1、光子晶體的應用與研究IsSN1009-3044CompurKnowledgeandTechnology電月而知識與技術Vo1.7,No.22.August2011.光子晶體的應用與研究陸清茹（東南大學成賢學院，江蘇南京210000）Email:kfyj.ellTel:+8655156909635690964摘要:光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBandGap簡稱為PBG）g性的人造周期性電介質結構.有時也稱為PBG光子晶體結構該文系統的闡述了光子晶體的產生，制備及應用.關鍵詞：光子晶體;光子頻率禁帶；激光全息：中圖分類號:TN364文獻標識碼:A光子晶體激光器：微波天線文章編號：10

2、093044（2011）22-546802進入2O世紀后半葉以來，全球迎來了電子時代，電子器件被極其廣泛的應用于工作和生活的各個領域，尤其是促進了計算機和通訊行業的發展.但是進入21世紀以后，伴隨著電子器仲不斷深入的小型化，低耗能,高速度，其進一步的提升也越來越困難.人們感到了電子器件發展的瓶頸，開始把目光轉向了光子，有人提出了使用光子代替電子作為新一代信息載體的設想.電子器件的基礎是電子在半導體中的運動，類似的，光子器件的基礎是光子在光子晶體中的運動光子的性質決定了光子器件的主要特點是能量損耗小，運行速度快，所以工作效率高.光子器件在高效率發光二極管，光子開關，光波導器件，光濾波器等方面都具

3、備巨大的應用潛力.近年來，光子晶體相關的理論研究，實驗科學以及實際應用都已經得到了迅速的發展，光子晶體領域已經成為現在世界范圍的研究熱點.1999年12月17日，科學雜志就已經把光子晶體的研究列為全球十大科學進展之一.1光子晶體的由來1987年S.John和E.Yablonovitch等人分別提出了光子晶體的概念：光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBandGap,簡稱為PBG）特性的人造周期性電介質結構，有時也稱為PBG光子晶體結構.它是根據電子學上的概念類比得出的.我們知道，在固體物理學的研究中，晶體中的呈周期性排列的原子產生的周期性電勢場會對其中電子有特殊的約束作用.在介電常數周期

4、性分布的介質中的電磁波的一些頻率是被禁止的，光子晶體也類似.通常這些被禁止的頻率區間為光子帶隙，也叫光子頻率禁帶，而將具有“光子頻率禁帶”的材料稱作為光子晶體2光子晶體的分類與結構我們可以根據光子晶體的結構進行分類根據其能隙空間分布的不同，我們把光子晶體分為一維光子晶體，二維光子晶體，三維光子晶體.3光子晶體的制造光子晶體在自然界中幾乎不存在，它是一種人造做結構，具制備工藝主要有以下幾種：3.1 機械加工法機械加工法又叫精密機械加工法.這種加工法是存光子晶體的早期研究中發展起來的方法.機械加工法通過在集體材料上進行機械接卸鉆孑L,利用空氣介質和集體材料的折射率差束獲得光子晶體，這種方法可以用于

5、制備制作起來比較容易的品格常熟在厘米至毫米量級的微波波段光子晶體.3.2 半導體微制造法半導體制備技術中的“激光刻蝕"，"反應離子束刻蝕","電子束刻蝕"以及"化學汽相淀積”等能夠應用于面心立方結構的光子晶體的制備.這類制備方法的優點在于可以利用現有半導體產業的技術和設備，并且用這種方法制備的光子晶體具有較寬的禁帶，在集成光電子元件的應用方面有很大的潛力.但是這類制備方法的二藝太過復雜，而且成本過高，并且在向光子晶體中引入缺陷和制備更短波長的光子晶體等方面存在不足.3.3 膠體自組織法分散的聚苯乙烯乳膠球能自發的在水中排列成面心立方和

6、體心立方等有序結構,這種膠體體系被人們稱為膠體晶體.目前制備交替晶體的多為二氧化硅小球體系或者聚苯乙烯球.這種方法制備的光子晶體的折射率比值不會太大.蛋白石光子晶體的折射率比值比較小，這也就決定了此種膠體光子晶體的光子禁帶較窄，它們是非完全光子帶隙晶體.為解決膠體晶體的低介電常數配比問題,人們又發展了模板法.模板法和膠體法可以用于制備可見光和近紅外波段的i維光子晶體.它們的缺點是不易引入人們想要的缺陷，以及制得的光子晶體機械強度較低，尺寸較小等.3.4 激光微制造法有一種相對比較簡單的制備光子晶體的方法叫做激光微制造法.其原理是,光線能通過透鏡產生匯聚，從而在焦點處可以產生收稿日期:20110

7、623作者簡介：陸清茹，碩士，現就職于東南大學成賢學院.5468計算機工程應用技術廣本欄目責任編輯：梁書第7卷第22期（2011年8月）CompurKnowledgeandTechnology電腦知識與技術很高的溫度.如果將緊密聚焦后的激光束直接照射存透明材料上，只要光強足夠大則材料內部的亞微觀尺寸區得光學性質會被改變光學改性區取決于激）匕束的聚焦情況，如果使用配有高數值孔徑的顯微鏡對激光束聚焦，則所得的光學改性區的尺寸有可能達到進行為制造的激比波長量級3.5 激光全息制造法激光傘息制造法的原理是：兩束或多束相關光線在相重疊匯聚處能產生在空間上呈周期性變化的罔案，然后再通過光與物質的相互作用，

8、就能形成介質折射率在空間:呈周期性變化的結構.因為存光強比較高的地方，液態樹脂會發生固化，而其他地方還是液態，所以該電磁波場強的圖案能被轉印到樹脂材料中，進而得到需要的光子晶體結構.3.6 雙光子聚合法雙光子聚合是近些年來發展起來的一種新型光聚合技術，它要求材料中能引發光聚合的活性成分能在同時吸收兩個光子，產生一種活性物質，進而引發聚合反應.雙光子聚合技術是點聚合，能通過計算機輔助設計進行立體結構加工，所以加工精密度要比普通光聚合更高.4光子晶體的應用發展4.1 光子晶體激光器傳統光學器件尺寸的縮小已經接近物理極限，光子晶體為突破這一瓶頸限制帶來了曙光，可望滿足元器件不斷微型化的需要.另外從理

9、論性上看，光子晶體激光器的起振閾值可以為零.因此光子晶體激光器的研究受到了廣泛重視，日本，美國彳惠國，韓國，英國，瑞士，法國等國的研究者都已研制出光子晶體激光器裝置.但由于其制作工藝復雜目前國內在這方面的研究基本上還是空白狀態.從作原理上看.光子晶體激光器可以分為兩類，一類基于缺陷態光子晶體的特性另一類基于光子晶體的理想反射特性.從工作特點上看，光子晶體激光器可分為半導體光子晶體激光器，光子晶體光線激光器,光子晶體激光二極管，有機聚合物光子晶體激光器.從結構特點看.已研制出的有光子晶體帶間缺陷模激光器，表面發射型光子晶體激光器，脊形波導光子晶體激光器，六角波導環形諧振腔光子晶體激光器，光子晶體

10、分布反饋式激光器，垂直腔面發射光子晶體激光器，光子晶體帶邊激光器等.4.2 光子晶體光纖光子晶體纖維其實就是在二維光子晶體的長度方向上制造一定的缺陷，從而使其能夠成光的導體的波導.光子纖維光線最重要的特點是無休止單模特性和其奇異的色散特性.4.3 光子晶體在為微波中的應用一微波天線這里主要介紹一種在做波領域巾的平面二維光子晶體.這種光子品體可能實現相位可控的金屬一介質反射表面，岡而可能實現具有高表面阻抗的電磁波反射表面，也就是說，可能實現電磁波的同相位反射.這樣的光子晶體，將會在天線，通訊，尤其是手機通訊中，有非常誘人的應用前景.4.4 光子晶體發光二級管眾所周知傳統的發光二極管在光通信領域中

11、起著關鍵性的作用.一般的傳統發光二極管的發光中心發出的光要經過包圍它的介質的無數次反射.其中大部分的光不能有效地耦合出去，從而使傳統的發光二極管的光輻射效率很低.如果把一塊特質的光子晶體放在發光二極管的發光中心，并設計成該發光中心的自發輻射頻率與其中間的光子晶體的光子頻率禁帶相重合，則發光二極管的發光中心發出的光就不會進入包圍它的光子晶體中，而是沿著特定的設計方向相外輻射，這樣就能極大地提高發光二極管的效率.5結束語如前文所述，光子晶體雖然只發展了短短二十幾年，但是因為其廣闊前景，已經引起了全世界學術界的廣泛重視.很多科研工作者在光子晶體的理論研究，實驗以及具體應用上都進行了大量的工作.當前光

12、子晶體的波長范圍已經發展到了紅外光甚至可見光的波段，但是如果想在此波段范圍內制造完全帶隙的維光子晶體還存在著一定的困難，目前最大的制約還是在適宜的材料和加工工藝上.岡此，人們發明了了雙光子聚合技術和激光全息光科技書，這兩種技術結合了高分子化學和激光光學的全新手段.是交叉性，邊緣性的前沿研究領域.目前在加=_|_=工藝方面，人們可以采用激光全息技術來制備j維光子晶體，甚至也能通過計算機輔助設計來給光子晶體加人我們想要的缺陷.但是在先進技術不斷革新的同時，我們對材料也不斷提出了更高的要求.我們希望材料聚合后的折射率應較大，因為折射率相差越大，光子晶體產生的能隙寬度才會越大現在，人們使用以上技術制造

13、出的聚合物微結構作為模板，再結合其他高折射率的材料，例如使用硅，錯等進行填充，再通過煨燒,化學腐蝕等方法出去模板，進而制備出具有更高設置指數的光子晶體.光子晶體優良的特性及其在光電子領域巨大的應用潛力，必將推動光通信技術的飛速發展.目前光子晶體正處于深入研究和應用推廣階段，許多美好設想即將成為現實，國內外的科學家們將在該領域進行大量的研究工作參考文獻：1ZhouWd,RennonS,BabaT,eta1.Electricallyinjectedsingledefectphotonicbandgapsurface-emittinglaseratroomtemperatureJ.Electron.Lett,2000,36(181:l541l542.2MoosburgterJ,KampM,KlopfF,eta1.Semiconductorlaserswith2-Dphotoniccry