光子晶体制备技术和应用研究进展
倪培根
(国家自然科学基金委员会数学物理科学部物理科学一处,北京 100085)
(2009年4月2日收到;2009年5月11日收到修改稿)
从光子晶体概念的提出到现在已经过了20余年,光子晶体不仅成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域,而且在信息光学以及其他多个学科中得到广泛应用.本文重点综述了光子晶体的制备工艺,尤其是二维光子晶体和三维光子晶体的制备工艺进展,同时也综述了光子晶体的应用研究的进展,在此基础上,提出了一些光子晶体研究的展望.
关键词:光子晶体,光子带隙,人工微结构
PACC :4270Q ,4225B
E _mail :nipg @nsfc .gov .cn
1.引
言
自John 和Yabolonivitch 提出光子晶体的概念以来
[1,2]
,对光子晶体的研究已经开展了20余年.由于光子晶体在集成光电子学、量子光学等领域的重要应用前景,而得到科研人员愈来愈广泛而深入地研究.光子晶体是介质的周期排列而构成的一种人工微结构材料,由于电磁波在其中的传播可以用类似于电子在半导体中传播的能带理论来描述,故而得光子晶体之名,以此表明光子之晶体与电子之晶体(半导体)的区别与联系.光子晶体被认为是控制光子(电磁波)传播的行之有效的工具,光子晶体的典型特点是具有光子带隙.当物质的自发辐射频率处在光子带隙内时,它可以用于抑制光子晶体内的物质的自发辐射.同时,当在光子晶体内引入缺陷时,如果物质的自发辐射频率和缺陷模的频率一致,又可用于增强物质的自发辐射,而且这种自发辐射有类似于受激辐射的特性.光子晶体可以用于制备超高品质因子的微腔,用于研究腔量子电动力学效应,是量子通讯和量子信息处理的有力工具.由于光子晶体诸多的优异特性,人们对光子晶体的制备工艺做了大量的研究,提出了光子晶体的各种可能应用,同时也发现了光子晶体的一些新特性.本文主要目的是回顾光子晶体的制备工艺的发展和相关的应用研究进展.在此基础上,探讨光子晶体制备和应用研
究的可能发展方向.本文分为三部分内容进行叙述:
光子晶体的制备研究进展;光子晶体的应用研究进展;光子晶体制备研究的可能突破和光子晶体应用的关键.由于光子晶体的研究涉及范围太过广泛,本文仅限于在光子晶体的制备和一些相关应用的综述上,光子晶体光纤已自成一个重要应用方向,其物理
机理明确,技术性强,所以本文未考虑该方向.
2.光子晶体的制备工艺
光子晶体具有的巨大应用前景已被人们广泛认识,所以作为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.从光子晶体的维数来说,光子晶体的制备的可以分为一维光子晶体的制备,二维光子晶体的制备和三维光子晶体的制备.由于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,所以这里我们主要关注二维和三维光子晶体的制备.2.1.二维光子晶体的制备进展
在二维光子晶体的制备工艺研究中,对于微波区的光子晶体,可以用一根一根的电介质圆柱(直径数个毫米)来构成一个光子晶体,制备工艺相对比较简单.但是,当光波长小到几个微米和亚微米时,即可见光区和近红外区光子晶体的制备就非常困难.即使如此,研究人员充分利用各种纳米制备技术,尤
第59卷第1期2010年1月1000-3290 2010 59(01) 0340 -11
物 理 学 报
ACTA PHYSIC A SINICA
Vol .59,No .1,January ,2010
c 2010Chin .Phys .Soc .
其是借鉴成熟的半导体加工工艺技术,制备工作在可见光区和近红外区的光子晶体,比如Wendt 等人在1993年利用电子束直写和反应离子束刻蚀方法
在GaAs 基片上制备了二维AlGaAs 薄膜(平板)光子晶体
[3]
.首先他们利用电子束直写的单点曝光技术
(single _spot exposure )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.然后利用反应离子束刻蚀技术将图形最终转移到AlGaAs 薄膜上,这种技术的好处是可以大大节省电子束直写系统定义图形的时间,和多点曝光技术(现在通常所用的技术)相比,大约只需要多点曝光技术所使用时间的十分之一的时间,甚至更少
[4]
.但
是单点曝光技术有一个缺点是不能进行曝光量的修正(proximity effect ),如果能够克服这一点,单点曝光技术应该更有前途.Krauss 等人利用多点曝光技术和反应离子束刻蚀技术制备了Ga As 基光子晶体(如图1所示)[5]
.之后,大部分光子晶体微腔的制备都
是基于相类似的技术[6—9]
.除了利用电子束直写方法定义光子晶体,有人也发展了利用深紫外曝光技术来复制二维光子晶体,再利用反应离子束刻蚀技术将图形转移到光子晶体层[10,11]
.另外,多光束相干
技术也被用来制备二维光子晶体的图形[12]
,其制备光路如图2所示
.
图1 利用多点曝光技术制备的二维GaAs 光子晶体
除了利用电子束、深紫外光和多光束相干技术,同时辅以反应离子束刻蚀工艺制备二维光子晶体外,有些科学家也利用电化学方法刻蚀微孔,从而得
到二维光子晶体,比如阳极氧化铝通过电化学方法
腐蚀而得到大纵横比周期的微孔
[13,14]
;又如在光照
图2 利用三光束制备而为光子晶体的光路 (a )三个光栅构成的衍射模版;(b )产生三角形图案的光路设置
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,所制备的光子晶体微结构如图3所示
[15]
.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—30
μm 区间.
图3 利用多孔硅制备工艺的二维光子晶体
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
1期倪培根:光子晶体制备技术和应用研究进展341
的功能失效,尤其是对于密集波分复用器件,其频率间隔是100GHz,也就是0.67nm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0.67 nm,那么围绕微腔的微孔的直径偏差应近似小于Δd=Δλ4n≈0.05nm[16],这对制备工艺来说是一个相当高的要求.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.
2.2.三维光子晶体的制备工艺
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,三维光子晶体的可控制备要困难得多.从光子晶体概念提出以来,广大科研工作者就开始通过自组装等方法进行三维光子晶体的制备,经过20多年的努力,三维光子晶体的制备工艺也得到了长足的发展,总的来说,已知的三维光子晶体的主要制备方法有:蘸笔纳米光刻术(dip-pen nanolithography method),胶体微球自组装方法,多光束相干,相位光栅,多光子聚合方法,掠角度沉积技术(glancing angle deposition),自克隆技术(autocloning technology),电子束直写和反应离子束刻蚀的联用等.
微球自组装方法是最早用于制备三维光子晶体的方法.利用单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组装成具有面心立方结构周期排列的胶体光子晶体[17,18].但是,这种在液体中的胶体光子晶体具有很大的不可控性和不稳定性,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[19—22].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[23].而Xia 等人也提出可以通过对溶液施加一定的压力,使胶体溶液中的溶剂在高于外界大气压的压力驱动下沿样品池底的尺度小于微球的微通道流出,样品池中的微球就形成周期排列的三维光子晶体[24].当时,所有的三维胶体光子晶体的晶面都是沿(111)方向,而对于(111)方向的晶格结构,可能构成面心立方,也可能构成六角密堆结构,或者是无规密堆结构.在实验中沿(111)方向的面心立方结构是最稳定的,但是在存在外界微扰的情况下,有可能引起面缺陷,引入六角密堆结构或无规密堆结构.为克服这个问题,利用模版法制备晶向为(100)方向的胶体面心立方光子晶体方法被提出[25].随后,Xia等人利用这种方法制备出了晶向在(100)方向的光子晶体[26,27],同时许多研究者提出了不少模版法制备(100)晶向光子晶体的方法[28—31].进一步,Jin等人在利用模版法制备了(100)晶向的光子晶体,利用这种方法可以制备出无缺陷和裂缝的(100)晶向的面心光子晶体,但是其结构是非密堆结构[32].利用纳米微球在溶液中的胶体自组装方法制备光子晶体的时间一般比较长,通常需要多天甚至十多天时间,Meng等人发展了一种在低真空和红外加热的辅助作用下的胶体自组装方法,这种方法可以大大地缩短晶体生长的时间[33].微球构成的面心立方结构光子晶体由于折射率不够大,所以不具有完全光子带隙,只有当反演成空气球构成的反结构时,才可能在第8和第9光子带之间出现光子带隙[34],相应的反演方法,比如利用化学气相沉积和原子层沉积方法也被成功的发展起来.至今,利用这种方法已成功地制备了工作在近红外区的存在完全光子带隙的三维光子晶体,比如硅基反opal光子晶体[35,36],如图4所示.这种微球构成的光子晶体即使反演成空气球形成的光子晶体,其高折射率介质的折射率必须大于2.9才能出现完全光子带隙.与此同时,有科学家提出利用opal制备微球和圆柱构成的光子晶体[37],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.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[38—40].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
342
物 理 学 报59卷
图4 制备的硅基反opal 的扫描电镜图
的三维光子晶体.这种方法最早被用来制备光子带隙在近红外的光子晶体,Lin 小组首先制备了
woodpile 结构的光子晶体[41]
,但是由于这种方法需要及其昂贵的设备,并且需要多次的电子束直写,即每一层都需要进行一个循环,所以加工非常费时,而且中间的每一步出错都会使以前的努力付之流水,世界上只有少数几家实验室在从事这方面的研究
[42]
.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
[43]
,其制备的光子晶体工艺流程图和制备
的光子晶体如图5所示.
为了制备三维光子晶体,科学家也发展了许多新的制备工艺.多光束相干全息也是一种比较好的制备方法[44,45]
,通过多光束相干可以形成几乎所有
的晶格类型,比如面心立方,金刚石结构,体心立方等等,所有这些晶格都能通过调整各个光束的相位和偏振而得到.但是受所用的激光束波长的限制,目前仍然不能制备完全光子带隙在可见光区的三维光子晶体.由于多个光束的调整非常不方便,所以有两种相对简便的方法得到了发展:利用相位光栅或者
多面棱镜构造多个光束的相干,从而减少各个光束
之间相对相位和偏振控制的问题[46—51]
;通过相位调制器动态构造多个光束的方法更方便
[52]
.多个光束
的相干可以形成周期和准周期结构,但是如果要写特定的波导,那么就得通过直写的方法,科研工作者
也发现多光子聚合过程可以用来在空间某个特定位置引入缺陷,甚至可以制备光子晶体结构
[53,54]
.利用
多光子聚合效应已在SU8光敏胶上定义了搭积木
型光子晶体,并通过反演将其转变成硅基光子晶体,在1.5μm 处出现了完全光子带隙
[55,56]
,其制备的光
子晶体如图6所示.进一步,在无机光敏介质As 2S 3上也制备了搭积木型的光子晶体[57]
.不仅仅是搭积木型的光子晶体,利用双光子吸收方法也制备出了螺旋型的光子晶体结构
[58]
.
图5 (A )一种利用电子束刻蚀制备三维光子晶体的流程图;(B )(a )制备的光子晶体的扫描电镜图,(b )和(c )是光子晶体的高倍扫描电镜图
1期倪培根:光子晶体制备技术和应用研究进展343
图6 (a )利用双光子聚合技术所制备的三维光子晶体;(b )和(c )是光子晶体的某个方向的截面
蘸笔纳米光刻术(dip -pen nanolithography method or ink deposition )也被用来制备搭积木型等三维光子
晶体
[59,60]
.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,如图7所示,这是一搭积木结构的三维光子晶体
[61]
.
掠角度沉积技术(glancing angle deposition )也可以用来制备三维光子晶体,Kennedy 等用掠射角沉积法获得了螺旋型三维光子晶体
[62]
.这种沉积技术的
原理是利用一个准直的蒸发源与样品表面法向成80°至近90°的入射角照射到具有模板的样品上,由
于样品表面的图形,使得只有图形中的高点部分能接受沉积源的照射而生长,而照射不到的部分(在阴影里的部分)不能生长,然后再按一定的规律转动α和φ角(如图8所示),就得到相应的周期性螺旋型光子晶体
.
图7 (a )制备三维光子晶体的实验装置示意图;(b )
制备的三维光子晶体的扫描电镜图
图8 (a )掠角度沉积技术制备光子晶体的示意图;(b )制备的三维光子晶体的扫描电镜图
344 物 理 学 报59卷
自克隆(autocloning )技术是Kawashima 等采用的一种简单灵活的制备光子晶体的方法
[63,64]
,该方法
是在溅射刻蚀和溅射沉积的基础上实现的.用干法刻蚀制作具有周期性的、成波浪状排列的基底,在适
当的条件下,在基底上堆叠薄膜,并保持薄膜的波浪形状与基底上的相同.当重复堆叠具有不同折射率的两种介质膜,则很容易获得多维周期性结构的光
子晶体,如图9所示
.
图9 autocloning 法的制作原理图
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.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.
3.光子晶体的应用
光子晶体概念从提出的那一天就和它巨大的潜在应用联系在一起.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,可以形成缺陷模,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,比如可用于提高发光二极管的
发光效率.具有超高Q 值的光子晶体微腔在量子点与微腔的相互作用研究中起着重要的作用
[65.66]
,它可
能是量子计算和量子信息处理的载体.下面主要简要介绍光子晶体在集成光电子学上的应用.
当在光子晶体中去掉构成光子晶体的一个“原子”时,也就引入一个点缺陷.引入的点缺陷在光子带隙内引入一个缺陷模,进而构成了一个微腔,它可以用做滤波器和激光谐振腔等.Yabolonovitch 提出并演示了这样的三维光子晶体缺陷实验
[67]
.随后人们
发现引入各种各样的缺陷可以构成各种不同的功能器件,比如去掉一行构成光子晶体的“原子”而构成的光波导
[68]
,这种光波导可以使光转90°弯而只有
非常小的损耗[69,70]
,它可能是下一代集成光子芯片
中的主要连接波导.点缺陷和波导的复合而构成的
波分复用器件
[71]
,其中Fan 等人提出的结构如图10
所示.在这种结构中,上下载波导中间有两个全同的微腔,并且这两个微腔组合后,构成可以支持两个简并的微腔模,其中一个模式是奇模,而另一个模式是偶模,这样就能将处在微腔谐振频率上的光子从上载波导中耦合到下载波导中,而不干扰其他信号在上载波导中的传输.Noda 等人提出另一种波分复用形式,在平板光子晶体中,可以由微腔将波导中某一频率的光波耦合到波导的上方,而由光纤或透镜接收的[72]
.而Zhang 等人提出利用类似于低频滤波器
形式的波分复用器件,可以实现无反射的波分复用
器
[73]
.光束分束器
[74]
,Mach -Zender 干涉仪等也可以
1期倪培根:光子晶体制备技术和应用研究进展345
通过各种波导和点缺陷构成[75,76].光子晶体波导的特殊色散关系也可以用于延迟线(delay line)等[77,78].而共振耦合微腔构成的波导可以形成90°或60°弯曲而无反射的弯波导[79,80].如果在光子晶体带隙的中间引入一缺陷模(微腔模),即激光模式,这个模的上下都没有光子态存在,所以激发介质只能以这一激光模式产生受激辐射,从而大大提高了激光器的效率[81,82].总之,利用光子晶体的缺陷可构成的各种集成光学器件的核心元件,波导、微腔、延迟线、干涉仪、分束器和波分复用器等,因此无源光子线路可以在光子晶体上实现.当在光子晶体中引入有源材料和非线性材料时,就可以构成光子晶体微腔激光器和光子晶体开关[83—87],光子晶体的这些应用使它成为下一代集成光子光路的主要载体
.
图10 (a)Fan等人提出的光子晶体波分复用结构;(b)特定波长由上波导经微腔完全耦合到下波导,从而
完成波分复用作用的电磁波模拟结果
光子晶体中存在的完全光子带隙可以抑制自发
辐射,因此,它可以用来调控激发介质的辐射特性,
比如利用来提高激光器和发光二极管的出光效率.
对于发光二极管,Fan等人提出利用二维光子晶体
提高发光二极管的发光效率的方法,认为处于二维
光子晶体中的激发介质,当辐射光的频率在光子带
隙内时,那么沿光子晶体平面的辐射光会被完全抑
制,而垂直于光子晶体平面的方向,由于没有光子晶
体的能隙的限制,所以大部分的辐射光将沿这一方
向辐射,从而直接辐射出二极管.没有光子晶体的时
候,由于激发介质所在区域的折射率稍高于上下层
介质的折射率,会在激发介质层形成波导,所以大部
分的辐射光会被局限在这一区域,经传播从侧面辐
射出去,降低了发光效率.光子晶体的应用极大地提
高发光二极管的出光效率[88—91].
对光子晶体光子带隙特征的认识使得光子晶体
拥有了广泛的潜在应用,而对光子带隙外的光子晶
体特殊色散关系的深入认识,使得光子晶体具有更
加广阔的用途.如图11所示,对于一个典型的光子
晶体的二维光子带结构,科学家从光子带结构中发
现,在靠近光子带隙的地方,其中光子带的曲率变化
非常快的地方,光子晶体的有效折射率随频率的变
化非常快,所以这些地方就可以用作棱镜使
用[92—94].这种由光子晶体构成的棱镜由于具有极大
的折射率随频率的变化率,因而称之为超级棱镜.而
对于曲率接近于零靠近带隙的地方,由于折射率无
穷大,光子的传输将被无限的延迟,可以用为延迟线
或增加太阳能电池的转换效率等[95].另外,在色散
空间中,对于二维方形光子晶体而言,当频率处于一
定的区间时,沿着某个方向,光子晶体的等频率线和
这个方向垂直,这时就产生自准直效应,如图12所
示.这种自准直效应可以用于波导和分束器以及弯
波导等等,极有可能在集成光路中得到应用[96—98].
另外光子晶体中也存在负折射效应,这种负折射效
应可以用来成像和做透镜[99-101],而且可以突破衍射
极限.光子晶体的应用经过近20年的理论和实验上
的演示,已经有许多的用途,但是光子晶体本身就好
像是一座超级宝藏,仍然有待进一步发掘.
除了在光电子学上的应用外,光子晶体也被认
为可以提高各种探测器的性能.由于光子晶体中有
很多的纳米空隙,当组成光子晶体的物质对某一种
气体敏感时,可以产生折射率的变化.如果光子晶体
中有一个对折射率变化很敏感的微腔,那么任何细
微的变化,都可能引起光子晶体微腔的透过率的变
化,从而感知周围介质中某种气体含量的变化[102].
在这个方面的工作有可能在环境、生物和人体探测
器上得到应用.
光子晶体在量子信息处理也存在潜在的应用, 346
物 理 学 报59卷
图11 二维三角形光子晶体(空气圆柱在介电常数为12.25的电介质中的排列)的TE 偏振波光子能带结构,其中空气柱的占空比为0.
55
图12 正方形光子晶体结构中的频率等位线.光子晶体是由空气柱在介电常数为12的电介质中排列而成,其中圆柱的半径为晶格常数的0.35,如图中的插图所示.粗实线是f =0.185(c a )的等位线,在这个频率附近出现自准直效应.粗虚线处表示的是类似于空气中的等位线
光子晶体的微腔可以做成Purcell 系数非常大的超高Q 值微腔,那么如果在光子晶体微腔中存在一个量子点,就有可能出现微腔与量子点的强相互作用.
这种作用已发现可以改变量子点的自发辐射寿命,同时将产生Rabi 劈裂现象,也是研究退相干和量子经典边界的工具
[103]
.
4.光子晶体的展望
经过20余年的发展,光子晶体理论的发展已经比较完善,光子晶体器件原理设计等方面已经取得了长足的进展.在光子晶体的制备上,尤其是二维光子晶体的制备上,科学家已经取得了巨大的突破;在
三维光子晶体的制备上,也发展了多种制备方法.但是在制备工艺方面,仍然有许多关键性的挑战有待
克服,比如,二维光子晶体制备误差的控制,这是光子晶体走向大规模应用的关键,因为对于高Q 值的微腔,需要使得制备的精度达到亚纳米量级,这需要找到一个可行的解决方法.
对三维光子晶体而言,工作在可见光区具有完全带隙的光子晶体的制备仍然是一个挑战,至今未见报道.三维光子晶体是未来三维集成光子光路的基础,但是如何在三维光子晶体中引入缺陷等功能性模块仍然是一个比较棘手的问题,尤其是要按制备二维光子晶体一样的精度要求.所有这些,都是当前摆在广大科技工作者面前的一个巨大挑战,只有妥善解决,方能使光子晶体在集成光路的应用上得到体现.当然除了在集成光路上的应用、高Q 微腔等少数问题需要克服之外,光子晶体也已在许多方面即将显现出得到应用的突破,比如光子晶体在光电二极管和太阳能电池等方面的应用.由于不需要很高的制备精度,极有可能在近几年内,采用光子晶
体设计的光电二极管和太阳能电池进入市场.同时,利用光子晶体内的多孔特性,可能构成各种传感器,
由于空隙内的介质变化,从而引起光学特性的变化,最终制成各种探测器.
光子晶体从诞生之日起,各种新现象、新性质被不断发现,从而衍生出一些新的研究方向.随着对光子晶的深入研究,也许会进一步发掘出光子晶体可能具有的一些新性质.
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1期倪培根:光子晶体制备技术和应用研究进展349
Progress in the fabrication and application of photonic crystals
Ni Pei -Gen
(Dep a rtmen t o f Physi cal a nd Ma the ma tical Sci nec es ,NSFC ,Beiji ng 100085,Ch ina )
(Recei ved 2April 2009;revis ed manus crip t received 11May 2009)
Abstract
It has been over 20years since the concept of photonic crystal was proposed .Photonic cr ystal is no w an important part of nano micr o _optics and quantum optics ,and is also applied in many fields ,such as infor mation optics etc .The paper is foc used on the pr ogress in the fabrication of photonic crystals ,especially the fabrication of two _dimensional and three _dimensional photonics .Meanwhile ,the application of the photonic cr ystal is also reviewed .Then some perspectives ar e pr oposed .Keywords :photonic cr ystal ,photonic bandgap ,ar tificial structure PACC :4270Q ,4225B
E -mail :nipg @nsfc .gov .cn
350 物 理 学 报59卷
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
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
光子晶体的制备 1987年，物理学家Eli Yablonovitch预测，光子带隙晶体（PBC）能够像现有的微电路处理电信号一样处理光信号。研究人员一直在寻找此类材料，并设法批量生长。在这项工作中，生长出的蛋白石状晶体具有PBC所需的独特结构：透明颗粒以类似于金刚石中碳原子的方式排列。 PBC的菱形晶格中粒子须按一定的方式排列。每个粒子连接四个等间距的近邻粒子，当两个这样的粒子聚在一起时，调整粒子的方向，使这两个粒子结合的六个粒子处于正确的相对方向。这项工作合成了微观的塑料块体，每个块体由四个球组成呈现出三角形金字塔的形状，每个棱锥面的中心有一个凹陷的粘性贴片。当悬浮在水滴中时，通过粘性贴片对接在一起的颗粒，粒子将调整到合适的角度，然后自发地形成具有金刚石结构的高度有序的稳定晶体。最终制备出的晶体仅包含100000个颗粒且重量不到1微克，但增大尺寸的过程并不复杂。大型三维光子晶体的制备需要用纯硅或二氧化钛填充这些晶体中的空隙，最后溶解这些晶体模板。 具体的制备过程为： 第一步，固体非交联聚苯乙烯颗粒与3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（TPM）的较小液滴混合，四个固体颗粒与一个液滴结合，形成四面体团簇；
第二步，在悬浮液中添加增塑剂（这里采用四氢呋喃）控制聚苯乙烯的变形，球体的变形挤压了团簇的液核，使核心从构成团簇的三个聚苯乙烯粒子之间的空隙中凸出，室温的条件有利于微调聚苯乙烯球被压缩和液核被挤出的程度； 第三步，采用HOOMD-blue模拟软件进行模拟，选择压缩比在0.63-0.78、粒径比接近1.2的粒子，初始的聚苯乙烯粒子尺寸为1.0μm； 第四步，退火后，粒子连接形成小晶体，为了生长更大的 晶体，将颗粒悬浮在H 2O和D 2 O的混合物中（使用PBS缓冲液）， 将悬浮液装入玻璃毛细管中密封，尺寸为100μm×2mm×50 mm，毛细管沿2mm的方向倾斜20?，沿50mm长的毛细管方向施加约1℃的温度梯度，团簇进行结晶，尺寸为40μm或100μm甚至更大，制备出的胶体颗粒具有高的约束性和机械稳定性，有利于干燥悬浮液和保持金刚石结构； 第五步，以晶体为模板，在晶体上涂覆保护性氧化层，利用化学气相沉积法在模板上涂覆硅，移除模板和氧化层，最终制备出PBC。 最终制备出的胶体金刚石的晶格具有宽且完整的光子带隙。PBC的应用之一是量子计算机，传统计算机中存储“0”或“1”的数字比特被可以同时是“0”或“1”的量子比特取代。这可以更加快速地解决代码破译中许多困难的组合问题。构建量子计算机的挑战在于将许多的量子比特连接在一起以及隔离这些量子
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
光子晶体的应用与研究 IsSN1009—3044 Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术 V o1.7,No.22.August2011. 光子晶体的应用与研究 陆清茹 (东南大学成贤学院,江苏南京210000) E—mail:kfyj@https://www.doczj.com/doc/df14256594.html,.ell https://www.doczj.com/doc/df14256594.html, Tel:+86—551～56909635690964 摘要:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand～Gap,简称为PBG)g~性的人造周期性电介质结构.有时也称为PBG光子晶体结 构.该文系统的阐述了光子晶体的产生,制备及应用. 关键词:光子晶体;光子频率禁带;激光全息: 中图分类号:TN364文献标识码:A 光子晶体激光器:微波天线 文章编号:1009—3044(2011)22—5468—02 进入2O世纪后半叶以来,全球迎来了电子时代,电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域,尤其是促进了计算机 和通讯行业的发展.但是进入21世纪以后,伴随着电子器仲不断深入的小型化,低耗能,高速度,其进一步的提升也越来越困难.人 们感到了电子器件发展的瓶颈,开始把目光转向了光子,有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想.电子器件的基 础是电子在半导体中的运动,类似的,光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动.光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量 损耗小,运行速度快,所以工作效率高.光子器件在高效率发光二极管,光子开关,光波导器件,光滤波器等方面都具备巨大的应用
潜力.近年来,光子晶体相关的理论研究,实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展,光子晶体领域已经成为现在世界范围 的研究热点.1999年l2月17日,《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一. 1光子晶体的由来 1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand—Gap,简称为 PBG)特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG光子晶体结构.它是根据电子学上的概念类比得出的.我们知道,在固体物理 学的研究中,晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用.在介电常数周期性分布的介质 中的电磁波的一些频率是被禁止的,光子晶体也类似.通常这些被禁止的频率区间为光子带隙,也叫光子频率禁带,而将具有"光子 频率禁带"的材料称作为光子晶体 2光子晶体的分类与结构 我们可以根据光子晶体的结构进行分类根据其能隙空间分布的不同,我们把光子晶体分为一维光子晶体,二维光子晶体,三 维光子晶体. 3光子晶体的制造 光子晶体在自然界中几乎不存在,它是一种人造做结构,其制备工艺主要有以下几种: 3.1机械加工法 机械加工法又叫精密机械加工法.这种加工法是存光子晶体的早期研究中发展起来的方法.机械加工法通过在集体材料上进 行机械接卸钻孑L,利用空气介质和集体材料的折射率差束获得光子晶体,这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在 厘米至毫米量级的微波波段光子晶体. 3.2半导体微制造法 半导体制备技术中的"激光刻蚀","反应离子束刻蚀","电子束刻蚀"以及"化学汽相
光子晶体是一种人造微结构,它的晶格尺寸与光波的波长相当,是晶体晶格尺寸的1000倍。光子晶体的制作具有相当大的难度,根据适用的波长范围,制作技术也不同。此外,还需要引入缺陷态,因此,制作过程往往需要采用多种技术才能完成。 1.精密加工法 Ames实验室证实了金刚石结构的光子晶体具有很大的带隙后, Yablonovitch等人便采用活性离子束以打孔法制造了第一块具有完全光子带隙(photonic band gap, PBG)的三维光子晶体。他们采用反应离子束刻蚀技术在一块高介电常数的底板表面以偏离法线35.26°的角度从3个方向钻孔,各方向的夹角为120°。但是,当孔钻得较深,并彼此交叉时,孔会产生位置偏离,从而影响其周期性结构。 Ho等提出了木堆结构(Woodp ile Structure) ,即用介电柱的多层堆积形成完全带隙的介电结构。Ozbay等用铝棒堆积成Woodpile结构,其缺点是工艺比较繁琐,且结构的周期准确性难以保证。Ozbay等又发展了逐层叠加结构(Layer- by-layer Structure) ,即先制造出各向异性的二维Si/SiO2 层状结构,然后以Woodp ile结构的周期结构形式进行逐层叠加,即四层形成一个周期。通过层叠 法和半导体工艺的结合,使得设计出的光子晶体具有禁带宽、带隙可达到红外及近红外区的优点。由于是以半导体工业成熟的技术为基础,精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。然而其工艺复杂、造价昂贵,并且受现有半导体技术水平的限制,若要制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面却存在着很大的挑战。 2.胶体晶体法 早在1968年, Kriger等人就发现了由乳液聚合得到的聚苯乙烯胶乳(50～500nm)在体积分数超过35%时出现蛋白石特有的颜色。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。 在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方( FCC)点阵堆积; 当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。 目前,已经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构,因而并不能产生完全光子带隙。为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。 3.反蛋白石结构法 反蛋白石结构是指低介电系数的小球(通常为空气小球)以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中,这种结构将有望产生完全能隙。1997年Velev等人首先用经阳离子表面活性剂CTAB浸泡过的聚苯乙烯颗粒形成的胶体晶体为模 板,合成了含三维有序排列的空气球的二氧化硅反蛋白石材料。主要采用模板法,具体操作为:以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板,向小球间隙填充高介电常数的Si, Ge, TiO2等材料,然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去,得到三维空间的周期结构。Vlasov等人
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
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/df14256594.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
光子晶体简述 吉林师范大学欧天吉 0908211 摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、 三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。 关键字：光子晶体材料制备前景应用 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。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。 1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念1990年，Ho.K.M，等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 ２、光子晶体的性质 光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出:光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率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,而它的自发辐射光的频率正好 落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可以实现辐射增强。
光子晶体研究进展 资剑 复旦大学表面物理国家重点实验室，上海200433 Jzi@https://www.doczj.com/doc/df14256594.html, 摘要 光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。 关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组 我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西是由半导体带来的。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。集成的极限在可以看到的将来出现。这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没有的优势：速度快，没有相互作用。因此，下一代器件扮演主角的将是光子。 光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料[1,2]。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[3-5]。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无法想象。 1. 2. 光子晶体简介 3. 众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是不能传播的。电磁波或者光波也不会例外。不过人们真正清楚其物理含义已经是八十年代末了。 1987年Yabnolovitch [1]在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John [2]在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫
简述光子晶体的制备及其应用 摘要：简单介绍了光子晶体，光子晶体的理论分析方法，简述了光子晶体在光传感的应用，空心光纤的简单介绍。 关键词：光子晶体简介，光子晶体的制备，光子晶体理论分析方法，光子晶体的应用，光传感，空心光纤1.简介]1[ 光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-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一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。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。 从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 2.制备和理论分析方法]2[ 2 . 1有效折射率方法 B i r k s等人最早研究光子晶体光纤时，将其与传统的阶跃折射率光纤类比， 提出了等效折射率模型，主要用于解释全反射型光子晶体光纤的单模特性，并指 出对于光子晶体包层空气孔比较大的情况下不能使用此方法，而且很少用于分析 光纤的色散特性，主要原因是一般认为其精度比较低。但也有文章表示，等效折 射率模型可以进行模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损 耗特性、色散特性等等，同时结果精度较好1 4 5 - 4 8 1 。其计算方法的主要等效步骤如 图2 . 3 . 1 所示。
蓝光LED光子晶体技术原理及制程详解 为回避日亚化学的蓝光LED 加萤光粉制技术专利，各业者纷纷投入其它能达到散发出白光的LED 技术，目前最被期待的技术是利用UV LED 来达到白光的目的，但是，UV LED 仍旧有着光外漏及低亮度两个不易克服的困难。使得除了继续努力来解决相关的问题外，不得不再去寻求其它的材料或技术来达到散发出白光的LED 技术。 ?在1987 年，国籍相异且分居不同地点的两位学者，Eli Yablonovitch 与Sajeev John 几乎同一时间在理论上发现，电磁波在周期性介电质中的传播状态具有频带结构，利用两种以上不同折射率（或介电常数）材料做周期性变化来达成光子能带的物质。所以光子晶体（PhotonicCrystal）被发现已将近 20 年后的今天，在各领域的应用有着相当令人激赏的表现，一直是备受研发者所关心的一项技术。 ?目前利用二次元光子晶体来达到完成白光LED 的技术，已陆续出现突破性的发展，使得未来Photonic Crystal LED 已成为众所瞩目的焦点与摆脱日亚化学专利的期望寄托。 ?1、光子晶体特性与结构 ?光子晶体随着波长不同，会出现于周期性的结构，可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这些结构当中，最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构，但是，三次元的光子晶体在制造上及商品化，就今天的技术而言是非常困难的。原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体，所以，今天在LED 领域各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。 ?一般的材料构造是属于固定构造，所以材料本身会具有的一定的折射率。
光子晶体的制备与应用研究＊ 李会玲① 王京霞② 宋延林③ ①助理研究员,②副研究员,③研究员,中国科学院化学研究所,北京100190 ＊国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101) 关键词 光子晶体 胶体晶体 自组装 光学器件 光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。 1光子晶体简介 1987年,美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出“光子晶体”的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现“光子带隙”(photonic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic cryst als)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。 2光子晶体制备 自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。 2.1微加工方法 微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(GaAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。 2.2全息光刻 全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30μm厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12], · 153 · 自然杂志 31卷3期科技进展