光子晶体的研究与应用

摘要:光子晶体是一种具有光子能带及能隙的新型材料。其特有的性质,使光子晶体具有广阔的应用前景。本文基于固体物理学的基本原理,对光子晶体的理论基础进行了简单介绍,根据其特有结构,对光子晶体的特性做了一定分析,并结合现实需要,综述了光子晶体在光学等方面的应用。

关键词:光子晶体;能带;应用

中图分类号:TP75文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)25-7260-03

Photonic Crystal Research and Application

ZHAO Ke-jie, CUI Dong-meng

(College of Science,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Abstract:Photonic crystal is a new kind of materials with photonic band gap.Their unique feature shave led to a wide range of prospective application. This paper base on the basic principles of solid-state physics,give a simple introduction on the basis theory of Photonic crystals.According to its unique structure,do some analysis to the characteristics of photonic crystals,and combined with the actual needs review the applications in optics and so on.

Key words: photonic crystal;band gap;applications

自20世纪50年代开始,以半导体为代表、具有电子能带结构的微电子材料的发展引发了微电子革命。微电子材料的出现对各领域都产生了革命性的影响,大规模集成电路、计算机、信息高速公路已成为当今社会的重要组成部分,信息产业已成为发展最迅猛的产业。随着集成电路集成度的提高,由于电子的相互作用所造成的一系列技术和物理的限制将不可避免地出现,预计器件的集成度达到0.05μm时,其集成度将达到极限。于是,人们希望用光子代替电子来获取、传播、存储、显示信息。1987年,贝尔通讯研究所Yab lonovitch[1]和美国普林斯顿大学John[2]在研究如何抑制自发辐射和光子局域特性时分别发现并提出了光子晶体(PhotonicCrystal)的概念,从此加速了人们对光子作为信息载体的研究。一般认为,光子晶体是一种折射率(或介电常数)呈现周期性变化、具有一定光子能带结构的人造晶体,更准确地讲是一种折射率(或介电常数)呈现周期性变化、具有一定光子能带结构的人造结构。组成光子晶体的材料可以是无机材料、金属材料或有机高分子材料。由于光子晶体能够控制和操纵光的传播,而光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力、极高的信息容量,因而光子晶体的出现为光子器件和集成光路的实现提供了依据。因此,有关光子晶体的理论研究和实验制作引起了广泛的兴趣,成为了世界范围内的研究热点之一。

1 光子晶体的理论与性质

1.1 光子晶体简介

近代微电子学的产生及其应用是建立在对电流的精确控制的基础上的,而这种控制又是通过硅这样的半导体来实现的。实现这种控制依赖于电子禁带现象。电子禁带是一个电子不能占据的狭窄能量带,它阻止电子穿过半导体。当半导体中的电子充满了禁带以下所有可获得的状态而导带中没有电子时,电流就不能形成,因为所有电子都不能迁移。然而,一旦少量的多余电子获得足够的能量而跃迁到禁带之上,就可以在广阔的能量空间中移动,在电场作用下形成电流,;同样,电子的缺失可以在禁带以下形成带正电的空穴,也可以在电场作用下形成电流。有时,把具有这种现象的材料称之为电子禁带材料或者电子带隙晶体。这一晶体的周期性尺度是电子的德布罗意波长量级。

随着相关领域内理论和技术的不断完善,带隙晶体已经不仅仅局限于电子禁带材料,科学家们通过精心设计的结构制成了光子禁带材料,又称光子带隙晶体,简称光子晶体。这一概念最先是由,Yablonovitch和John在1987年分别独立提出的。光子晶体可以和电子带隙晶体一样,产生所谓禁带现象。这种光子晶体在某一能量范围内不能通过光子或者在晶体内产生的光子不能传输。具体的说,光子晶体是指具有周期性结构的晶体,其周期性尺度具有光波长的数量级,这一材料具有“光半导体”的功能[3-5]。

由于光子晶体对于光的可操控性,以及光子有着电子所没有的优势:速度更快,没有相互作用等,光子晶体被认为是未来的光半导体,对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。光子晶体将在高性能反射镜、波导、光学微腔、光纤等光学及光电器件上显示其显著的优势,同时在隐身材料等国防科技上也将有非常重要的应用前景[6]。

1.2 光子晶体的理论基础

由于光子晶体和半导体晶体某些特性相似,很多用于研究半导体晶体的方法也用于研究光子晶体。

与电子不同的是光子是自旋为1的玻色子,是矢量波,因此,计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下,从麦克斯韦方程出发。从电磁场理论知道,在介电系数E(r)呈空间周期性分布的介质中,频率为X的单色电磁波(光波)的传播,服从麦克斯韦(Maxwell)方程组[7]:

这里,c是真空中的光速。设μ=1(电介质为非磁性介质)并消去H,得到关于电场E的方程:

如果介电常数是周期性变化的,就有:

这里,Rn是任意光学超晶格的晶格矢量。另外,我们可以将介质的介电常数写为两部分之和:

这里,εb是背景(基质)的介电常数,εα(r)是晶格介质(散射体)的介电常数。εb也可以是整个介质的平均介电常数(等效介质的介电常数),而此时的εα(r)则是散射体相对于等效介质的介电常数。于是,我们得到:

这是一个矢量方程,但可以化成标量方程:

而电子的德布罗意波所遵从的方程为:

从方程(9)和(10)比较可以看出,光波所遵从的方程与电子的德布罗意波所遵从的方程相似。它们的系数对应关系如下:

如果Rn为波长的量级,则光子在此介质中运动,将形成能带结构。若光子频率落在禁带内,则此光子不会通过介质,而全部被反射掉。

1.3 光子晶体的特性

1.3.1 光子禁带

光子晶体的最根本特征是具有光子禁带,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。我们知道,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,而它自发辐射的光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,自发辐射也就被抑制。反过来,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实现。如在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可以实现自发辐射的增强。

1.3.2 光子局域

如同在半导体材料中引入缺陷后电子、空穴能被缺陷俘获一样,如果在光子晶体中引入某种杂质或缺陷,就会在光子禁带内形成新的电磁波模式,与缺陷态频率吻合的光子就会被局限于缺陷位置,一旦其偏离缺陷位置,光将迅速衰减,这一特性称为光子局域。理想的光子局域化材料对于其深部的光来说是陷阱,而对于其外部的光则是一个完善的反射体,因此具有重要的应用价值。如果被引入的缺陷是点缺陷,则相当于引入了微腔,处于该缺陷的光子就会被限制在微腔内而不能向任何一个方向传播;如果被引入的缺陷是线缺陷,与其频率相符的光子被局域在线缺陷位置而只能沿线缺陷方向传播,这就相当于引入了一个光波导。如果线缺陷有90°拐弯,那么光子在传播中将跟着拐弯,如果线缺陷是Y形,那么光子在传播中就会被分成2路传播。据此可以设计制作无损耗传输的任意角度弯曲的光子晶体波导。总之,通过调节缺陷的结构、大小就能够控制缺陷能级在光子带隙中的位置,实现光子局域[8]。

1.3.3 其他性质[9]

光子晶体的本质是光的多重散射,这种散射是由空间亚波长折射率周期性变化以及几何结构和光子性质之间的相互作用而引起的,具有强烈的分散性和各向异性。在光子带隙附近,尽管有周期性点阵的强散射,但Bloch光子类似于自由电子,光子的传播符合Snell定律,从而会产生一些异常的光子传播行为,总称为超光子效应。例如玻璃棱镜可将可见光色散成连续光谱,但是在频谱内分散角不超过10°,色散在波长差的10%以内,仅0.1°。但是当光子晶体表面的入射角变化±0.7°时,光的传播角变化可达±70°,从而产生超棱镜效应。这意味着若用光子晶体作为棱镜使用,可以把频谱分得更细;若作为透镜,可以将透镜做得很薄也能获得广角成像。此外,光子晶体还有超校直效应、负折射率、复折射效应等。

2 光子晶体的应用

目前,真正的光子晶体还很少,广泛应用还为时过早。但是,由于光子晶体的奇异特性,人们对它的应用和潜在的应用前景还是寄予极大的期望。

2.1 光子晶体反射镜

在光子晶体中,频率落在光子带隙内的电磁波不能在其中传播,这意味着这些电磁波入射到光子晶体时将被全部反射。因此,如果用光子晶体来制造天线,就能大大提高天线的发射效率,并能解决基底吸收电磁波带来的发热问题。现在,已经研究用光子晶体制作新型平面天线,如小型偶极平面微波发射天线,它可将几乎100%的电磁波被发射到空间。这些研究为将天线做进集成电路创造了条件。

2.2 新型光波导

利用禁带内光子不能在晶体内传播的性质可以制成光子晶体光波导,传统的光纤主要利用电磁波在介质交界处的全反射机制,在光纤转弯的地方出现一个很大的问题:当波导的曲率大于一定值时,会出现很大的能量损失,只有当转角的曲率半径远大于光波波长时,才能避免过多的能量损失。而当在光子晶体中引入一线缺陷的时候,如果线缺陷的频率落在光子带隙中,就会在其中引入一个/光通道:光波导,当线缺陷为直线时,光波导也是直的,当线缺陷成一定角度时,光波导也成一定的角度。利用这一性能设计的光波导能极大地减少光纤传输中能量的损失。

2.3 光子晶体激光器

现在的激光器由于有自发辐射的存在,激光出射方向总是和自发辐射方向成一定角度。因此,只有驱动电流达到一定阈值时才能产生激光。如果在激光器中引入一带缺陷的光子晶体,使缺陷态形成的光波导与出射方向相同,且缺陷态的能量与自发辐射的能量相吻合,这样,自发辐射的能量就能几乎全部用来发射激光,从而大大降低激光器的阈值。Painter在二维光子晶体中引入点缺陷,形成光能量阱,实现了受光线驱动的光子晶体激光器。Zhou等将带有缺陷的二维光子晶体放在镜面上,使光线只能沿缺陷态传出,虽然这种晶体激光器阈值为300μA,但为以后的研究提供了借鉴。Richard等的研究把光子晶体激光器的阈值降到了50μA。科学家的最终目标是研制零阈值激光器。与此类似,如果在发光二极管的发光中心放置一块带缺陷的光子晶体,使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率相重合,自发辐射只能沿特定通道传播,如此可提高发光效率90%以上,而现在的发光二极管其发光效率只有3%～30%[10-11]。

2.4 其他应用

光子晶体的应用远远不止以上几项,在光开关、光放大、滤波器、偏振器、光子晶体微谐振腔等方面也有广阔的应用前景,而制成光子器件实现集成光路后,光子晶体的应用前景将不可估量。

3 结束语

光子晶体由于其特殊的周期性结构能够控制和操纵光的传播,因此与传统电子带隙晶体相比具有许多优势,目前对它的研究才刚刚开始,无论在理论和实践上,其研究深度和广度还远远不能和半导体材料相比。但是,综合国内外现有的研究成果,我们有理由相信,光子晶体未来在光学器件、非线性介电材料等许多领域都有着光明的应用前景。随着光电子产业的迅猛发展,特别是对于光子晶体研究的不断深入,必将对21世纪的技术发展和产业革命起到巨大的推动作用。

参考文献:

[1] Yablonovitch E.Inhibited Spontaneous Emission inSolid-State Physics and Electronic[J].Physical Re-view Letters,1987,58:2 059.

[2] JohnS.Strong localization of photons in lertain disorder eddielectric superlattices[J].Phys Rev Lett,1987,58:2486-2488.

[3] Yablonovitch E,Gmitter T J,Leung K M.PhotonicBand Structure:The Face-Centered-Cubic Case Em-ploying Nonspherical Atoms[J].Physical Review Letters,1991,67,2 295.

[4] Kuzmiak V,Maradudin A A.Localized DefectModes in a Two-Dimensional Triangular PhotonicCrystal[J].Physical Review B,1998,57:15 242.

[5] Petrov E P,Bogomolov V N,Kalosha I I,et al.Spontaneous Emission of Organic Molecules Embed-ded in a Photonic Crystal[J].Physical Review Let-ters,1998,81:77.

[6] Yablonovitch E,Gmitter T J,Meade R D,et al.Physical Donor and Acceptor Modes in PhotonicBand-Structure[J].Physical Review Letters,1991,67:3 380.

[7] KazuakiS.Opticalpropertiesofphotoniccrystals[M].Ber2lin:SpringerPress,2001:125-128.

[8] JoannopoulosJD,MeadeRD,WinnJN.Photonic crystals:molding the flow of light[M].PrincetonNJ:Princet on University Press,1995:3-5.

[9] 万钧,张淳,王灵俊,资剑.光子晶体及其应用[J].物理,1999,(7).

[10] 李启成.新型光波导材料-光子晶体光纤[J].现代物理知识,2005,1.

[11] 张宁,纪越峰.光子晶体及其在光通信中的应用研究[J].光通信技术,2004,(7).