光子晶体光纤的制备与应用研究

科技信息2008年第31期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION

1．引言20世纪80年代，John和Yablonovitch提出了光子晶体材料这种新材料,它是一种具有一维、二维或三维周期性结构的人造材料,由于光带隙（photonicbandgap）的存在，禁止在某段频率范围内电磁波的传播。1995年，Birks等首先分析并指出由石英和空气孔组成的二维光子晶体结构中可以出现光子带隙。而真正意义上能够实现光在空气芯中传输的光子带隙光纤则是1999年在Science报导的。而光子晶体光纤PCF（photoniccrystalfiber）的概念最早是由P.St.J.Russell等人于1996年在OFC会议上首次提出。它是一种新型光纤，在它的包层区域有许多平行于光轴的小孔。2.光子晶体传感器2.1应变传感光子晶体的传感器模型国内已经有学者［1,2］在进行研究。其基本原理是基于光子晶体是具有周期性结构的材料，那么组成光子晶体的材料的介电性质及其空间排列方式决定了光子晶体的光传播性能。对于一维光子晶体而言，当承受载荷时，引起光子晶体的形变（如图一），进而导致其光子带隙性能的改变，从而可以进行载荷的测量。其原理是随着应变的增加，禁带的位置向短波方向移动，同时反射带宽变小（如图二），这是由于光子晶体受到横向应力以后，使晶体每层的介质变薄，其中心波长变短，从而导致整个光子晶体的禁带位置前移。应变与起始波长及截止波长之间是简单的线性关系，这样根据起始波长及截止波长可推断出应变的大小，精度取决于对光波波长的测量精度。至于在光子晶体上施加纵向压力［3］，受力后光子晶体纵向被压缩，而横向则被拉长，这样，导致了光子晶体每层的厚度增加，光程变长。同样可以根据禁带的起始波长和截止波长的位移来测量所施加应力的大小。图一受均布压力后介质的变形情况图二压力对禁带的影响2.2温度传感对于测量温度时，如果选择对外界环境量变化敏感的材料构成光子晶体，外界温度的变化将引起晶格常数a和介质的等效折射率neff发生微变化,反射谱峰值将产生微小位移,其变化关系可表示为：Δλλ＝Δaa＋Δneffneff而晶格常数的相对变化与温度的变化关系为Δaa＝αΔT，等效折射率的相对变化与温度变化量的关系为Δneffneff＝βΔT。其中α为材料的热膨胀系数，β为热光系数。因此峰值波长的位移与温度的变化关系为：Δλλ＝（α＋β）ΔT，那么波长的位移与温度的变化成线性关系，通过测量反射峰值波长的位移，可以实现对温度的测量。如果在光子晶体中引入较大的缺陷，会由于F-P效应导致反射光谱峰发生规则的分裂，谱线宽度明显变窄，出现更精细的谱线结构，那么测量的结果就更加准确。2.3化学传感光在聚苯乙烯光子晶体中传播时，强烈的衍射效应限制了光的透射,出现衍射峰，衍射峰峰波长的位置决定于光子晶体材料相邻孔的中心距和平均折射率，而平均折射率依赖于光子晶体多孔层各组成成分的折射率及其体积分数。这样可以通过衍射峰的位置变化来定量测定分析物，可以有效地推断光子晶体多孔层内分析物与材料的结合量［4］。通过衍射峰的位置变化来定量表征生物分子的相互作用为生物传感提供了一个思路。发展以光子晶体薄膜作为固相基底材料的免疫分析技术，可望实时、有效、准确地检测抗原-抗体、酶-底物等的相互作用,这在免疫分析、修复术组织工程以及药物释放体系的应用中具有相当重要的意义。3.光子晶体光纤传感器3.1导光机理PCF基本上可以分为两类，即折射率导光（index-guiding）和光子带隙导光两类。折射率导光型光子晶体光纤的芯区是石英，包层是多孔结构（空气孔不必周期性排列），包层中的空气孔降低了包层的有效折射率，从而满足“全反射”条件，光被束缚在芯区内传播，这种光纤的导光机理和普通光纤的导光机理相一致。而光子带隙光纤包层中的孔则是周期性排列，形成二维光子晶体，这种二维周期性折射率变化的结构不允许某些频段的光在垂直于光纤轴的方向传播，形成二维光子带隙。光子带隙光纤的纤芯可以认为是二维光子晶体光纤的一个线状缺陷，如果它在包层光子晶体的光子带隙内能支持一个模式，该模式将不能横向传播，而在轴向形成传导模，这种导光原理和常规光纤有本质的不同，它允许光在折射率比包层低的纤芯（如空气芯）中传播。3.2基于孔内光和物质相互作用的传感器1）气体传感器光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用王向宇（西安石油大学陕西光电传感测井重点实验室陕西西安710000）【摘要】本文阐述了国内光子晶体传感器的研究现状，分析了传感原理。研究了光子晶体光纤的传感原理以及三种光子晶体光纤传感器，叙述了在传感中需要考虑的两个问题，并提出了解决的办法。【关键词】传感器；光子晶体；光子晶体光纤TheApplicationOfPCAndPCFInSensorWangxiang-yu（Xi’anshiyouuniversityShanXiKeylaboratoryOfPhotoelectricSensingLogging）【Abstract】Thecurrentresearchsituationofphotoniccrystalsensorinourcountrywasdecribedandthesensetheorywasanalysedinthethesis.Andthesenseprincipleofphotoniccrystalfiberandthreekindsofphotoniccrystalfibersensorwereresearched.Inaddition,twofactorswhichshouldbetakeninaccountinsensingarebeenpiontedout.Finally,themethodshowtosolveitwerebeenbroughtforward.【Keywords】sensor；ptotoniccrystal（PC）；photoniccrystalfiber（PCF）○机械与电子○90科技信息2008年第31期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION

光子晶体的应用与研究

IsSN1009—3044

Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术

Vo1.7,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@.ell

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

光子晶体的设计和制备方法

光子晶体是一种周期性结构的材料，其内部具有特定的光学性质。它可以通过定义晶格结构、材料组成以及制备方法等方式来控制其光学性质。在应用方面，光子晶体已被广泛应用于传感器、光子芯片、光子晶体光纤等领域。本文将介绍光子晶体的设计和制备方法。

一、光子晶体的设计

光子晶体的设计包括晶格结构的定义、材料的选择以及光学性质的控制等方面。晶格结构的定义是决定光子晶体周期性的关键因素，其分为一维、二维和三维结构。其中，一维结构是由周期性排列的图案或者纤维组成；二维结构是平面上周期性排列的图案；三维结构是周期性排列的球体或立方体。每个晶格结构都具有不同的光学性质。

材料的选择对于光子晶体的光学性质也具有重要的影响。一些光子晶体设计使用纯胶体微球，另一些使用多相材料，例如采用硅和空气的排列组合。材料的选择取决于需要的光学性质和晶体的制备方法。

除了晶格结构和材料选择，还有一些重要的参数需要根据应用要求进行控制。这些参数包括边界条件、周期长度、微结构单元以及介电函数等。这些参数的调整是必要的，以获得所需的光学性质。

二、光子晶体的制备方法

基于不同的晶格结构和材料组成，有多种光子晶体制备方法可供选择。这些方法可以总结为传统方法和现代方法两大类。

1. 传统方法

（1）自组装法：自组装法是制备光子晶体的一种简单方法，在这种方法中，胶体微球分散在溶液中形成自组装沉积的晶体。这种方法通常适用于制备一维和二维的光子晶体。

（2）模板法：模板法是一种通过模板的作用来制备光子晶体的方法。模板可以是二维纳米颗粒阵列或多孔介质。通常利用模板表面或孔壁的反应来进行光子晶体的制备。

2. 现代方法

（1）悬浮材料法：悬浮材料法是制备光子晶体的一种先进方法。这种方法使用了所谓的悬浮材料 - 这是一种高度可调节的胶体微球混悬液，可以用于三维的光子晶体制备。

（2）直接写入方法：直接写入法是制备光子晶体的一种新型方法，利用它可以实现三维光子晶体的快速制备。在这种方法中，利用激光等光学器件直接将材料刻写在光子晶体表面。

光子晶体的制备及应用

王文瀚 12S011029

1 引言

光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。

实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。

当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。[1]

2 光子晶体原理

最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。比如，在可见光波段，一般为 1μm量级或更小，而在微波段，则一般为 1cm 左右。根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。

(a) 一维光子晶体结构 (b) 二维光子晶体结构 (c) 三维光子晶体结构