含双缺陷光子晶体的缺陷模特性及应用

N个原子的晶体中取出n个原子形成点缺陷的独立方式数 为：
N! C n! N n !
n N
相应的组态熵为：
n N! k0 n ln S k0 ln N n! N n !
自由能为：
n F nE TS nE k0 nT ln N
平衡浓度为：
n exp E k0T N
第六章：晶体缺陷 § 6.1 空位、杂质和填隙原子
半导体中的杂质： 电子工业的基础是半导体。 半导体的核心是其电导特性。 本征半导体（即未掺杂）实际上是绝缘体，基本没有可 用的电学特性。 杂质及掺杂工艺是半导体的基础。
P型半导体
+4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4
低价掺杂，空穴导电
离子晶体的电导主要是由阴、阳离子空位的运动所 产生的，与质量输运直接相关：
Ne[V ]u [V ]u
离子迁移率 在纯净的晶体中，本征电导为：
0 Neu u exp U 2k0T
由于质量输运靠原子跳入相邻的 空位来实现，需要靠热涨落来克 服迁移势垒，所以迁移率强烈地 依赖于温度。外加电场的存在降 低了电场方向上的势垒，有利于 该方向上的迁移，由此而产生的 择优迁移形成质量输运的驱动力 和离子电导。
44444444444444443p型半导体低价掺杂空穴导电n型半导体高价掺杂电子导电4444444444444445受主离子空穴施主离子电子pn结的形成空穴电子耗尽层减小导通i耗尽层brillouin区边界第一能带第二能带绝缘体导体和半导体kt价带顶空穴位导带底电子位价带顶i耗尽区耗尽区内建电场e电极接触电势hv场效应管61空位杂质和填隙原子离子晶体中的杂质

光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
(2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
此外，光子晶体还可用于制造各种性能优 良的光通讯器件，如光子晶体激光器。
利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理 想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。
' r

2
c
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
三、光子晶体的应用 --光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤



2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E ）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；


2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数相当于
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的应用－光子晶体光纤 四、光子晶体的发展前景
一、光子晶体简介
光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。 从晶体结构来说，晶体内部的原子是周 期性有序排列的，正是这种周期势场的存 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。
优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。

２ 物理 模型
本文选用水基 Ｆ ｅ Ｏ 磁流体作 为光子 晶体 的基元材料 ， 含一缺 陷层一维纳米磁流体光子 晶体结构 为
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３—１ ０—２ ８
基金项 目： 江西省教育厅科技项 目（ Ｇ Ｉ 』 １ ３ ６ ６ ０ ） ； 江西省研究生创新 专项资金项 目（ Ｙ Ｃ ２ ０ １ ３一￥ ２ ６ ２ ） 作者简介 ： 郝丽丽 （ １ ９ ８ ６一） ， 女， 河北邯郸人 ， 赣南师范学院物理与电子信息学 院 ２ ０ １ ２级硕 士研究生 ， 研究方向 ： 光学． ｔ通讯作者 ： 谢应茂 （ １ ９ ６ ３一） ，男 ， 江西寻乌人 ，赣南 师范学 院物理与 电子信息学院教授 ， 硕士生导 师， 主要从事激光物理 与光电子学研
究， Ｅ—ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｉ ｅ ｙ ｉ ｎ ｇ ｍ ａ ｏ ＠１ ２ ６ ． ｔ ｏ ｍ．
第 ６期
郝 丽丽 ， 谢应 茂
含一 缺 陷层一 维磁 流体 光子 晶体局 域模 磁场 调控 特 陛研 究
２ ３
的透射谱 ， 结 果如 图 ４所示 ． 由图 ４可 得 ： 局域模 波 长最 大 调控 量 为 １ ０ ｎ ｍ， 当折射 率 ｎ ：１ ． ４ ２ ５时光 子 晶体
学、 东北 大学 研究 人员 分别研 究 了基 于磁 流体 渗入 的光 子 晶体 光纤 带 隙效 应 的磁 光 传感 器 和 基 于磁 流 体 的 测量 磁场 的空心光 子 晶 体 光 纤 传 感 器 ｌ ｌ 卜Ｈ ； 深 圳 大 学 研 究 人 员 研 究 了 光 子 晶体 缺 陷模 的 带 宽 与 品 质 因 子¨ ． 但关于 Ｔ ｉ Ｏ 和 纳米 磁流体 作 为基元 材 料 的含一 缺 陷层 一维 纳 米 磁 流体 光 子 晶体 局 域模 磁 场调 控 特 性 的研究 鲜有 报道 ． 本 文研究 含 一缺 陷层 一维 纳米 磁流体 光 子 晶体 局域 模磁 场调 控特 性 ， 对认 识该 结构 的光 子 晶体 以及 应用 开发 此类 光子 晶体 有重 要 的意义 ．

一
，
ｍ，， ａｖＩ ／］
ｃ ｓ ｏ
（ １ ）
ＡＢｃ ＡＢｃ ｃＢＡ Ｂｃ Ａ Ｄ ｃＢ Ｂ Ａ ｃ Ａ
Ｌ ｔ ｉ ａ ｉ ｓｎ ｉ ｈ
式 中 ： 一 ２ ｎｄ ｃ ｓ Ｘ ｉ ｅｎ ， 分别 对应 第 ＪＮ （ — ＝ ， ｏｇ／ ， ｔ ，ｄ ， ￣ｏ ｊ
变化 的关 系 图 。
１ 理 论 模 型
１ 三元 素光 子 晶体 由 Ａ， ｃ三种 材 料交 替 排 列 而成 ， 维 Ｂ，
其结 构如 图 １所示 ， Ｄ为缺 陷 层 ， 据光 在介 质 薄膜 传播 的传 根
输矩 阵方 法 ， 在每种 介 质 中的传 输矩 阵为
Ｍ 一Ｉ 『 ， ∞
第 ２ ２第 １ ０期
２１ ０ ０年 １ ０月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＩＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ Ｇ Ｃ
Ｖ ｏ． １ ２２，Ｎ Ｏ． ０ １ ０ ｃ ．，２ Ｏ ｔ ０１
文 章 编 号 ： １０ —３ ２ ２ １ ）０２ ６ —４ ０ １４ ２ （ ０ ０ １ —４ ５０
三 元 １维 含 缺 陷 层 光 子 晶体 带 隙 结 构
张 玲 ， 梁 良， 周 超
（ 安 建 筑 科 技 大 学 物 理 系 ，西 安 ７０ ５ ） 西 １ ０５
摘
要 ： 利 用 传 输 矩 阵 法 研 究 了 含缺 陷 三 元 １维 光 子 晶 体 的带 隙结 构 ， 通 过 数 值 模 拟 分 析 了光 子 晶 体 并
射波 长随 缺陷 厚度 、 陷层介 质 折射率 变 化满 足正 比关系 等Ⅲ ］ 缺 ７ 。本文 对含 缺 陷对称 分布 的三 元素 １ 光子 晶 维 体 的带隙结 构 做 了进 一 步 的研究 ， 出 了透射 峰波 长 随缺 陷厚 度变 化 的关 系图 ， 通过 数据 拟合 得 到 了透 射波 给 并 长随 缺陷厚 度 变化 的非 线性 函数 关 系 ； 计 算 了该透 射 峰 的半 峰全 宽 （ Ｗ ＨＭ） 给 出 了 Ｆ ＨＭ 随 缺 陷厚 度 并 Ｆ ， Ｗ

H Z y
H y z
E x t
Ex
EZ E y H x
y z
t
H x z
H z x
E y
t
E y
Ex Ez H y
z x
t
H y x
H x x
E z t
Ez
E n1 x
(i
1 2
,
j,
k)
Exn (i
1 2
,
j,
k)
E y Ex H z
x x
t
t
[
n1
Hz 2
(i
1 2
VW
图2.1 二维正方晶格结构的示意图
（1）TM模式 （2）TE模式
[Gx ]
ITM
0
G
,G
'
EG
',
z
1
0
[k
2 G,
y
]
0G.G'
[Gx ]
ITE
[Gx
]
0 G ,G ' z
1 0
[kG,y ]G,G'[k
G
',
y
]
0 G,G'
[Gx ]
15
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
光子晶体的禁带机理及不同结构晶体薄 膜的制备和光学性质 研究
1
主要内容
一、引言 二、理论研究 三、实验制作和分析表征 四、总结
2
一、引言
3
一、引言（1）
1、光子晶体概念； 2、光子晶体基本特征； 3、光子晶体的场方程； 4、光子晶体的能带； 5、光子晶体的研究方法； 6、光子晶体的制作方法和最新进展； 7、光子晶体的应用。 8、本研究的主要内容。

的光场满足 以下波动方程
必 然会得到 新的传输特 性 。 由正 负折 射率材料 交替 的多 层膜 体系 能 加强 光 子隧 道效 应 并存 在 Ｂ ａｇ ｒｇ
收稿 日期：２ ０ －１ｌ ０ ８Ｏ －１ 作者简 介：安丽萍 （９ ５ ） １７ 一 ，女 ，山西平遥人。讲师 。主要研究方 向为光子晶体理论。
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第３ ２卷 第 ２期
燕 山大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｏ Ｙａ ｓ ａ ｉ ｅ ｓ ｙ ｔ
ＶＯ ．３ ．２ １ ２ Ｎｏ Ｍａ ． ２ ０ ｒ ０８
２ ０ 年 ３月 ０８
复合材料 在理 论和实 验上 引起 了广 泛 关注 ［］ １ｏ负 － ５
折 射率材料 具有负 的介 电常数和磁 导率 。 在 ｌ ６ 早 ７ ９
本文 利 用传 输矩 阵法研 究 了 由正折 射率和 负
折 射 率材 料 交替组 成 的一 维光 子 晶体 的能带 结构
年 Ｖ ｓｌ ｏ首先研 究 了这种 负折射率 系数材料 ， ｅｅａ ｇ
对 于正 负折射率材料组成 的一维光子晶体引入普通电介质缺陷层时，其 缺陷模 的个数随着缺陷厚度的增大而增 多，这种特性在滤波器方面有重要 的应用价值。而对于传统光子晶体中引入特异介质缺陷层时 ，随着缺陷厚度
的增 大 ，新 的缺 陷模 并 没 有 出 现 。
关键词 ：光子晶体；传输矩阵；负折射 率材料 ；缺 陷模
中 图分 类 号 ：Ｏ ３ ４１ 文 献标 识码 ：Ａ
０ 引 言
近两年 来， 一种称 为负折射率 系数介质 的人工
平 顶 区 ［１ １２ 负折射率材 料 的一维光 子晶体具有 １］ －ｏ含
３个 反常现象 ，即复频域 的赝模 、实数波 数 的离散

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第２ ４卷第 ２ 期
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ２ １２ ．
重庆工商大学学报（ 然科 学版） 自
Ｊ ｈｎｑ ｇ ｅｈｏＢ ｓ ｅ ｎ Ｎｔ ｃ Ｅ ） ｏｇｉ ｃｎｌ ｕｉ ｓ Ｕ ｉ （ ａＳｉ ｄ Ｃ ｎＴ ｎｓ ｖ
考虑一位于空气 中的有限层体系由介 电层 Ａ和 Ｂ 交替而成的多层膜系统。其光学性质用折射率 和 ｌ 表征 ， ｌ ， 实际厚度分别为 ａ ｂ 晶体周期 ｄ＝ａ＋ ， 和 ， ｂ 周期数为 Ⅳ。 电磁波沿 向从左向右垂直进入 设 方
该系统 ， 该系统最左表面坐标为原点 ， 记为 ， 最右一层的右表面坐标为 。 光波在介质中的传播 由麦克斯
摘
要： 在一维有限光子 晶体 中利用传输矩阵推 导 了其反射和透射 系数 ， 并讨论 了单个缺
陷位置对透射 系数的影响， 发现单个缺 陷在晶体 中不同位置具有相 同的缺 陷模频率， 但其透射 峰具有不 同的高度 ， 同时当缺 陷在 晶体 中心时， 其透射峰最 高。
关键 词 ： 子 晶体 ； 陷 ； 陷模 光 缺 缺 中图分 类号 ：０４ １３ ７ ． 文 献标 识码 ： Ａ
Ｍ
其 ， ， （：二； 中ｃ＝ ｃ，二； ： ， 鱼 ： 。
所 以
即
： －（ Ｘ’ 。） Ｉ ２ （ （ ． ） ／ ＼）（。 。 ／＾ ）一 。 ＼， （＝ ２ （ ） ０ ＼（ （ ， ） ｏ ） ： ／ ）
＼［ ０） ０）］／ ＼ Ｘ１（ｈ 一 一（ ２（．） （ Ｅ ／ ） ｉＢ
性质来作光学延迟性设计［ ， ３ 当缺 陷层具有 Ｋ ｒ非线性时 ， 】 ｅ ｒ 光子晶体具有双稳 、 多稳性质 ； 当缺陷层掺
有二能级原子 ， 则会出现光脉冲的超光速传播现象 。这里是一维有 限光子 晶体 中引入单个缺 陷时 ， 】 其 位置对透射系数以及缺陷模的影响情况。

一
维光 子 晶体掺杂 后其 能带 会 出现缺 陷 模 的现 象 已被人 们 所 关 注 ， 由于缺 陷模 在 制作 激 光 器 ， 带 宽
反射镜 和滤波器 等方 面有 着重要 的应 用 ， 以人们 对 缺 陷模 的结 构 特征 已从 各 个不 同侧 面 进行 了研 究 。 所 但 在这 些 文献 中仅 对一层 掺 杂情 况下 一维 光 子 晶体缺 陷模 的特征作 了研 究 ， 而对 多层 掺 杂情 况下 一维 光
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第２ ５卷 第 ４期
Ｖ Ｉ２ Ｎ ． ０ ＿． ５ ｏ４
重 庆 工商大 学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｈｎｑ ｇ ｅｈｏ Ｂｓ ｅｓ ｎ ． Ｎｔ ｃ Ｅ ） ｏｇｉ ｃｎｌ ｕｉ ｓＵ ｉ （ ａＳｉ ｄ Ｃ ｎＴ ｎ ｖ
第 ４期
刘启 能， 多层掺杂对一维光子晶体缺 陷模 的影响 等：
Ｂ Ａ Ｂ … Ｂ Ｇ Ｂ … Ｂ Ｂ
３５ ５
＿
图 １ 一 维 掺 杂 光 子 晶 体 结构
根据薄膜光学理论 ， 光在每层介质中的传输特性可用一个 ２× ２的特征矩阵表示 ， 对于第． 『 层介质 ， 其
使光在其中传播时某些频率的光波受到抑制， 形成光子的禁带 ； 某些频率的光波能顺利通过 ， 形成光子的 导带。光子晶体 的概念是 １８ ９７年分别 由Ｓ Ｊ ｎ和 Ｅ Ｙ ｂ ｎｖｅ 提出来的， ．ｏ ｈ ． ａｌ ｏｉｈ ｏ ｔ 由于光子晶体在能带和带隙
方 面的特 殊性质 ， 它很快 成为光 学前 沿领 域 中一个 十分 活跃 的研究 课题 。 使
具体结 构 为 ： Ｇ＝Ｃ （ 单掺 杂 ）、Ｇ＝Ｃ Ａ Ｃ （ 掺杂 ）、 （Ｂ） 双 Ｇ＝Ｃ Ａ ） （ Ｂ Ｃ （ （ Ｂ Ｃ Ａ ） 三掺 杂 ） 其 中 ， 质层 Ｃ的折射 率为 ｎ， 度为 ｄ。该 一维 掺 杂光子 晶体 置 于空 气 中 ， 杂 厚 光垂 直人 射 。 （） ２

摘
要 ： 运 用 光 学 传 输 矩 阵理 论 ， 究 了 含 负 折 射 率 材 料 １ 光 子 晶 体 缺 陷模 的偏 振 特 性 。结 果 显 示 ， 研 维
零 均 折射 率 带 隙 中缺 陷 模 对 入 射 角 和 偏 振 有较 强 的依 赖 。通 过 对 缺 陷 层 参 数 的 优 化 设 计 ， 到 了一 系列 的 偏 得 振无 关 非 全 向缺 陷 模 ， 这是 传 统 １维 光 子 晶体 中不 能 出 现 的 。应 用 这 些 缺 陷 模 ， 计 了低 通 、 设 高通 、 通 空 间 滤 带 波器 。与 传 统 光 子 晶 体 空 间 滤 波 器相 比 ， 些 空 间 滤 波 器具 有偏 振 无 关 的优 点 。 这 关 键 词 ： 光 子 晶体 ； 负折 射 率 材 料 ； 偏振 无 关 缺 陷模 ； 空 间 滤 波器
含 负 折 射 率 材 料 １维 光 子 晶 体 的 偏 振 无 关 非 全 向 的缺 陷 模
罗朝 明 ， 唐志祥 ， 曹始明 ， 刘 靖 ， 文双春
（ ．湖 南 大 学 计 算 机 与 通 信 学 院 ，微 纳 光 电 器 件及 应 用 教 育 部 重 点 实验 室 ，长 沙 ４ ０ ８ １ １０２ ２ ．湖 南 理 工 学 院 信 息 与 通 信 工 程学 院 ，湖 南 岳 阳 ４ ４ ０ ） １０ ６
中 图分 类 号 ： Ｏ４ ６ ３ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｐ ２ １ ２ ０ ． ７ ３ ｏ ：０ ３ ８ ／ Ｌ Ｂ ０ ０ ２ ８ １ ２
ห้องสมุดไป่ตู้
在过 去 的十多年 里 ， 由于其独 特 的光学特 性及 其潜 在应 用 价 值 ， 子 晶体 引 起 了人 们 的广 泛关 注 ］ 光 。光 子 晶体是 由不 同 电介 质材料 周期 排列 而成 的 ， 具有 较强 的 时间 和空 间色 散 特性 。利用 光 子 晶体 设计 出了许 多

要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，就必须减少电信 号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元 件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分 惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。
解决方法
假若用光线来代替电子传递信号，则可以让生产百亿Hz（1012 Hz）的 个人电脑成为可能。这种高速的处理器可以用“光子晶体”（quasicrystal） 的物质所产生的光成分实现。这些材料均具有高度的周期性结构，这种周 期性可以用来控制和操纵光波的产生和传播。
有2％的能量被发射出去
光子晶体天线
针对某微波频段可设
计出需要的光子晶体，并 让该光子晶体作为天线的 基片。因为此微波波段落 在光子晶体的禁带中，因 此基底不 会吸收微波，这
就实现了无损耗全反射，
把能量全部发射到空中。
第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功
微波领域中的应用—手机的辐射防护
1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据 实验量得的透射频谱，所对应的三维 能带结构右图所 示：
第一个功败垂成的三维光子晶体
遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之 故， 在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内 的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudo gap)
利用光子晶体可以 抑制某种频率的微波传 播的原理，可以在手机 的天线部位制造维播放 护罩，从而避免对人体 有害的微波辐射直接照 射手机用户的头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一个美好的 前景。
手机的危害
手机是一个小型的、但能量极强的 电磁波发生器，其工作频率890MHz 到965MHz，辐射出的电磁波对人体

Key words： optoelectronics； frequency shift of defect modes； transfer matrix method； material dispersion
引言
光子晶体是由折射率或介电常数周期性变化的 材料，其 概 念 最 早 于 1987 年 分 别 由 YABLONOVITCH 和 JOHN 提出［1-2］。由于材料的周期性从而 出现光子带隙。当周期性结构中引入缺陷时，会在 光子带隙内产生缺陷模，缺陷模的位置、数目和偏振 特性与缺陷的厚度、个数、周期数、折射率及入射角 等有关［3-8］。普通意义上讲，材料的折射率与材料和
Fig . 1 Structure of 1-D photonic crystal （ AB） N C（ BA） N
2 数值计算结果
用传输矩阵法［15］计算该 1 维光子晶体在不同 色散强度下的透射谱。参量的选取参见参考文献 ［9］和参考文献［11］，不考虑色散时，取 εA = 4． 0， εB = 1． 8 和 εC = 3． 0，N = 10，假设所有介质都是非 铁磁介 质。考 虑 色 散 时，色 散 介 质 的 介 电 常 数 按
事实上，作为整体的一部分，无论是缺陷介质还 是高、低折射率介质的色散都有可能对透射谱有影 响，即对缺陷模有一定的影响，并且高、低折射率介 质的色散对缺陷模的影响可能不只使缺陷模发生红 移，也有可能发生蓝移。作者参照参考文献［11］中 的洛伦兹模型和参量选取，用传输矩阵法［15］计算了 不同色散强度下的透射谱，分析了各介质层的色散 对缺陷模的影响，得到了相应的研究结果。
Influence of material dispersion on defect modes of 1-D photonic crystal

科技创新与应用 ｌ ２ ０ １ ３ 年 第 ２ ４ 期
科 技 创 新
光子晶体及其在全光集成中的应用
刘 亚 Байду номын сангаас
（ 西安卫光科技有 限公 司， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ） 摘 要：光子晶体是一种近年被人们广泛研究的新 型结构材料 ，其对光波的有效调控特性使得 全光信息 系统的实现成为 了可 能， 广 阔 的应 用前 景 使 光子 晶体成 为 国际 学术 界 的一 个研 究热 点 。本 文 简要 介 绍 了光 子 晶体 的概 念 以及 基 于光 子 晶体 的器 件在
全 光 集成 系统 中应 用 。 关键 词 ： 光子 晶体 ； 光子 带 隙 ； 全光 集 成
ｏ ｔ ｏ ｍ ｉ 小 组 ，他 们 引领 了二 维 平 板光 子 晶体 相 关 滤 波 器 件 的 发 在过去的半个世纪中 ， 半 导体技术在人们的 日常生活 中已经扮 的 Ｎ 演重 要 的 角色 。 但 是 现 代高 科 技 的飞 速 发展 要求 集 成 电路 微 型 以及 展 潮 流 。光 子 晶体 滤波 器 有 两部 分 组 成 ： 光 子 晶体 波导 和 光 子 晶体 高速化 ， 以电子作为信息载体的局 限性不断的被暴露出来 。与电子 微腔。 高 Ｑ微腔作为选频核心器件 ， 能保证选频 的准确性 ； 同时波导 相 比， 光 子 具 有更 多 的信 息 容 量 、 更 高 的效 率 、 更 快 的响 应 速 度 、 更 和微 腔 之 间要 有高 的耦 合 效 率 ， 才 能 使 滤 波器 具 有 高 的 透过 率 。围 科 学 家们 展 开 了一 系列 的研究 。目前 ， 科 学家 们 利 用 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， 绕 这 两 个 问题 ， 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 异 质结 界 面 作 为 反 馈 方式 已经 实 现 了超 短 间 距 高 密 度 多 通 道 的 光 难 题后 ， 人 们 提 出 了用 光子 作 为信 息 载 体 替 代 电子 的 设想 。这 就 必 子 晶体 滤波 器 。 各 输 出 通道 波 长 间隔 小 于 ５ ｎ ｍ， 品质 因 子几 乎 相 同 ， 须 找 到一 种 能够 像 半导 体 束缚 电子 一样 束 缚 光 子 的材 料 ， 而光 子 晶 输 出效 率几 乎 达 到 １ ０ ０ ％。 体 就 是这 种新 材 料 。 ４光子 晶体负折射偏振分束器 光子 晶体 就 是 由 ２种或 ２种 以上 的 具 有 不 同介 电 函数 的 材 料 最近几年 ， 以负折射为代表的光特殊传播现象引起了人们 的巨 在 空 间周 期 性 排列 而 形成 的一种 人 工设 计 的新 材 料 ， 又 称 为光 子 带 大兴趣 。负折射率材料 ， 是指有效磁导率和电导率都为负数的人工 隙材料。 我们知道在 固体材料中 ， 由于原子核 的周期性势场的作用 ， 材料。光子 晶体是实现负折射的一种可行的方法。负折射在光子 晶 现 在 人们 正 对 光子 晶 电子会形 成能带 的结构 ， 带 与带之间ｆ 如价带与导带之间） 有可能会 体 中 的发 生是 基 于 等频 面 的各 向异性 产 生 的 。 有能隙 ， 称之 为 禁带 。 与 此相 似 ， 当电磁 波 在 介 电 函数周 期 性变 化 的 体 中的 负折 射 现 象 进 行 着 广 泛 的研 究 ，其 中既 包 括 大 量 的 理 论 工 材 料 中传 播 时 ， 由于空 间周 期 性 分 布 的介 电函数 对 电磁 波 的调 制 作 作 ，也 有许 多实 验 方面 的研 究 。近红 外 波 长 的负 折射 已经 在 Ｇ ａ Ａｓ 用， 同样 会产 生 带 隙 ， 又称 为 光子 带 隙（ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ ｂ ａ ｎ ｄ ｇ ａ ｐ ， Ｐ Ｂ Ｇ ） 。 半 导 光子晶体和 ｓ ｉ 基光子晶体 中得到了实验证 明。 目前为止 ， 大多数研 体材料的缺陷和掺杂特性会影响其能带结构。 向高纯度的半导体 晶 究 致 力于 在 二维 周 期 多种 品 格结 构 和 不 同偏 振 情 况 下 实现 负 折 射 。 体 中掺人 少量 杂质 ， 禁 带 中 会 出现 相 应 的缺 陷能 级 和 杂质 能 级 。类 我们利用负折射光子 晶体结构的偏振依赖性可 以在集成光路 中实 似地 ， 可以在光子晶体 中引入缺陷 ， 缺陷的引入同样会在光子带 隙 现 偏 振分 束 。 中 产 生相 应 的缺 陷 态 ， 使 光 子 晶 体 的 能带 结 构 受 到 影 响 ， 从 而 产生 ５ 光子 晶体 光 开关 缺 陷态 和 缺 陷能级 。 迄 今 为止 ， 光 子 晶体 在 理论 、 实验 和应 用 研 究方 光 子 晶体 光开 关 以 光子 晶体 的光 学 非 线性 效 应 为 基 础 ， 实 现对 开” 与“ 关” 状态的控制 ， 是光计算机 的核心部件之一 ， 是 面已经取得了很大的进展 ， 已有 多种基于光子 晶体的全新光子学器 光子传输“ 件 被相 继 提 出并 被广 泛 研 究 。 实现光存贮 、 光调制等光学信息处理功能的重要器件 ， 可以广泛应 ｌ光子 晶 体激 光 器 用 于光通信 、 光计算 、 光传感和光学精密计 量技术等领域 ， 从而将对 研 究 最多 的 用来 实 现 光子 晶体 光 传统 的激光器 由于原子 的自发辐射和热增 宽等 现象 的存在使 光子 技 术 的发 展具 有 深 远 的影 响 。 激 光输 出线宽 的压 窄受 到 限制 。 光子 晶体 的应 用 恰为 这 一 问题 提供 开关的原理主要有两种 ： 利用光子带隙的移动和利用缺 陷态的移动 了解决的方案 。 通过合理的设计使由于 自发辐射和热增宽等产生的 来 实现光子 晶体光开关 ， 其基本物理思想就是 ， 制备光子 晶体结 构 ｅ ｒ ｒ 非 线 性材 料 在 外加 泵 浦光 的作 用下 折 射 率发 生 改 变 ， 从 而 引 光子正好落人光子晶体完全带 隙内， 受到带隙屏蔽的光子无法 向外 的 ｋ 辐射 ， 激光 的输 出线 宽 将被 进 一 步压 窄 。同 时点 缺 陷 所形 成 的高 品 起光子 晶体 的能带和缺陷态 的位置发生移动 ， 使得预先设置落在带 质 因子 （ 高Ｑ ） 谐 振 腔可 以降 低 激 光 器 激 射 的 阈值 功 率 ， 这 意 味 着 以 边或缺陷态处 的探测光的透过率发生明显 的变化 ， 从而实现对信号 更 小 的泵 浦 能量 输 入就 可 以产 生 与 较大 泵 浦输 入 相 同 的效 果 ｌ ｌ １ 。 光的“ 开” 或“ 关” 控制 。 通 过 改变 晶格 常数 、 正 常孑 Ｌ 半径 、 缺 陷孑 Ｌ 半 径 目前最为前沿的光子晶体有源器件 ， 是单量子点光子晶体激光 等结构参数 ， 可以在可见光到红外波段大范围内实现光子晶体光开 器 。它是 指将 量 子 点准 确 无误 的放 置 在 缺 陷微 腔 的 位 置 ， 通过 对 缺 关 。 陷态 的控 制 ， 使 得模 式 局 域在 里 面 ， 再 通 过量 子 点 辐 射 ， 实 现激 光辐 ６ 结 束语 射。 它对于量子信息学和量子调控都有重要的意义 。 光子晶体通过 正如传统半导体技术的发展最终走 向集成化一样， 把这些光子 光 子 与量 子 体 系的 相互 作 用 为量 子 调 控 提供 了一 个平 台 ， 使 我 们 有 元件集成起来形成光子集成 回路成 为光子 晶体研究领域的一大梦 希 望 向实 现 有效 的量 子调 控迈 进 一 步 。 想 。 总之 ， 光 子 晶体 概念 的 出现使 信 息 处 理 技 术 的 “ 全光 子 化 ” 和 光 ２光 子 晶体 光 波导 子 技术 的微 型化 与 集成 化 成 为可 能 ， 它 可 能 在 未来 给 人 类带 来 一 场 光子 晶体 光波 导 与传 统 波 导相 比更 有 优 越性 。 它 不是 依 赖 于全 新 的技 术 革 命 。 反 射 而是 依 靠 带 隙作 用将 电磁 波 局域 在 光 波 导 中 。因 此 ， 光 子 晶体 参 考文 献 光波导可以实现高频电磁波在尖锐拐弯处的低损耗传输 。当在光 ［ １ ｌ Ｒ ． Ｋ ． Ｌ ． ０ ． Ｐ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ， Ａ ． Ｓ ｃ ｈ ｅ ｒ ｅ ｒ ， Ａ ． Ｙ ａ ｒ ｉ ｖ ， Ｊ ． Ｄ ． Ｏ ？ Ｂ ｉ ｆ ｅ ｎ ， Ｐ ． Ｄ ． Ｄ ａ ｐ ｋ ｕ ｓ ， Ｉ ． Ｋ ｉ “ Ｔｗｏ —Ｄｉ ｍｅ ｎｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｐｈ ｏ ｔ ｏ ｎｉ ｃ Ｂａ ｎｄ —Ｇａ ｐ Ｄｅ ￣ｃ ｔ Ｍ ｏ ｄ ｅ Ｌａ ｓ ｅ ｒ ”， ＳＣＩ － 子晶体中引入一个线缺陷时 ， 频率落在缺 陷态 中的光波导呈现很强 ｍ ， 的局域性 ， 因而只能在缺陷处传播。 Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ １ ９ ９ ９ （ ２ ８ ４ ） ： １ ８ １ ９ — １ ８ ２ １ ． 传统的光纤波导 中， 当波 导发生弯 曲的时候 ， 全 反射 条件 不再 ［ ２ １ Ａ ． Ｍ ｅ ｋ ｉ ｓ ， Ｊ ． Ｃ ． Ｃ ｈ ｅ ｎ ， Ｉ ． Ｋ ｕ ｒ ｌ ａ ｎ ｄ ， Ｓ ． Ｆ ａ ｎ ， Ｐ ． Ｒ ． Ｖ ｉ ｌ ｌ ｅ ｎ ｅ ｕ ｖ ｅ ， ａ ｎ ｄ Ｊ ． Ｄ ． Ｊ ｏ ａ ｎ ｎ ｐｏ ｕｌ ｏ ｓ ，“ Ｈｉ ｇ ｈ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏｎ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ Ｓｈ ａ ｒ ｐ Ｂｅ ｎ ｄｓ ｉ ｎ Ｐ ｈｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｅ 有效 ， 会漏掉部分能量 ， 尤其是转 弯角在 ９ ０度 的时候更加 明显 ， 光 ｏ 波损耗非常大 。 光子晶体波导相对于传统介质光波导的一个很大的 Ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ Ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｓ ” ．Ｐ ｈ ｙ ｓ ． Ｒ ｅ ｖ ．Ｌ ｅ