光子晶体漫谈

光子晶体结构的频率特性与光子信息传输光子晶体是一种具有特殊结构的介质，它的周期性排列使得光子在其中受到禁带的限制，从而产生一系列频率特性。

光子晶体的研究不仅有助于扩展光学器件的应用，还可以用于光子信息传输。

光子晶体结构由周期性的介质构成，其中包含交替排列的高折射率和低折射率的材料。

这种结构可以在特定频率范围内形成禁带，使得该频率范围内的光子无法传播，而其他频率的光子可以自由传输。

这种禁带特性使得光子晶体在光学器件设计中具有广阔的应用前景。

光子晶体的频率特性主要与其结构形貌和周期有关。

根据光子晶体的结构形貌可以分为一维、二维和三维光子晶体。

一维光子晶体的结构由周期性的基底层构成，光子在垂直于基底层的方向上受到禁带的限制。

二维光子晶体的结构由周期性排列的圆柱体构成，光子在平面上受到禁带的限制。

而三维光子晶体则是在三个方向上都具有周期性排列的结构，能够实现更广泛的频率控制。

光子晶体的禁带特性使得它在光子信息传输中具有独特的应用。

光子晶体波导是一种光子晶体的结构，在其中光子可以沿着波导的方向传播，同时在垂直于波导的方向上受到禁带的限制。

这种波导结构可以用于制作光子晶体光纤，实现高效率、低损耗的光子信息传输。

此外，光子晶体还可以用于光子芯片中。

光子晶体的结构可以在芯片上制作微小的光子晶体阵列，通过控制不同阵列的周期和结构参数，可以实现对不同频率的光子的传输和控制。

光子晶体芯片可以在光子通信系统中实现高速率、低功耗的数据传输，为信息技术的发展提供了重要支持。

除了光子晶体的结构形貌和周期，还有其他因素会影响光子晶体的频率特性和光子信息传输的性能。

例如，光子晶体的材料的折射率和吸收特性对其频率响应有重要影响。

合适的材料选择可以实现更广泛的禁带范围和更低的损耗。

光子晶体结构的频率特性和光子信息传输的研究是近年来光学领域的热点课题。

通过对光子晶体结构的精确设计和优化，可以实现对光子的频率和传输的高度控制，为光学器件和光子通信系统的发展带来新的可能。

光子晶体一、发展背景及历史1.1 微电子的危机今天，人类进入了信息时代，电子信息产业已成为当今全球规模最大、发展最迅猛的产业，从日常生活的电视，电话等家庭用品到工作中的电子计算机，传感器以及各种电子测试设备，无处不渗透着半导体技术的影响，可以说半导体技术正日益成为我们工作和生活中不可缺少的组成部分。

微电子技术是电子信息产业的核心技术之一（另一个是软件技术），是在半导体材料上采用微米级线度加工处理的技术。

现在电子信息技术，尤其是计算机和通讯技术发展的驱动力。

来自于半导体元器件的技术突破，每一代更高性能的集成电路的问世，都会驱动各个信息技术向前跃进。

我们今天处在一个真正的技术革命时代，而微电子技术的突飞猛进是这个革命最基础的组成部分。

微电子技术所遵循的摩尔定律指出：芯片集成度每18-24个月增长一倍，价格不变。

目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。

12英寸硅片0.13微米应经批量生产。

当前，半导体技术正向着高速度，高集成化方向发展。

据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片0.035微米线宽。

当集成电路线宽达到0.1微米以下时，标志着半导体制造技术及器件、工艺理论随之全面进入纳米领域。

硅基芯片的微细加工技术将可能达到极限。

届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都将遇到极大的挑战：（1）首先是芯片的发热量随着工作频率的提高而迅速增加从而使芯片无法正常工作；（2）其次是现有的加工设备已经很难再继续减小芯片内部的线宽，因而通过减小线宽的方法来提高心片的工作效率和性能遇到了很大的困难；（3）最后也是最难克服的一点，随着芯片内部结构的减小，其量子效应会非常明显，电子在芯片内部的波动效应就不可以忽略，而电子的波动所造成的量子隧穿效应直接威胁着用“1”和“0”表示“开”和“关”状态的芯片最基本的结构。

导致这一结果的原因在于半导体器件的工作载体是电子，由于电子是一种费米子，具有静止质量，同时，电子之间具有库仑相互作用，当集成度很高时，产生热效应，相互干扰，这即是“电子瓶颈”效应产生的原因。

光子晶体：操控光的奇异材料光子晶体是一种具有周期性结构的材料，它能够有效地操控光的传播和特性。

光子晶体的研究和应用在光学领域具有重要的意义，不仅为我们深入理解光的行为提供了新的途径，还为光通信、光电子学等领域的发展带来了巨大的潜力。

一、光子晶体的基本原理光子晶体的基本原理是利用材料内部的周期性结构来调控光的传播。

光子晶体的周期性结构可以通过周期性的折射率分布来实现，这种分布可以通过控制材料的组成、形状和尺寸等参数来实现。

当光传播到光子晶体中时，由于周期性结构的存在，光子晶体会对光进行衍射和干涉，从而产生一系列特殊的光学效应。

二、光子晶体的特性光子晶体具有许多独特的特性，使其成为一种重要的光学材料。

首先，光子晶体可以实现光的完全禁带，即在某个频率范围内，光无法在光子晶体中传播。

这种禁带效应可以用来制备光学滤波器、光学隔离器等器件。

其次，光子晶体还可以实现光的反射、透射和散射等效应，这些效应可以用来制备光学镜子、光学波导等器件。

此外，光子晶体还具有色散调控、非线性光学效应等特性，这些特性为光子晶体的应用提供了更多的可能性。

三、光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要包括自组装法、光刻法和纳米加工法等。

自组装法是一种简单而有效的制备方法，通过控制溶液中颗粒的浓度和pH值等参数，可以使颗粒自发地排列成周期性结构。

光刻法是一种常用的微纳加工技术，通过光刻胶和光刻机等设备，可以将期望的结构图案转移到材料表面上。

纳米加工法是一种利用纳米级别的工具和技术来制备光子晶体的方法，如电子束曝光、离子束曝光等。

四、光子晶体的应用领域光子晶体的研究和应用涉及到多个领域，包括光通信、光电子学、光传感、光催化等。

在光通信领域，光子晶体可以用来制备高效的光纤耦合器、光开关等器件，提高光通信系统的传输效率和容量。

在光电子学领域，光子晶体可以用来制备高效的太阳能电池、光电探测器等器件，提高光电转换效率。

在光传感领域，光子晶体可以用来制备高灵敏度的光传感器、生物传感器等器件，实现对光、电磁波和生物分子等的高精度检测。

光子晶体的基础物理学研究一、引言光子晶体是一种具有周期性的微纳米结构，能够控制光的传播和波长选择性。

光子晶体的物理性质其独特和重要的应用已成为当前研究的热点之一。

本文将从光子晶体的基础物理学角度出发，介绍光子晶体在电磁学、光学、器件等领域的应用。

二、光子晶体的基本原理1. 光子晶体的周期性结构光子晶体的周期性结构由宏观结构和微观结构两部分组成。

微观结构主要是由不同的介质或反射率分布所构成。

在一定的条件下，它们能够把光子的波长压缩到晶格常数级别，从而产生光子带隙。

宏观结构是指光子晶体的形状和排列。

如球形、正方体和立方体等，它们的大小和排列密度对晶体的波长响应有影响。

2. 光子晶体的光传播特性光子晶体对于光的传播有良好的控制作用，主要表现在两个方面。

一是光束通过时必须满足布里渊条件，其要求入射角度等于等于衍射角度；二是波长能够在光子晶体内产生周期性损失，同时产生光子带隙，因此在带隙内光束不能传播。

3. 光子晶体的光学特性光子晶体因其介电常数的周期性变化，对于光的反射、折射、色散等光学现象有重要影响。

在光子晶体内，由于光构成波束在不同介质中传播时速度的不同，导致会发生折射、反射等现象，并且能够产生色散。

在光子晶体中，色散对于光的捕获、传播和选择具有重要意义。

三、光子晶体的应用及发展趋势1. 光子晶体在生物医学中的应用光子晶体在生物医学中获得广泛应用，如光子晶体制备的荧光探针、光子晶体纳米颗粒、光子晶体控制的微流控芯片、光子晶体生物传感等。

光子晶体通过其对生物分子的高灵敏度和选择性，优异的生物相容性，以及高度稳定性和可重复性使其在生物医学领域中的应用前景很广阔。

2. 光子晶体在制备光学器件中的应用晶格常数与光波长的比例成为光子晶体光学性质的决定性因素。

其独特的优异光学性质，使其成为制备光电器件的良好平台，如衍射光栅、光学滤波器、光子晶体放大器、光子晶体传感器等。

光子晶体与传统光学器件相比，优异的性能提高了其在光通信、传感和光电学等领域中的应用。

光子晶体是什么？“光子晶体”是1987年提出的新概念和新材料。

这种材料有一个显著的特点.即它可以如人所愿地控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新概念和新材料，也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。

光子晶体的这一概念是同真实晶体的类比而来的。

我们知道，在固体材料中，由于原子核周期性势场的作用，电子会形成能带结构，带与带之间(如价带与导带)有能隙，称为“禁带”。

将这一思想应用于传输光的介质，如果介质中也存在周期性的结构，那么其中的光子有可能形成类似于电子能带的结构，在带与带之间也会出现“禁带”。

在固体中，能量处于禁带内的电子是不可能存在的。

与此类似，在具有禁带的介质结构中，频率对应于禁带的光不能在其中存在或传播‘把这种由于存在禁带而对频率有选择特性的周期性介质结构称为“光子晶体”，相应的光不能在其中存在或传播的频率范围称为“光子禁带”，或称“光子带隙’。

可见，光子晶体不是简单的晶体而是由不同晶体按特定方式排列而成。

自然界也有光子晶体的例子，如色彩斑斓的蝴蝶翅膀。

不过实验室中所用的光子晶体都是人工设计制作出来的。

光子晶体的最根本特征是具有光子带隙，落在带隙中的光是被禁止传播的。

光子带隙的存在会带来许多新物理和新应用。

Yablonovitch指出:光子晶体的周期性结构可以抑制自发辐射。

爱因斯坦曾经认为自发辐射是不可控制的，它必将不可避免地与受激吸收和受激发射共存。

现在利用光子晶体的思想有可能改变这一论断。

我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态密度成正比。

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，由于该频率的态密度为零，因此自发辐射几率为零，相应的自发辐射被抑制。

在现代的光电子技术应用中，抑制自发辐射具有十分重要的现实意义。

例如在半导体激光器中，由于自发辐射的存在而引起较大的附加电流损失，成为激光器闰值的主要原因。

摘要迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能.关键词光子晶体缺陷微腔关于光子晶体的认识光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术, 其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动.利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里.光通过90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,在这一点上, 光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势. 由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30°)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去. 上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗,更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究.光子晶体中的另一种缺陷形式——点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件.光子晶体中带隙的调控作用还体现在对光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch 就预见了光子晶体点缺陷形成激光器的可能.大体说来就是将光信号设计在导带区域,使其能够透过晶体继续传播,而噪声落入带隙区域被完全屏蔽,从而获得超过传统光源的高单色性激光输出.12年后,美国加州理工学院的A.Scherer研究小组首次实现了室温下抽运的光子晶体纳米激光器,翻开了世界范围光子晶体激光器研究工作实用化的新一页.该小组在包含有多层量子阱结构的砷化镓桥式薄膜上制作了光子晶体微腔, 利用局域缺陷模的高品质因子,为量子阱结构发光提供了反馈机制,从而实现了具有亚波长尺度的模式体积的纳米激光器.近年来,各种基于光子晶体的有源与无源器件在微纳米加工技术的支持下层出不穷,它们的出现提供了构成光子晶体集成光学回路的基本功能单元.目前人工制作的光子晶体包括一维,二维和三维晶体.一维光子晶体主要应用于薄膜光电子学和光栅光学领域中,但受维度所限,折射率调制作用一般比较小.三维光子晶体现有的应用是作为微波波段的天线,而由于加工和集成化的困难,鲜有应用于光频段的实用三维光子晶体器件出现.对二维光子晶体而言,无论是在微波还是光频波段,其加工技术已经十分成熟,尤其是随着微纳米加工技术的不断发展,二维平板光子晶体器件性能更加可靠,此外由于其所利用的材质与已形成工业化生产的半导体光电材料一致,更为实现光电集成提供了可能.对于完整的光子晶体而言,特定晶向上会出现导带与带隙.光子可以在导带中传播,在带隙中则不能存在.点缺陷是通过破坏一个或多个光子晶体“原子”形成的,它的作用通常是使原先带隙的区域出现若干个缺陷态.光子可以在缺陷态中存在,因此点缺陷被当作是二维平板光子晶体中的光共振腔,提供光子传播过程中的局域或耦合机制.如前所述,不同类型的缺陷(线缺陷和点缺陷)功能各异,所以当它们集于一体时就形成了集成化的二维光子晶体器件.这种尺寸只有传统光学器件几千甚至几万分之一大小的光子晶体集成器件却几乎具备了传统光学器件的全部功能,涵盖了通信和激光源等领域所有的基本需求.光子晶体中的点缺陷形成了光学微腔,微腔的性能参数通过控制微腔的形态和尺寸大小来确定.常见的微腔形成方法有3种:或增大某基元的占空比,或减小某基元的占空比,或使用其他介质替位.这些操作最终形成的微腔功能多种多样,其中典型的两类功能是用作高品质因子的光学共振腔和光传播过程中的耦合器.作为第一种应用是利用微腔对光子局域作用,将波导中传输的光通过微腔与波导间的共振耦合转移并存储到微腔中,微腔的形态经过特定设计,确保光子经多次共振增强后直接向平板光子晶体表面辐射,形成高品质因子的激光输出.这种垂直出射的光学共振腔类似于表面发射激光器,是将水平方向传播的光转换到垂直方向上的发射的一种有效方法.微腔的另一种作用是作为耦合器,将输入波导中的光信号耦合到输出波导中.在这种情况下,需要微腔的共振模与输入输出波导的传播模式完全匹配.当满足共振波长的光子进入输入波导后,将通过波导与微腔之间的共振耦合效应局域在微腔中,进而再由微腔向输出波导耦合.此时微腔起到了耦合器的作用,与传统环形腔耦合器作用近似.高品质因子(Q 值)光子晶体微腔对光子晶体的应用具有举足轻重的作用.一个光学性能优异的微腔不仅为光耦合传输提供了保证,而且其本身作为光学共振腔的存储和发射光子的作用更为重要.如何提高光子晶体微腔的品质因子这一问题已研究多年,虽然方法层出不穷,但其根本宗旨是提高光子在微腔中存储的稳定性,减少向周围环境的辐射.Painter 小组从傅里叶频谱与光子动量的转换关系出发,制作了Q值达到13000的微腔,但研究的进展还远不止于此,随后Q值的增长呈现出以若干个数量级为单位的趋势.由于微腔由点缺陷构成,缺陷与周围晶体在电场分布上会出现相当“突兀”的分界,引起能量向腔外耗散,解决这一问题就需要将腔内电场分布改善为理想高斯型分布,由中心向腔两端对称平缓递减.这样的模式分布使得腔内电场的低空间频率的分量(泄露模式)大幅度减少,从而使腔内光场能量向周围空气背景辐射的几率大大降低了,Q值显著提高.当微腔和两侧区域由不同晶格常数的光子晶体拼接而成时,如果可以将微腔的共振频率设计在两侧光子晶体的带隙中时,理论计算发现,这种所谓的“异质结结构”的光子微腔,其电场分布十分接近于理想的高斯型分布.光子晶体还可以提高发光二极管的发光效率.传统发光二极管发出的光中,有很大比例的能量转化为平面内传播的波导模式,只能从发光二极管的侧面辐射出去,由于侧面的面积远小于上表面的面积,发光效率受到了极大的限制.一个有效的解决方案是在发光二极管的表面制作上一层二维光子晶体,由于平面内光子带隙的存在,使得平面内传播的波导模式受到很大的抑制,从而大大提高光沿发光二极管垂直方向的辐射效率.光子晶体的出现更为许多发光材料的开发拓展了思路,以往被认为由于荧光的难以控制而无法用作可靠光源的材料,比如氧化锌材料,都在光子晶体的发展带动下加入到有源器件的行列中,成为了新一代光源的研究方向.集成化的光学器件不仅包括光信号的产生,还需要在传送的过程中进行适当的调制.光开关是对光信号调制的一个重要方面.当入射光强与介质中原子内场强度相当时,将激发介质的高阶极化,改变了材料的折射率,实现开关效应.利用光子晶体作为光开关时,介质折射率的周期性分布使光子晶体本身产生带隙,落入带隙中的光信号无法通过晶体,此时光开关处于“关闭”的状态,当有强抽运光入射到晶体上,由于晶体材质本身折射率在非线性作用下发生变化,破坏了初始的能带分布.在合理地选择晶体材质与抽运光的情况下,原先带隙的位置及大小受到调制,使原本落在带隙中的光子进入导带,光信号通过晶体继续传播,实现了光开关的“开启”功能.通过对光子晶体更为复杂的设计,还有望实现具有逻辑功能的光学开光,如双稳态光开关,通过多束光的共同作用,使信号输出满足各种需求.任何一种新的科学技术手段的出现都是在人们生产与生活的需求推动下应运而生的.任何一种新技术的成长也是要经历漫长的探索和不懈的尝试才最终得以完善.光子晶体自提出至今已有20年的时间,对它的研究遍及世界范围,从最初概念性的尝试到如今成品化器件的出现,可以看到光子晶体的应用已逐步向实用化迈进.对光子晶体器件设计构思的不断改进,以获得更高效,更稳定,更精密的器件性能为目标,同时继续向更深更广的层面上探索尚未发现的新功能.而实用方面,降低制作难度,减少成本投入,增强稳固性,这也是光子晶体器件用于光学集成所必须实现的目标.虽然仍有许多困难需要克服,但光子晶体无论用于有源还是无源光电子器件的优势已经突显出来,实现了前所未见的功能和效应.相信随着对这一领域研究的深入发展,将进一步推动光子晶体器件的全光集成化,为光电子通信领域带来全新的景象.。

光子晶体原理光子晶体是一种具有周期性的光学结构，它可以通过调控光的传播特性来实现光的控制和调制。

光子晶体的研究源于对光子学的深入认识和对光的性质的理解。

在光子晶体中，光的传播受到周期性的折射率分布的影响，从而导致光的传播特性发生改变。

光子晶体的周期性结构可以由不同的材料组成，例如光子晶体可以由二氧化硅或氮化硅等材料制成。

这些材料具有不同的折射率，通过合理选择和设计这些材料的排列方式，可以实现对光的控制和调制。

光子晶体的最基本结构是光子晶格，它是由周期性的折射率分布组成。

在光子晶格中，光的传播受到布拉格散射的影响，从而实现光的衍射和反射。

光子晶格的周期性结构可以通过不同的方法制备，例如光束刻蚀和自组装等技术。

光子晶体的特性主要由其晶格常数和折射率分布决定。

晶格常数是指光子晶体的周期性结构的空间尺度，它决定了光的传播特性和光的波长与晶格常数之间的关系。

折射率分布是指光子晶体中不同位置的折射率大小，它决定了光的传播方向和光的传播速度。

光子晶体的应用非常广泛，特别是在光学器件和光通信领域。

光子晶体可以用于制造光纤、光波导和光调制器等光学器件，这些器件可以实现对光的传输和调控。

光子晶体还可以用于制造光栅和光谱仪等光学仪器，这些仪器可以实现对光的分析和检测。

光子晶体的原理和性质研究已经取得了很大的进展，但仍然存在一些挑战和问题。

例如，如何实现对光的更精确的控制和调制，如何提高光子晶体的制备和加工技术，以及如何实现光子晶体的集成和应用等。

这些问题需要进一步的研究和探索。

光子晶体是一种具有周期性的光学结构，它可以通过调控光的传播特性来实现光的控制和调制。

光子晶体的研究对于光学器件和光通信等领域具有重要的意义，同时也面临一些挑战和问题。

通过对光子晶体原理的深入研究和理解，我们可以进一步推动光子晶体技术的发展和应用。

光⼦晶体光⼦晶体是近年来科学与技术⽅⾯的⼀个新成果，具有重要的科学意义和⼴泛的应⽤前景。

为了明⽩光⼦晶体是什么，我们先简单介绍⼀下晶体。

晶体是由⼤量微观物质单元（原⼦、离⼦、分⼦等）按⼀定规则有序排列的周期性结构。

晶体在⽇常⽣活中经常遇到，如⾷盐就是氯化钠晶体，雪花也是晶体，⽽且具有多种不同的形状。

⼈们⾮常熟悉且每天都离不开的半导体也是晶体。

我们熟知的⾼性能芯⽚就是⼤规模、超⼤规模的半导体集成电路。

半导体能够具有重要的应⽤价值，是因为半导体这种晶体具有电⼦的禁带、导带。

科学家利⽤电⼦的能带结构对电⼦进⾏精确的控制。

但由于电⼦是带电的，相邻电⼦之间有相互作⽤，这给控制电⼦带来了困难。

尤其是当结构的尺⼨⾮常⼩时，精确地控制电⼦变得极为困难。

这使得进⼀步提⾼芯⽚的性能也变得极为困难。

即存在量⼦极限的限制。

如何进⼀步提⾼芯⽚的性能呢？这时，⼈们想到了光⼦。

光⼦不带电，光⼦之间没有相互作⽤。

控制光⼦⽐控制电⼦更简单。

因此，通过控制光⼦，可以更容易突破量⼦极限，从⽽进⼀步提⾼芯⽚的性能。

如何才能精确地控制光⼦呢？⼈们发现，如果传导光的材料具有晶体⼀样的结构，那么，这种材料也会具有光⼦的禁带、导带。

这不就是传导光的晶体吗！光⼦晶体就这样产⽣了。

⼈们还发现，可以把在半导体中很多控制电⼦的现成的⽅法和技术⽤到对光⼦的控制上来。

半导体是带电离⼦的周期性晶体结构，电⼦的⾏为受到周期性的约束和影响。

⽽材料对光传播特性的影响只能通过折射率（介电常数）来实现。

因此，光⼦晶体⼀定是折射率（介电常数）在空间的周期性排列，以使光⼦受到周期性的约束和影响。

折射率的周期分布可以是⼀维、⼆维或三维的，它们分别对应于⼀维、⼆维和三维光⼦晶体。

光⼦晶体具有光⼦能带结构。

有的能带禁⽌某些频率的光在其中传播，这些频率（颜⾊）的光不能在这个带中存在，这就是光⼦禁带。

有的能带允许某些频率的光在其中传播，对于这些频率的光这个能带就是光⼦的导带。

当光⼦晶体被⽩光照射时，其能带对某些频率的光是导带，这些频率的光可以进⼊材料并在其中传播。

光子晶体原理范文光子晶体原理是指一种由周期性的折射率分布构成的周期性结构，其在光学领域具有非常重要的应用价值。

光子晶体可以通过改变周期性结构的周期长度和折射率分布来控制光的传播和透射特性，从而实现对光的波长、频率、方向和强度的调控，具有很高的光学功能性。

光子晶体的形成需要两个基本条件，即周期性结构和折射率分布差异。

周期性结构是指晶体中的单元格以一定的规律排列，可以是一维、二维或三维的周期性排列。

而折射率分布差异是指晶体中的材料具有不同的折射率，在一些区域具有较高的折射率，在其他区域则具有较低的折射率。

光子晶体的最重要特性之一是光子禁带，即在特定的波长范围内，光子晶体不允许一些频率范围的光波传播。

这是由于在光子晶体中存在周期性结构，当光波的频率和晶体的周期匹配时，光波会和晶体内的周期性结构相互干涉，导致光波被散射、反射或吸收，从而无法传播过去。

光子禁带的存在使得光子晶体具有许多应用价值，比如光学滤波器、波导器件、光学波分复用等。

光子晶体的性质可以通过改变周期性结构和折射率分布来调节。

周期性结构的改变可以通过改变晶体的单元格间距或者单元格的形状来实现。

这些改变会直接影响光子晶体中的光子禁带大小和位置，从而改变光子晶体对特定波长范围内的光的响应。

折射率分布的改变可以通过改变晶体中不同材料的折射率，或者通过引入缺陷或杂质来调节。

这些改变可以使得光子晶体产生缺陷模式，如边界态、共振态等，从而实现对光的局域控制。

光子晶体的制备可以通过多种方法实现，如光刻技术、溶胶-凝胶法、等离子体增强化学气相沉积等。

这些方法可以根据需要的周期性结构和折射率分布进行选择，并且可以实现从宏观尺度到纳米尺度的光子晶体制备。

光子晶体的应用非常广泛，包括光子晶体光纤、光子晶体光放大器、光子晶体激光器、光子晶体太阳能电池、光子晶体传感器等。

在光通信领域，光子晶体可以通过改变波导中的周期性结构和折射率分布，来实现对光信号的调控和传输，从而实现高速、高带宽的光通信。

光子晶体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。

光子晶体自从被提出后，在光学物理，凝聚态物理，电磁波，信息技术等领域引起了人们广泛的关注。

在这短短的二十年里，光子晶体在理论研究和实验研究方向均取得了显著的成果，并且在某些领域也有了一定的应用。

由于光子晶体的巨大潜在应用价值，设计和制作可见光和近红外波段的完全带隙光子晶体，成为十年来科学研究的热点之一。

在制备复杂结构光子晶体的多种方法中，相对于其它制作方法，例如逐层叠加方法，半导体微加工和自组织生长、激光全息制作方法具有成本低，耗时短，方便制作和有效等优点。

下面介绍用激光全息干涉技术并结合平面波展开法和有限时域差分方法，在理论上比较系统的研究了如何使用伞形配置的多激光束形成具有较宽的完全禁带的光子晶体，提出多种实现全禁带展宽的设计方案，并通过晶体结构及1其能带传输特性的模拟来验证能带计算结果的正确性，其中的创新性工作主要包括一下几个方面：一、全系干涉法优化二维正方结构光子晶体的光束设计及其能带性质的研究由于全系干涉法中格点柱的形状和大小实际是由于干涉场的等强度面决定的，所以得结构的能带性质与制备过程有着密切的联系。

这里提出两种利用全息干涉技术制备的新型二维正方结构光子晶体的方案。

第一种是由绕z轴旋转45度的针垫形柱组成的正方晶格点阵。

另一种由不规则介质柱组成的相似晶体结构。

光子晶体及其应用光子晶体( Photonic Crystal) 是一种在微米、亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料,按照其折射率变化的周期性,可以分为一维、二维和三维光子晶体,分别见图1～3. 光子晶体的概念首先在1987 年被E. Yablonovitch提出 . 光子晶体被视为电子晶体的光学领域内的对应物,如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样,光子晶体的折射率的变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构,这些被禁止的频率区域称为光子禁带(Phtonic Band Gap) .关于光子晶体的研究一开始只是在理论上,因为光波长尺度上的工艺非常困难.1991年,由E. Yablonovitch 制成了第一个微波波段的光子晶体后,随着各种工艺的发展,多种多样的晶体结构陆续的被制备出来,许多理论预测得到了验证 . 其中应用较多的三维结构是“木柴垛结构”(图3) 和“蛋白石结构”(图4) .光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质,例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等. 它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来(图5)可以使自发辐射的光只能以单波长输出;也可以使波长相差很小的光分开60°,使其色散达到普通棱镜的500 倍. 这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值,因而在短短十余年时间内,受到了物理、材料等领域的学者的广泛关注. 可以相信,在不久的将来,光子晶体将在基础研究领域以及光通信、光计算、激光技术等诸多应用领域内起到不可替代的作用.2 光子晶体的原理光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的,因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识. 对于晶体可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场. 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. 电子波的能量如果落在带隙中,就无法继续传播. 其实,不论是电磁波,还是其它波(如光波等) ,只要受到周期性调制,都有能带结构,也都有可能出现带隙. 而能量落在带隙中的波同样不能传播. 由此我们知道在离子晶体中,离子的周期性排列产生了能带结构,而能带又控制着载流子(半导体中的电子或者空穴) 在半导体中的运动.与之类似,光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动. 光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴) 的材料. 如图1～3 所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在. 高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(Band Gap ,类似于半导体中的禁带,也可以理解为光受到了布拉格散射引起的) . 而周期的大小不同,导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应. 也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播.因为光被禁止出现在光子晶体带隙中,所以可以预见到我们能够自由控制光的行为. 例如,可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰好落于光子晶体的禁带之中. 由于这些波长的光是禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射. 而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以用来制备面发射的激光器.3 光子晶体的制备光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的蛋白石(Opal) ,还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉,它们在不同的角度反射不同波长的光. 通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的. 参见图6～9.因为Opal 形式与后面讲到的小球密堆积完全相同,因而暂且不提. 但是,这些都是粗糙的光子晶体,因为它们没有形成完全的禁带. 通过Maxwell 方程的求解可以发现,完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系. 一般说来,两种材料的折射率差值越大,就越有可能形成光子禁带,当两种材料的折射率差大于2 的情况,可以形成完全禁带. 在自然界尚未曾发现此类的晶体. 因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备.目前制作光子晶体的材料主要是无机材料,如金刚石, Si , SiO2 , TiO2 , GaAs ,AlGaAs 等,另外还有一些金属材料等. 主要的思想就是人为的构造周期性的结构. 在制备工艺上对于一维、二维和三维而言有许多不同. 下面分别进行介绍.最先制备成功的的是三维光子晶体,但是主要工作在微波波段. 在可见光部分曾经比较时兴的一种办法是类似于自然界的Opal 结构,人工制备亚微米量级的小球,然后让他们密堆积起来形成周期性排列.制作光学波段的光子晶体常用的技术是胶体颗粒(如SiO2 颗粒) 的自组织生长. SiO2 颗粒的大小一般为微米或亚微米,悬浮在液体中. 由于颗粒带电,而整个体系呈电性,这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的范德华力. 自组装时先使用一种有机无机复合的材料使SiO2 小球表面电荷被除去以呈现电中性. 因而小球之间的作用力消失,在重力或其他外力的作用下经过一段时间,悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的面心立方结构而形成胶体晶体. 这种方法简便而且经济. 一般采用的胶体颗粒是聚合物等,因为一般胶体颗粒的折射率都比较小,理论计算表明由这些材料构成的面心立方结构的胶体晶体没有光子带隙. 对于相对低于空气折射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难:使用TiO2 来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2 有较高的折射率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2 包围的球状空气空穴 . 这样就可以形成三维的光子禁带了. 制备成功的样品SEM 图见图4. 但是这种方法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用于实际.另外制备三维光子晶体的办法是刻蚀法,这种采用硅工艺的方法十分有效,但是通常只是做到了近红外,可见光部分有难度,而且价格昂贵,操作复杂,同样不利于推广.对二维光子晶体的制作也有许多的研究. 二维光子晶体也有许多用途,而且制作比三维光子晶体要相对容易. 在微波或厘米波波段,可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法;在红外和光学波段用刻蚀等方法. 最早制作的二维光子晶体是用机械钻孔或用介质棒方法制得. 目前,二维光子晶体的带隙已经达到红外和光学波段. 制作二维光子晶体的实际例子是Bath 大学的Philip Rus2sell 和Jonathan Knight 以及他们的合作伙伴研制的特别不寻常的“多孔纤维” .这种纤维具有规则的气孔晶格,并且可以无散射的长度连续的传播光波. 这是通过围绕一个在中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的. 由几百个传统的SiO2 棒和SiO2 毛细管依次绑在一起组成六角阵列,然后在2 000 ℃下把这个结构加热拉伸产生直径只有几微米的长纤维而成. 这种光纤被称为光子晶体光纤,它具有零色散点可调的特点,而且可以在芯径很大的情况下实现单模传输. 这种光纤的缺点是会受到水汽的影响,因为它多是中空的. 制备的样品见图10.一维光子晶体的制备非常简单,而且在光子晶体的概念提出之前就已经被广泛制备并且应用. 因为它就是我们通常所说的多层膜. 制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束外延技术等.4 光子晶体的应用应用光子晶体控制光在其中传播的性质可制成全新的高性能器件。

光子晶体理论、器件以及分析方法2.1光子晶体光纤光子晶体光纤主要是带有线缺陷的二维光子晶体中的一种。

分布均匀的空气孔组成六角形的微结构，从而形成光纤包层；纤芯线缺陷的主要构成材料以石英或空气孔为主，通过对局域光能力的运用，使得光只能在纤芯内进行传播。

因为包层里面的空气流所实现的折射率比是传统光纤远远比不上的，而且空气孔大小和排列顺序的改变都会在一定程度上对光纤特性产生一定影响，所以光子晶体光纤的整体设计显得更灵活一点。

2.1.1光子晶体光纤基本概念光子晶体光纤有多种别称，如微结构光纤和多孔光纤都是其别称，它通过对包层中兖州排列气孔的改变，在一定程度上对光起到一定的约束作用，从而推动光轴向传输目的的实现。

由于光子晶体光纤里面多了很多独特的波导结构，所以其具有常规光纤不能达到的诸多特性，比如单模传输特性、非线性特性、色散特性等都是光子晶体光纤独具的。

只需要改变相应的物理结构和光纤材料，就会使得光纤的特性或者组合发生一定程度的改变。

光子晶体具有传统光纤无可比拟的优势性，具体如下：（1）具有优良的弯曲效应。

（2）能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输的现象。

（3）具有极宽的传输频带，可全波段传输。

由此，光子晶体光纤能够大力应用于能量传输、光纤通信和光纤传感等多方面，而且能最大化的影响到光子晶体光纤中实际技术的应用。

2.1.2光子晶体光纤分类①按光子光纤的导型机理分类由于光子晶体光纤的导光机理不同，所以有光子带隙光纤（PBG-PCF）和全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF）等两种基本分类。

（1）光子带隙光纤。

石英—空气二维光子晶体形成（六角晶格结构具有二维光子带隙）包层，在大小、间距和周期上都有着严格的要求，纤芯的主要传光通道就是不曾被注意到的空气孔缺陷。

相比于传统光纤的导光机制，光子带隙光纤将包层光子晶体进行行射后减少光对于纤芯的传播。

一旦光照射到纤芯的包层界面上时，会在空气孔的作用下发生散射。