光子晶体
2.1光子晶体的基本原理
大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。
另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。
简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。
2.2光子晶体的制备
人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。
从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。
图1三种光子晶体示意图
2.2.1一维光子晶体的制备
一维光子晶体的制备可以用非常成熟的各种镀膜工艺来实现
2.2.2二位光子晶体的制备
本文主要讨论的是二维光子晶体中的多米诺等离子体。在研究过程中进行的二维光子晶体的制备方法，对于光子晶体微波区域，可以使用一个单一介电圆柱体（直径为几毫米），以形成光子晶体，其制备过程相对简单，这是这里所模拟对象。然而，当需求小到几微米和亚微米的波长时的光子晶体，即可见光和近红外线的光子晶体的制备是非常困难的。
图2 利用多点曝光技术制备的二维GaAs 光子晶体
即使这样，研究人员充分利用纳米技术，特别是学习成熟的半导体加工技术，使得光子晶体在可见光和近红外区域，如温特等人的工作。于1993年使用电子束直写和反应离子束刻蚀法在GaAs基板上（片）制备的二维光子晶体的AlGaAs 膜光子晶体。首先他们利用电子束直写的单点曝光技术在电子胶上定义了二维光子晶体结构图形, 经过显影, 得到在电子胶上的二维图形。然后通过反应离子束蚀刻技术最终被转移到图形的AlGaAs膜，这样的技术好处可以大大减少电子束直写系统定制的图形时间，并与多曝光技术（现在常用的技术）中，只有多点曝光技术使用十分之一时间，甚至更少。然而，有一个单一的点的曝光技术的缺点是曝光的量不能被校正，如果能够克服这个问题，一个单一的点的曝光技术应该是更有前途的。Krauss使用多次曝光技术和反应离子束蚀刻制备GaAs基光子晶体。在此之后，大多数光子晶体微腔的制备的基于类似的技术。除了使用电子束直写方法定义的光子晶体，也开发了使用深UV曝光技术复制的二维光子晶体，然后用转印到光子晶体层反应离子束图案化。此外，多光束技术也可用于制备相干二维光子晶体图案。除了利用电子束、深紫外光和多光束相干技术,对于二维光子晶体的制备辅以通过反应离子束蚀刻工艺，但是一些科学家也使用电化学蚀刻孔，产生了二维光子晶体，例如通过电化学以获得阳极氧化铝腐蚀一个大的纵横比周期的孔，又如在光照条件下, 在n 型硅〈110〉表面通过氟化氢溶液的腐蚀而得到的大纵横比的微孔。除了阳极氧化铝方法外, 利用液体腐蚀方法通常只能制备孔径比较大的二维光子晶体, 该类光子晶体的光子带隙波长基本处在10 —30μm 区间。光子晶体微结构的均匀性直接关系到光子晶体的物理性质, 当前制备工艺需要克服的一个重要困难是如何制备出孔径完全一致的光子晶体。微孔的轻微差别, 就有可能引起谐振频率的改变, 而使器件的功能失效, 尤其是对于密集波分复用器件, 其频率间隔是100 GHz , 也就是0。67 nm 的波长间隔。“在一个二维平板GaAs 光子晶体中, 对于去掉一个微孔所形成的微腔, 如果要使微腔波长的偏差小于0。67nm , 那么围绕微腔的微孔的直径偏差应近似小于Δd =Δλ4n ≈0.05 nm , 这对制备工艺来说是一个相当高的要求。”【2】
图3 利用多孔硅制备工艺的二维光子晶体
如何克服制备工艺上的限制和光子晶体实际应用所需精度的矛盾, 将是未来光子晶体能够进一步走向应用的关键。
2.2.3三维光子晶体的制备
具有完全带隙的三维光子晶体可以在空间所有方向上对光子的传播进行调制, 所以是光子晶体发展的重中之重, 是光子晶体研究中的难点。对原子自发辐射的抑制和制备高Q 微腔是三维光子晶体发挥其主要性能的关键体现。因而世界上许多研究组致力于三维光子晶体制备方法和工艺的研究。和二维光子晶体的制备比较而言, 三维光子晶体的制备更加困难。从光子晶体概念提出以来,大多数研究人员开始进行三维光子晶体通过自组装方法，经过20多年的努力，制备三维光子晶体的也得到了长足的发展，在一般情况下，主要已知的三维光子晶体的制备：蘸笔纳米光刻术，胶体微球自组装的方法，多光束相干，相位光栅，多光子聚合过程中，掠射角沉积技术，因为克隆技术，电子束直写和反应离子束刻蚀结合等。
图4 制备的硅基反opal 的扫描电镜图
微球自组装方法是最开始的三维光子晶体的制备方法。在水或醇溶液的加入单分散聚苯乙烯或二氧化硅球可以自我组装成具有周期性排列的胶体光子晶体的面心立方结构。然而，这在液体胶体光子晶体具有很大的不可控的且不稳定，因此很难在实际应用中发挥作用。于是该生长方法得到进一步拓展, 发展到微球在重力作用下自然沉积, 溶液挥发后, 形成固态的三维光子晶体, 也称之为opal。随着对胶体光子晶体的研究的深入, 人们又提出可以利用液体的表面张力, 将波片垂直插入胶体溶液中, 通过控制温度、湿度, 随着胶体悬浮溶液中溶剂的蒸发, 在波片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体。
“有科学家提出利用opal 制备微球和圆柱构成的光子晶体,但是制备高质量的具有完全带隙的反演光子晶体并不容易, 到目前为止, 仍没有能利用这种方法制备出在可见光区具有完全光子带隙的三维光子晶体。”【2】为了在三维光子晶体中引入人为的缺陷, 利用双光子刻蚀的方法在胶体光子晶体中写入缺陷的方法被提出。同时通过不同的途径(双光子激光直写或刻蚀和沉积的过程)已制成面波导、线波导和点缺陷等缺陷。
电子束直写、反应离子束刻蚀、气相沉积、表面抛光和湿法刻蚀的联用, 可以用来制备三维光子晶体, 利用这种方法可以制备出相应的带有特定缺陷的三维光子晶体。由于当前制备工艺上的限制, 这种工艺也不容易制备出带隙在可见光区的光子晶体。虽然如此,Qi 等人进一步提出改进的制备方法, 提高了制备速度和效率。
对于三维光子晶体的制备过程中，科学家们还开发了一些新的制备技术。相干也是一个多光束全息好的制剂，它可以通过一个多光束相干晶格来形成几乎所有类型，例如面心立方金刚石结构，体心立方的，等等，所有这些都可以调整各个光束的相位和偏振而得到。但受到的激光束波长的限制，它仍然不能制备完全光子带隙可见光区的三维光子晶体。
蘸笔纳米光刻术(dip-pen nanolithography methodor ink deposition)也被用来制备搭积木型等三维光子晶体。其原理是利用计算机控制高浓度的聚合(高分子)电解质墨水流过毛细玻璃管喷口(直径1μm 或更细), 在一个凝结物的存储池里迅速凝固, 可以直接刻写任意设计形状和功能的三维周期性微结构。
“从制备的工艺看, 制备三维光子晶体的方法有使用“自上而下”的方法, 也有用“自下而上”的方法,也有综合利用“自上而下”和“自下而上”相结合的方法。”【2】
从总体上, 多光束相干方法可以用于制备大尺寸的三维光子晶体, 但是存在的问题是:由于所用光束的波长的限制, 至今只能制备出在近红外区的存在完全光子带隙的光子晶体。而胶体自组装法可以制备任意晶格周期的光子晶体, 但是由于这种光子晶体是面心立方结构, 所以只有当折射率对比大于2。9 时才能出现完全光子带隙, 因此至今未见在可见光区存在完全光子带隙的光子晶体的报道。在这方面恰好是光子晶体应用的重要区域, 所以如果能制备出在可见光区存在完全光子带隙的光子晶体,将会给该领域带来重要突破。
2.3光子晶体的应用与展望
从提出光子晶体概念的那一天，它就巨大的潜能。光子晶体由于其所特有的光子带隙能够抑制物质的自发辐射, 可以用于全反射镜等。而引入的缺陷, 可以形缺陷模, 这种缺陷模可以用作微腔、波导、光开关、激光器和探测器等等;同时即使在光子带隙外的区域, 光子晶体独特的色散关系也可以应用到不同的领域, 比如superprism，superlens , delay line , collimator 等。总之, 光子晶体的应用主要是在集成光电子学中, 同时光子晶体也在其他方面有着重要的应用。
简单六方结构二维光子晶体能带的COMSOL 模拟 北京东之星应用物理研究所 伍勇 1.引言 COMSOL 携带的案例库里，其中一篇
a 是晶格方向的单位 1b ， a a a 32 a i ) a a (a a a x 02223213 2 ) a a (a a a 3211 32
里渊区六方结构光子晶体的布图2. 4.二维光子晶体主方程 COMSOL 在< Bandgap > “模型开发器” [电磁波，频域] 写出方程形式如下： 0)()(0 2 01 E j k E r r ， 在< Bandgap >中，下面目录 [波方程，电] 中直接简化为， 020 E k )E (r 电磁波在光子晶体中的传播遵从麦克斯韦方程，上述方程可由麦克斯韦方程组出发导出 介质中的麦克斯韦方程组 )(D 1 )(B 30 )(t B E 2 )(t D J H 4 E D ，H B ，E J 在电介质中一般认为自由电荷，自由电流密度（电导率）为零。 本文档不考虑磁性质，0 ，0 J ，1 r 传播模态电场函数 COMSOL 表达为： )(t i e z z ik e )y ,x (E )t ,z ,y ,x (E 5 ， 在周期结构中，它应具有Bloch 波的性质，不考虑衰减损耗。注意这里次上标的符号与我们习惯的教科书里正负符号相反。
光子晶体的应用及其发展前景 摘要：光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。 关键字：光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 （1）1987年，E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 （1）什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。 （2）光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在
第37卷第9期2008年9月 光 子 学 报 ACTA P HO TON ICA SIN ICA Vol.37No.9 September 2008 Tel :02928220149828313 Email :warltszhang @https://www.doczj.com/doc/093935489.html, 收稿日期:2007204228 一维光子晶体带隙结构研究 张玲,梁良,张琳丽,周超 (西安建筑科技大学物理系,西安710055) 摘 要:在考虑介质色散的基础上,研究了介质层厚度对光子晶体带隙结构的影响.利用传输矩阵法,计算了以Li F 和Si 两种材料组成的一维光子晶体带隙结构.结果表明,介质层厚度的增加会引起禁带的红移,厚度减小会引起蓝移.分析了含空气缺陷层、金属缺陷层的光子晶体结构,发现空气缺陷层对带隙结构的高反射区域变化不大,而在低反射区域,反射系数为零的波带之间出现了两边反射系数增加,中间反射系数减小的情况.在金属缺陷层的带隙结构中,金属对整个波长范围光的吸收作用不同,金属对低反射区1.6μm 、1.85μm 处透射率较大的透射光吸收作用明显,而在1.28～1.38μm 处透射率波长区间,几乎无吸收. 关键词:光子晶体;色散;带隙结构;空气缺陷层;金属缺陷层中图分类号:O734 文献标识码:A 文章编号:100424213(2008)092181524 0 引言 微加工技术的进步,使得光子晶体[1]在理论和实验研究上取得了重大进展,利用光子晶体可以制造出光通信中的许多器件,如光纤、微谐振腔,品质优良的光子晶体滤波器、集成光路等等[223].实验室一般采用不同折射率介质在空间的周期性排列形成光子晶体,Ward 等人提出一种增强块状金属反射能力的方法,他们预测含有Al/玻璃层的一维金属/电介质光子晶体比块状Al 的反射能力更强[4].对Au/MgF 2光子晶体透射性质的研究发现,周期性结构产生的透射共振使得光通过金属层的透射率大大增强,并有效抑制了吸收.通过控制金属层和电介质的厚度以及周期数,可以调节透射区域的波长范围、宽度和陡度[5].如果在光子晶体中引入缺陷,可使光子局域化[6],在有缺陷层的一维光子晶体(AB )n D m (BA )n 的带隙结构发现随着缺陷层厚度的增加,在禁带中出现的缺陷模向低频方向移动[7].还有一些金属/电介质光子晶体可以对某些晶体的闪烁光谱进行修饰,使得其对慢衰减成分的相对抑制比大大提升等等[8].本文在考虑色散关系的基础上对于LiF 与Si 构成的2元一维光子晶体的带隙结构进行了研究,通过改变介质层的厚度,分析了其带隙结构的变化,另外当该结构的光子晶体中有空气缺陷层、金属缺陷层时,其带隙结构的变化[2],并对计算结果做了分析. 1 理论模型 典型的光子晶体是由两种不同介电常量(εa ,εb ),厚度为(d a ,d b )的材料交替排列的其结构如图1,根据光在介质薄膜传播的传输矩阵方法,在第一 介质中的传输矩阵为 M a = cos δa isin δa /ηa i ηa sin δa cos δa (1) 图1 一维光子晶体模型 Fig.1 The structure of 12D photonic crystal 在第二介质中的传输矩阵为 M b = cos δb isin δb /ηb i ηb sin δb co s δb (2) 式(1)、(2)中δj =2πn j d j cos θ/λ,n j 、d j 、θj ,分别为第 j 层(j =(a ,b ))的折射率,介质层厚度,入射角, λ为真空中的波长,对于TE 波:ηj =n j cos θj ,对于TM 波ηj =n j /co s θj , 对于整个光子晶体的传输矩阵,若取层的对数为n ,则 M =(M a ,M b )n = M 11M 12M 21 M 22 (3) 设光子晶体周围材料的折射率为n 0,对于TE 波η0=n 0co s θ0,光在光子晶体传播时的反射系数和透射系数分别为 r = (M 11+M 12η0)η0-(M 21+M 22η0)(M 11+M 12η0)η0+(M 21+M 22η0) (4)
光子晶体 2.1光子晶体的基本原理 大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。 另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。 简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。 2.2光子晶体的制备 人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。 从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。
一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的
科研文献调研报告 题目：一维光子晶体的能带结构研究 学院：＿＿理学院＿ 专业：＿＿光信息科学与技术＿＿ 班级：＿2008级 学号：＿ 080701110083 学生姓名：＿＿李辉＿＿＿＿＿指导教师：＿＿徐渟＿＿＿＿＿ 2012年3月14日
一维光子晶体的能带结构研究 摘要： “光子晶体"的概念是1987年S．John和E．Yabloncvitch分别提出来的。而在当今世界，科学家们在不断研究电子控制的同时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子。与此同时随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光的控制。因此近年来光子晶体得到深入广泛的研究与应用。 关键字：光子晶体能带结构半导体器件 The Investigation on the Band Structures of one-dimensional photonic crystal Abstract： The concept of"Photonic crystals" was put forward byS.John and E.Yabloncvitch in 1987.But nowScientists constantly study electronic control and find that the integration of semiconductor devices has been the limit because of the characteristics of the electronic.And the photon has the advantage of high speed,no interaction, which electron does not have.So scientists want to get
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
题目：单分散高分子微球的制备及其自组装光子晶体结构色
目录 第一章引言 1.1、光子晶体结构 (4) 1.2、光子晶体结构色的光学原理 (4) 1.3、光之晶体结构色的制备原理 (6) 1.5、高分子微球自组装 (6) 1.4、无皂乳液法制备单分散高分子微球模板制备原理 (8) 第二章单分散高分子微球的制备 (9) 第三章实验装置图 (9) 第四章样品表征结果与数据分析 (9) 第五章表征方法 (12) 第六章结果与数据分析 (13) 第七章实验总结 (17) 第八章参考文献 (17) 【摘要】本实验是通过模仿蛋白石结构，并且采用高分子微球自组装法形成的三维光子晶体，使具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构。研究仿蛋白石结构高分子微球光子晶体的结构与性能。
【关键词】无皂乳液聚合、单分散、高分子微球、光子晶体 第一章引言 1.1 光子晶体结构
光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的，这种结构有时也称为PBG光子晶体结构，这种新型人工材料即为光子晶体材料。 从量子理论角度来说，光是具有量子性质的，每一频率的光对应一定的光子能量。物质的原子处于一系列不连续的能量状态中（即能级），在通常情况下，它们处于最低能级，即基态。当各种频率的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发态。如果某种频率的光子的能量恰好等于原子的两个能级的能量差时，这一光子将被吸收、使原子从低能级跃迁到高级能，原子处于激发态，当电子重新回到低能级即基态时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的物体的颜色。多数物体不能将投射到其上的光全部反射出来，我们看到的只是其中部分反射回来的光。所有物质均应符合上述理论，但一类物质表面上看不符合上述量子理论，如蛋白石，其化学组成主要为非晶二氧化硅，该物质在可见光内几乎没有吸收，光应透过，而其表现出了各种颜色。其实，蛋白石结构是符合量子理论的，但是蛋白石具有一种由二氧化硅微球呈六方最紧密堆积的有序结构，该有序周期性结构对可见光的衍射造成了贵蛋白石的具有颜色现象，称这种结构为光子晶体结构。 本实验将模仿蛋白石结构，采用高分子微球自组装法形成的三维光子晶体，使具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构。 1.2 光子晶体结构色的光学原理 光子晶体是由两种或两种以上的不同折射率的介质材料在空间
光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领
域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的
以平面波展開法分析光子晶體能帶結構 廖淑慧講師 中州技術學院電子工程系 黃坤賢學生 黃照智學生 中州技術學院電子工程系 摘要 光子晶體的主要特色在於所謂的光子能隙—電磁波無法在能隙中傳播。雖然三維的光子晶體被認為是最具應用潛力的，但是二維光子晶體的結構在製程上卻佔有較易製作的優勢，所以在光電元件裝置及相關研究領域上亦廣為使用。我們使用平面波展開法，分別計算一維和二維光子晶體的能帶結構。根據理論分析的結果，我們發現一維光子晶體無論介電常數差異如何，總是存在著光子能隙。對於二維正方晶格的結構計算，我們發現正方晶格對TM波有能隙，對TE波則無。 關鍵詞: 光子晶體，光子能隙，平面波展開法 壹﹑前言 當半導體中的電子受到晶格的週期性位勢(periodic potential)散射時，部份波段會因破壞性干涉而形成能隙(energy gap)，導致電子的色散關係(dispersion relation)呈帶狀分佈，此即所謂的電子能帶結構(electronic band structure)。西元1987年，E. Yablonovitch 與S. John不約而同地提出相關見解[1][2]，說明類似的現象亦存在於所謂的光子系統中。根據他們提出的研究報告顯示，在介電係數呈週期性排列的三維介電材料中，電磁波被散射後，某些波段的電磁波強度將會因破壞性干涉而呈指數衰減，無法在該材料內傳遞，這樣的現象相當於在對應的頻譜上形成能隙，因此，色散關係也具有帶狀結構，此即所謂的光子能帶結構(photonic band structure)。這種具有光子能帶結構的介電物質，就稱為光子晶體(photonic crystal)。 事實上，在三維光子能帶結構的概念尚未被提出之前，科學家們對於一維的光子晶體(層狀介電材料) 的研究早已行之多年。電磁波在一維的光子晶體中的干涉現象早已應用在各種光學實驗以及相關的應用產品之中，例如作為波段選擇器、濾波器、繞射光柵元件或反射鏡等。因為科學界一直未能以「晶格」的角度來看待週期性光學材料，所以遲遲未能將固態物理上已發展成熟的能帶理論運用在這方面。直到1989年，Yablonovitch與Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在[3]，終於引起相關研究領域的注意，並且開始大舉投入這方面的研究。
简单六方结构二维光子晶 体能带的C O M S O L模拟 Prepared on 22 November 2020
简单六方结构二维光子晶体能带的COMSOL 模拟 北京东之星应用物理研究所 伍勇 1.引言 COMSOL 携带的案例库里，其中一篇
以上根据倒格子基矢定义计算出1b ，2b 及其分量。由倒格子基矢1b ，2b ，构建长方格子的布里渊区也是长方结构如图2： 4.二维光子晶体主方程 COMSOL 在
反蛋白石光子晶体的研究进展 韩国志1 孙立国2 (1南京工业大学应用化学系 南京 210009; 2黑龙江大学化学化工与材料学院 哈尔滨 150080) 2008-07-02收稿,2008-09-24接受摘 要 反蛋白石晶体是一类重要的光子晶体,由于其制备材料的广泛性以及容易实现对光子禁带的 多重调制而受到广泛关注。本文介绍了目前反蛋白石晶体结构的主要制备技术和方法,详细阐述了反蛋白石 晶体结构的最新研究进展。 关键词 反蛋白石 光子晶体 胶体晶体 应用 Advance in Inverse Opal Photonic Structure Han Guozhi 1 Sun Liguo 2(1Department of Applied Chemistry ,Nanjing Universit y of Technology ,Nanjing 210009;2School of Chemistry and Materials ,Heilongjian g Univers ity ,Harbin 150080) A bstract Inverse opal crystals are an important structure for photonic crystal .Comparing with opal crystals ,it is advantageous in universality of materials for fabricating and easy to realize multi -tunablity of stop -band and structure function .In this paper ,current preparation and advance in application of inverse opal structures are reviewed . Keywords Inverse opal ,Photon ic crystal ,Colloidal crystal ,Application 图1 反蛋白石晶体的结构Fig .1 SEM image of invers e opal 蛋白石(opal )是一种存在于自然界中的、在数百nm 尺度 上有规整排列的含水非晶质二氧化硅。它拥有色彩缤纷的外 观,电子显微镜下观察表明,结晶蛋白石具有周期排列的六方 晶格,为面心立方结构。广义而言,蛋白石是一种三维光子晶 体,具备选择性布拉格反射,所以在不同的角度,显示不同的 颜色[1～4]。目前人工蛋白石主要采用胶体晶体自组装方法制 备。将表面带同种电荷的胶体颗粒(如非晶二氧化硅微球、聚 苯乙烯微球等)按一定的浓度分散于溶剂中,由于颗粒表面之 间的电荷相互作用,随着溶剂的蒸发,胶体粒子自动排列成六 方密堆积的胶体晶体,当胶体晶体中微球的直径与光波长相 当时,该晶体即可产生带隙,具有与蛋白石相似的光学特性。 反蛋白石晶体就是在蛋白石晶体的空隙中填充某种介 质,然后通过焙烧、溶解或化学腐蚀等方法除去蛋白石晶体的原材料后所形成的多孔结构,即空气小球以面心立方的形式分布于介质中,每个空气小球在之前胶体粒子接触点以小的圆柱形通道连接(图1)。如果介质折射率与空气不同,就产生布拉格反射,反射波长可由下式计算: λ=2(2 3)1 2d (n 2a -sin 2θ)1 2其中,λ表示反射波长,d 表示晶面间距,n a 表示材料平均折射率,θ表示入射光线与晶面的夹角。这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质(空气)的比值达到一定的数值(>2.8)时,就会出现完全光子带隙。 与蛋白石晶体相比,反蛋白石晶体最大的优势在于制备材料的选择性广泛、材料折射率的差异容易
近两年光子晶体研究的进展 许文贞 vincent.xu.chn@https://www.doczj.com/doc/093935489.html, 光子晶体以及光子能带结构等概念早在1987年分别由E. Yablonovitch和S. John分别独立地提出，并且在随后的1990年和1991年分别实现了理论预言和成功实验制备第一个有完整光子带隙的光子三维晶体，发展至今光子晶体在理论、实验和应用研究方面取得了很大的进展。光子晶体（Photonic Crystals）是一种介电常数（或折射率）周期性排列的有序结构物质，也即一种在高折射率材料的某些位置周期性出现低折射率的材料。其最根本的特征是正由于那些周期性的折射率结构产生了光子禁带，因此频率处于禁带内的光子将无法传播，就像半导体材料中的电子在周期性势场作用下形成能带结构，因此光子晶体实现了对光子的控制。 光子晶体的应用主要是基于它的两个基本特性：抑制自发辐射和光子局域态。正由于光子晶体的这两个优势，而且光子与电子相比具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度、更强的互连能力和并行能力、更大的存储量、更低的能量损耗，所以，在半导体器件的进一步小型化和在减小能耗下提高运行速度成为难题后，人们提出了用光子作为信息载体替代电子的设想。因此当今有关光子晶体的研究得到了广泛的关注，它在零阈值激光器、光波导、发光二极管、偏振片、滤波器等方面显示了巨大的应用价值。发展至今，光子晶体这研究领域中比较热门的方向有三维光子晶体及薄膜的制备技术、可调光子晶体、光子晶体光纤、纳米光子晶体、磁性光子晶体等。本文主要集中在对三维光子晶体、光子晶体光纤两方面近两年来进展的介绍。 1. 三维光子晶体 光子晶体根据能隙空间分布的特点可分为一维(1D)光子晶体、二维(2D) 光子晶体和三维(3D) 光子晶体。光子晶体是一种人造晶体，自然界里几乎不存在。蛋白石是迄今为止发现的唯一的天然光子晶体，它是属于三维光子晶体。而且三维光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，因此三维光子晶体具有更普遍的实用性，占据了光子晶体研究中很大的份额。 由于天然光子晶体的稀缺，因此在光子晶体的研究中光子晶体的制备是主要的，而且是最难的一方面。因为对于光子晶体来说，光在晶体中的传输就要求晶体的周期性晶格尺寸达到亚微米量级，因此这给了晶体制备带来了很大的难题，尤其是近红外到可见光波段的三维光子晶体的制备。目前，一般三维光子晶体的制备的一种简单切实可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备胶体晶体。这种方法的制备可通过以下几种途径组装制备(4)：重力场下的组装、垂直沉降法、离心力场下的组装、电场下的组装、模板法等。但是这种晶体生成方法主要还是生成简单媒质简单周期的光子晶体。经过多年的研究，光子晶体制备技术上以器件化为指导，逐步由简单媒质简单周期向复杂媒质复合周期结构方向发展，由胶体模板自组装等纯化学制备手段向物理化学方法相融合的多元技术扩展，而且应用领域也不断扩宽，由光电子器件、集成光路进一步拓展到光电对抗、光学探测、传感等。
光子晶体的应用及其发展前景 光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 (1)什么是光子晶体
光子晶体的特点、制备与应用 （哈尔滨工业大学，黑龙江省哈尔滨150090） 摘要：光子晶体是20世纪80年代末提出的具有光子能带及能隙的新概念和新材料,由于光子晶体具有光子带隙、光子局域和控制光子态密度等特性, 所以它具有广阔的应用前景。本文简述了光子晶体的主要特征, 重点介绍了其制备方法、进展以及现有应用和发展前景。 关键词：光子晶体；光子晶体的制备；光子晶体的应用； Characteristics, preparation and application of the photonic crystal Abstract:Photonic crystal is a new concept and new material with photonic band and energy gap at the end of the 1980 s. Because photonic crystal has the properties of photonic band gap, photon localization and control the photon density of states, it has peculiar properties and vast application prospect. This essay briefly introduce the main features of photonic crystal, emphasis introduce the preparation methods, progress and the existing application and development prospect. Keywords: Photonic crystal, the preparation of photonic crystals,the application of the photonic crystal 1引言 光子晶体是电介质材料周期性排列形成的人造晶体，电磁波在其中的色散关系可以用类似于表征电子在半导体中运动的能带结构来描述称之为光子带结构。在光子晶体中可能存在的带隙称之为光子带隙。人们从各个角度展开了对它的理论和实验研究, 取得了迅速的发展, 尤其是介电常数呈三维周期性排列的光子晶体的理论研究和实验制作更受到高度重视。[1]由于光子带隙的存在，