第 39 卷
第 12 期
激光与红外 LA SER & I NFRARED
V o. l 39 , No . 12 D ece mber , 2009
2009 年 12 月
文章编号 : 1001 5078( 2009) 12 1257 06
综述与评论
光子晶体的研究进展
艾桃桃
( 陕西理工学院材料科学与工程学院 , 陕西 汉中 723003 )
图 1 采用全息光刻技术制备的三维有机光子晶体
[ 15]
沉积法、 倾斜沉积法和垂直提拉法。垂直沉积法和 倾斜沉积 法得到 的蛋白 石薄 膜具 有一 致取向 , 其 ( 111)面平行于衬底。通过改 变溶液浓度、 胶体球 的粒径、 蒸发速度和提拉速度等, 可控制薄膜厚度。 另外, 采用多次提拉亦可获得多层由不同粒径胶体 球组成的蛋白石异质结结构。但是, 由于溶剂蒸发 的速率不能显著低于球体自沉降的速率, 该方法对 Si O 2 球而言, 粒径要小于 500 nm。 V lasov 等
能带结构, 其带隙称为光子带隙 ( photonic band gap , PBG ) 。具有 PBG 的周 期性电 介质结 构即为 光子 晶体。 光子晶体概念吸引了众多科学家的兴趣。 1999 年 , 国际科学委员会将光子晶体列为本年度世界十 大焦点研究领域。英国于 2002年投入 1250 万英镑 开展 超快光子学合作计划 !。欧共体信息社会技
[ 5]
有负折射率材料的界面时, 光波的折射与常规折射 相反 , 入射波和折射波处在法线的同侧。 2003 年麻 省理工学院的 Cubukcu和 Pari m i分别阐述了电磁波 在二维光子晶体中的负折射效应 。负折射介质 最引人注目的是它们能够放大逝波 , 从而实现 超 透镜效应 !, 可极大地提高透镜成像的分辨率。 ( 4)抑制自发辐射 ( Purce ll效应 ) 20 世纪 80 年代前, 人们认为自发辐射难以人为控制, 直到光子 晶体的概念被提出后。将自发辐射原子放在光子晶 体中 , 而其自发辐射频率刚好落在带隙中, 因带隙中 该频率之态密度 ( ) 为零, 自发辐 射几率也便为 零, 由此抑制了自发辐射。反之, 若光子晶体中加入 杂质 , 光子带隙中便会出现品质因子高的缺陷态 , 具 有高态密度, 可增强自发辐射。将该现象称为 Pur cell效应。 3 光子晶体的制备方法 光子晶体的实验制备远要滞后于理论研究。人 工制作光子晶体的主要问题在于如何构成周期性的 复杂结构。经过多年努力, 光子晶体的制备已从微 波波段推进到可见光波段。其制备技术总体分为两 类: 自上而下的精密加工法和自下而上的自组装法。
[ 7] [ 6]
。
Am es实验室 的研 究 人员 提 出了 层与 层 堆垛 , 可 避免 打孔。他们 最 初用 A l2O 3 介质棒构建层与层堆垛结构 , 相邻两层 A l2 O3 棒方向垂直, 第三 层 A l2 O3 棒 相对于第 一层 A l2 O3 棒移动半个棒间距, 如此重复排列, 以四层构成一个 单元。该方法的缺点是需要将 A l2 O3 棒黏结 , 费时 费力。 L in 等
Progress in the study of photonic crystals
A I T ao tao
( D epartm ent o fM ater ials Sc ience and Eng inee ring , Shaanx iU n ive rsity o f T echno logy , H anzhong 723003, Ch ina) A bstrac t : Photonic cry sta ls are ma teria ls w ith regular periodicity of d ie lectr ic structures, wh ich can create a range o f forb idden frequenc ies called pho ton ic bandgap. Photons w ith energ ies ly ing in the bandgap canno t propaga te through the m ed ium. M o reover , photon ic crystals have the ab ility to m an ipu la te , confine and contro l light , thus prov ide the op portun ities to shape andm ould the flow o f light for photon ic comm un ication technology and pho ton ic co m puter . In pres ent , the preparation of pho ton ic c rysta ls, espec ia lly those in visib le or near infrared reg ion, is the key to the develop m ent of photonic c rysta ls. In th is paper , the conception and charac teristics of photonic crysta l are descr ibed at first , and then the research in experi m ent and applica tion are in troduced respec tive ly . In exper i m ent research, fabrication m ethod o f photon ic cry sta ls is dep icted. In applica tion, sing le m ode light em itting diode , optical w avegu ide dev ice and m icro w ave antenna are described . K ey word s : photonic crystals ; pho ton ic band gap; preparation techn ic
[ 2] [ 3]
。
( 2)光子局域 John 于 1987 年提出: 在一种 经过精心设计的有序排列的介电材料组成的结构中 引入无序态后 , 光子将呈现强的安德森 ( Anderson) 局域。如果在光子晶体中引入某种缺陷 , 和缺陷态 频率吻合的光子便有可能被局域在缺陷位置 , 一 旦偏离该位置将迅速衰减。当光子晶体理想无缺陷 时, 不存在光的缺陷模式。但是, 一旦晶体原有的对 称性被破坏, 在光子晶体的带隙中央就可能出现频 率极窄的缺陷态。 ( 3) 负折射效应 提出
1 引 言 [ 1] 1987 年, Yab lo novitch 在讨论如何抑制自发辐 [ 2] 射和 John 在讨论光子局域时各自独立地 提出了 光子晶体 ( Photonic Crystals) 的概念。他们讨论的共 同实质是周期性电介质结构材料中光传播的影响问 题。根据固体电子能带理论, 晶体内部原子呈周期 性排列, 库仑场的叠加产生周期性势场 , 当电子运动 时受到周期性势场的布拉格散射而形成能带结构, 带与带之间有带隙, 称为禁带。能量落在禁带中的 电子波不能传播。与此相仿, 当电磁波在周期性电 介质结构材料中传播时, 由于受到调制而形成光子
[ 12] [ 10- 11]
、 李永平
[ 5]
领导的课题 组亦相继投入研 究。
不足之处是国内主要集中在理论研究方面, 较少涉 及制备与应用方面的研究。 2 光子晶体特性 ( 1)光子带隙 光子禁带 ( 带隙 )
[ 1]
光子晶体最基本的特征即具有 。落在禁带中的电磁波禁止传
播。光子带隙依赖于光子晶体的结构和介电常数的 配比 , 比例愈大愈易出现带隙。光子晶体结构对称 性愈差, 其能带简并度愈低, 愈易出现光子禁带
[ 8 - 9]
。
激 光与 红 外
No . 12
2009
艾桃桃
光子晶体的研究进展
1259
于在离心力作用下胶体微球被强制快速沉积 , 每个 颗粒所在的位置不一定就是位能最小处, 因而材料 的生长取向难以控制。 毛细管力诱导有序化法可以大大减少蛋白石中 的固有缺陷 , 得到大面积的高品质单晶态蛋白石膜。 目前, 毛细力诱导有序化法已衍生出三种方法 : 垂直
[ 4]
3 . 1 精密加工方法 3 . 1 . 1 机械钻孔方法 微波波段的光子晶体由于其晶格常数在厘米至 毫米级 , 制 作较容易 , 用机械 方法便可 实现。 1989 年 , Y ablonov itch 用钻孔的方法获得由 8000 个球形 空气原子 !组成的面心立方结构 , 当 空气原子 !的 间距为 12. 7 mm, 占空比为 86% , 基底折射率为 3 . 5 时 , 观察到了光子带隙。之后, Y ablonov itch 等改进 了钻孔方法 , 用活性离子束依次从三个相差 120∀ 的 方向穿孔, 得到近椭球圆柱形的 空气原子 !所构成 的 fcc空间阵列结构 , 从而打破了对称性造成的能 级简并 , 并制造出第一块具有完全光子带隙的三维 光子晶体, 称为 Y ablonov itch结构 3 . 1 . 2 逐层叠加法 ( L ayer by layer) 法
摘
要 : 光子晶体是一种具有光子源自隙的周期性电介质结构 , 落在光子带隙中的光不能传播。
由于其独特的调节光子传播状态的功能, 成为实现光通讯和光子计算机的基础。 光子晶体的 制备是发展光子晶体的关键 , 而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。 本文阐述了 光子晶体的概念及其特性后 , 分别介绍了光子晶体的实验研究和应用研究 。实验研究重点介 绍了光子晶体的制备方法 。 应用研究重点介绍 了单模发光二极管光 、 光波 导器件和微波天 线等。 关键词 : 光子晶体 ; 光子带隙 ; 制备技术 中图分类号 : O73 文献标识码: A