導致系統不穩定甚至崩潰。目前所遇的困難

假若用光線來代替電子傳遞信號，則可以讓生產百億Hz（1012Hz）的個人電腦成為可能。這種高速的處理器可以用“光子晶體”（quasicrystal）的物質所產生的光成分實現。這些材料均具有高度的周期性結構，這種周期性可以用來控制和操縱光波的產生和傳播。目前人們是依靠電子來實現微電子技術革命，今后則將依靠光子來繼續這場革命，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結構所設計的集成光路之想象圖電子計算機技術中的應用--CPU電子計算機技術中的應用--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，在信號中就將出現時間延遲，所以信號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光脈沖變寬，必將限制能精確接收的數據率。傳統光纖的缺點

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模式的光路通過，從而避免上述問題。但同時成本將大大提高。光子晶體光纖

光子晶體帶隙保證了能量基本無損失，而且不會出現延遲等現象。英國Bath大學的研究人員用二維光子晶體成功制成新型光纖：由幾百個傳統的氧化硅棒和氧化硅毛細管依次綁在一起組成六角陣列，然后燒結從而形成蜂窩結構亞微米空氣孔。引入額外空氣孔做為導光通道，可導波的范圍很大，從而增加數據傳輸量。如圖是目前英國斯溫頓Bath大學的實驗性光子晶體光纖實物圖和傳輸效果圖。返回光子晶體光纖(a)普通光纖,(b)-(c)光子晶體光纖利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在芯層形成的缺陷中存在和傳播。能量傳輸基本無損失，也不會出現延遲等影響數據傳輸率的現象。光子晶體制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸。傳統激光器的缺點發射波長的變化會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用--低閾值激光發射器光電元件中的應用--低閾值激光發射器

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，缺陷態將構成一個波導，激光發出的方向將沿此方向，同樣自發輻射也只能沿此方向，即自發輻射與激光出射方向角幾乎為零。這樣幾乎所有的自發輻射都用來激發已實現反轉分布的激活介質而無其他損失。泵浦的能量幾乎全部用來產生激光，這使激光器閾值降低，并且提高了能量轉換效率。這種激光器體積小、閾值低，功率高、易于光纖耦合，且可在小區域密集分布的。出現在能隙中的缺陷態光電元件中的應用--低閾值激光發射器光子晶體激光器頂部和剖面示意圖

1999年，美國加州理工學院謝勒(A．Scherer)領導的研究組首次報道了可在室溫下工作且運轉在1550納米的光子晶體激光器。光電元件中的應用—光子晶體波導

傳統的微波波導是基于全反射及共振腔原理制作的，光學波導如光纖是基于全內反射原理制作的。光子晶體波導則是利用了缺陷態的導波效應。完全周期結構的半導體光子晶體存在完全帶隙。在周期結構中如果引入一線狀缺陷，則會在帶隙中引入缺陷模，它意味著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則是禁戒的，這就形成了光子晶體波導。

在一般的光纖波導中，當波導拐彎時全內反射的條件不再有效，因此會漏掉部分光波能量，使傳輸效率降低。而光子晶體彎波導中，所利用的是不同方向缺陷模共振匹配原理。原則上只要達到模式匹配，不管拐多大彎，都能達到很高的傳輸效率。上圖為光子晶體波導的低損耗傳輸示意圖。彎曲效應在全光集成系統中很有應用價值。

光子晶體波導的低損耗傳輸示意圖在波導中的應用平面波導結構——光子晶體結構+全內反射目的：避免在垂直方向光泄漏(a)(b)(c)光電元件中的應用—光子晶體濾波器光子晶體窄帶濾波原理

光子晶體有光子頻率禁帶，頻率在禁帶區內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自然的理想帶阻濾波器(右圖)。利用光子晶體的帶隙特點可以實現對光波優良的濾波性能。光子晶體的濾波帶寬可以做得很大，目前能實現從低頻(幾乎為0Hz)直到紅外的寬帶濾波。這種大范圍的濾波作用利用傳統的濾波器是難以實現的。channeldrop光子晶體濾波器

光通信中的一個重要部件就是channeldrop濾波器。這種結構是通過在一塊具有二維的光子晶體平板中引入單點缺陷來實現的。頻率為的光可以被分離出來，轉移到其他的波導中，而其他頻率的光將不會受任何影響。

光子晶體有很多傳統的光濾波器不具備的特和優點。它的濾波性能遠優于普通的光濾波片，其阻帶區對透過光的抑制可以容易地達到30dB以下，而且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，光子晶體對通過波段的光波損耗非常小。光電元件中的應用—光子晶體濾波器光子晶體發光二極管

一般的發光二極管發光中心發出的光經過周圍介質的無數次的反射，大部分光不能有效地耦合出去，二極管的光輻射效率很低。如果將發光二極管的發光中心置入一塊特制的光子晶體中，并使得該發光中心的自發輻射頻率與該光子晶體的光子禁帶重合，則發光中心發出的光不會進入包圍它的光子晶體中，而只能沿著特定設計的方向輻射并傳導出去。實驗表明，采用光子晶體后，發光二極管的效率會從目前的10左右提高到90以上。

光子晶體LED左邊是傳統的LED結構，可以看到它的全反射，現有的LED臨界度是比較小的，相對的，光子晶體藍色LED所設計出來的LED，由于衍射的關系，可以修正光的角度，修正后的光可以可進入臨界角投射到外面，改善過去LED的光會全部反射的問題。

日本松下電器第一個將光子晶體運用導入藍色LED在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨特設計，使得大面積的發光能夠具體實現。光子晶體LED的效率比一般的LED高出50％。(a)topxiewofPhCblueLED(b)Cross-sectionviewof2-DPhC光電元件中的應用—光子晶體諧振腔

微諧振腔的制作對光集成有著重要的意義，近年來受到了廣泛的關注。但由于其尺寸特別小，用傳統的諧振腔制作方法來制造微諧振腔是相當困難的。而且在光波波段，傳統的金屬諧振腔的損耗相當大，品質因數值很小。而利用已有的光子晶體加工這種微腔很容易實現，且其品質因數可以做得很高。在光子晶體中設計制作一個點缺陷，這個點缺陷所對應的角頻率處就會出現很大的模密度，隨模密度的不斷增加，自發輻射將顯著增加，這樣就能實現品質因數很高的諧振腔。而這是采用其它材料制作的諧振腔所無法達到的。兩種微腔結構的掃描電子顯微圖像光電元件中的應用—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的反射鏡。在短波長區域，金屬對光波的吸收損耗很大，而介質則對光波的吸收損耗非常小，因此用介質材料制成的光子晶體反射鏡具有極小的損耗。

另外，由于金屬的趨膚效率，金屬吸收的光集中于極薄的表層內，表層溫度變得很高，容易造成金