光电材料之光子晶体的概述
我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。但是电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。这是由电子的特性所决定的，人们感到了电子产业的发展极限，科学家们把目光从电子转向了光子，提出了用光子作为信息裁体代替电子的设想。 1、光子晶体简介
1987年，S.John和 Yablonovitch发现介电常数呈周期性变化的结构会使材料中光子模的性质发生变化，从而提出了\光子晶体\的概念。
一般将光子晶体分为一维（1D）、二维（2D）、三维（3D）三种。简单描述如下：
（1）1D：由两种介质交替层叠而成，在垂直于介质片的方向上介电常数周期性分布，而在平行介质片平面方向上介电常数均匀分布。
（2）2D：由一些介质柱平行而均匀地排列而成。该结构的横向（垂直于介质柱）介电常数在空间周期性排列，纵向的介电常数均匀分布。横截面排列的周期性不同，获得的光子频率禁带宽窄也不同。
（3）3D：由许多类似晶格的单位体构成的空间周期性结构。
2、光子晶体的基本特征
光子晶体的基本特性为光子禁带，频率落在带隙内的电磁波被禁止传播，自发辐射和零点震荡都会被抑制。光子隙分为完全隙和不完全隙：完全隙是指在整个空间的所有传播方向上被禁止，且每个方向上的隙能相互重叠；不完全隙，相应于空间的各个方向上隙并不完全重叠，或只在特定的方向上存在隙。 光子晶体的另一个重要特性是\光子局域态\的存在。在光子晶体中引入杂质或缺陷，将在光子带隙中产生相应的缺陷能级，在带隙中将出现局域态。这种缺陷模形成的局域态给光学领域带来了全新的应用。局域态的出现与引入缺陷的位置和数量有很大关系。另外，缺陷态频率处的电磁波模式态密度非常大，与完整的光子晶体相比，十几个周期的一维参杂光子晶体中的局域光强可提高100倍的数量级。 3、光子晶体的研究方法
比较常用的光子晶体的理论研究方法主要有平面波展开法、有限时域差分法、转移矩阵法、多重散射法、紧束缚近似法等。本文主要介绍平面波展开法和时域有限差分法。
（1）平面波展开法是光子晶体能带计算中应用最早和最多的理论计算方法。它的基本原理是应用布洛赫定理，将空间呈周期性变化的介电常数依据傅里叶变换展开成一系列平面波的叠加，进而将麦克斯韦方程组转换成为一个本征方程，求解该方程的特征函数和特征值，这样就可以得到光子晶体的能带。这种方
法具有思路比较清晰、程序易于实现等优点；但是，由于计算的工作量正比于所用的平面波的数目的立方，所以，如果涉及到了较为复杂结构（如：三维光子晶体、含有缺陷的光子晶体）的能带计算，将会导致计算工作量很大。
（2）时域有限差分法是一种在时域计算电磁场传输和分布的数值计算方法。该方法是将麦克斯韦方程组在连续的空间和时间上进行离散化，从而将其转化为差分方程组，按照时间步推进来计算空间内的变化规律，模拟电磁场的传播。时域有限差分法已广泛应用于电磁波与物质相互作用、热辐射等领域。在光子晶体的计算中，主要用于模拟光子晶体中光场的动态分布，光子局域态的变化，光子晶体波导中的光场传输特性。时域有限差分法的精度较高，可以得到时域解和频域解，且简单直观；但是不足的是，该方法的计算量较大，需要大量的存储空间，如果光子晶体的结构较为复杂，会使得计算时间很长。 4、光子晶体的应用
由于光子晶体具有一种全新的控制光传播的能力，基于光子晶体的独特性质可以制作出各种高性能的光学器件，应用前景非常广泛。
（1）光子晶体光纤
光子晶体光纤，可实现长距离的光信号传输。光子晶体光纤通常是由空气孔按照不同的形式排列而成的，空气孔的尺寸与波长是同一数量级。根据光子晶体光纤的导光原理的不同可以将其
分为两类：一类是利用全内反射效应的折射率引导型光子晶体光纤，一类是利用光子禁带的特性导光的光子禁带光纤。 传统的光纤基于全内反射的原理使光波只能在纤芯中传播，它是由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。但是传统的光纤可传播的光波频率比较单一，而且光纤在弯曲的部分损耗较大。若我们在完整的光子晶体中引入线缺陷，则可制得光子晶体光纤，频率对应在光子禁带中的光可限制在缺陷中沿着缺陷传播。而且，由于光子禁带的独特性质，即使纤芯的折射率低于包层的平均折射率，都可以形成空心光子晶体光纤。与传统的光纤相比，光子晶体光纤具有很多优越的特性，如独特的色散特性、无截止单模、高双折射率等。因此，光子晶体光纤在光通讯、传感及非线性光学等领域将具有很重要的应用价值。 （2）光子晶体波导
传统的介质波导是通过全反射来实现对光波传导的控制，但存在的一个很大的问题是光波在拐弯处的能量损耗较大，而且严重限制了光路的集成。而基于光子晶体的光波导则解决了这个问题。通过在光子晶体中引入单个线缺陷便可以形成光子晶体线缺陷波导。相比于传统的介质波导，光子晶体波导是通过光子禁带来控制光波的传导的，频率位于缺陷上的光波会被严格限制在波导中传播。因此，光子晶体可以实现在传统介质光波导中不可能实现九十度垂直弯转。由此可以得出结论，光子晶体光波导在具有全新的控制电磁波传输的机理的同时，还大大的避免了传统的
介质光波导在大拐弯处具有较大的能量损耗的缺点。所以光子晶体波导可实现大角度甚至是Z字型的转弯，可调节平滑度等，可用于设计光功分器，Y分支器，光开关等。 （3）光子晶体微谐振腔
光子晶体微谐振腔是光子集成回路中重要的组成部件之一。它是通过在完整的光子晶体中引入单个或者多个点缺陷，则在光子禁带中便会出现相应的缺陷态。光子晶体微谐振腔不但体积超微、损耗低，而且品质因子高，比传统微腔要优异的多。光子晶体微谐振腔的制作方式有法布里-玻罗腔和谐振腔两种。前者是用两个光子晶体反射镜构成的，后者则是利用缺陷态的两个特性即谐振特性和光子局域制作而成。 5、总结
随着在理论和实验上对光子晶体的不断深入的研究，基于光子晶体设计的器件已经取得了很大的研究成果。光子晶体的独特的控制光传输的特性将在未来的以光为信息传输和处理载体的集成器件设计中发挥重要的作用。
光电材料之光子晶体的概述-最新文档
