Photonic crystals vs semiconductors
Electronic
Photonic
2 2
V (r ) (r )
E (r )
1 (r )
H
(r )
w
2
H
(r )
E ~ k2
Sc
alar
(r )
E~k
Vector E, H
Fermion, s =1/2
Boson, s =1
a = 515 nm r = 180 nm
Active region: InGaAsP
O.Painter et al., Science 284, 1819 (1999).
光限制器、光开关
n1
n2
透 射 率
光子带隙
M. Scalora et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1368 (1994).
Inverse Doppler effect
反常折射现象
一维光子晶体
二维光子晶体
二维光子晶体
三维微波光子晶体
Lincoln Log-like structure
Smallest three-dimensional photonic crystal yet fabricated excludes light in the wavelength range around 1.5 mm.
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90 500
1000
1500
2000
2500
3000
Wavenumber(cm-1)
可见光透射光谱
Transmission
0.5
0.4
黄
色
0.3
带
红 色
0.2
带
0.1
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
我们能否控制光子的流动？
电子能带
单原子势场
原子势场的周期排列
能级
E
k 能带
Electronic band structures
Si
Eg
Eg
Ge
L [111] G [100] X L [111] G [100] X
传统的操控光的流动
全反射
qc
Critical angle sinqc 1/ n
n =1.55, qc=40.2o
M. Bayer, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2582 (1998)
光子晶体偏振器
频率
光子能带 结构
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
TM
TE
光子晶体量子阱：多通道滤波器
Transmission
PBG
1.0
n=1
0.5
0.0

1.0
n=2
S. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (1999)
Sonic bandgap material
J.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (1998).
波晶体
波
波能带
周
期
性
波禁带
电磁波、声波、水波、 地震波 …...
一维全方位反射镜
Y. Fink, et al., Science 282, 1679 (1998)
布儒斯特角的修饰
p wave
qi qt 90
tanq p nt / ni
qi ni
nt qt
qi ni
nt qt
布儒斯特角的修饰与消失
各向异性 nx ny nz
光子晶体光纤
J. C. Knight, et al., Science 282, 1476 (1998)
带隙的形成机理 宽带隙、多带隙
2、物理特性的发现 处于初始阶段
3、材料的制备
尚无独特的方法
4、新型器件的开发
半导体： 大规模应用 光子晶体：研发阶段
宽带全向全反射器
核爆 射线探测器
假目标？
Photonic crystal
光子晶体天线
Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)
DARPA 重组天线计划
美
可调光子晶体计划
日
超快光子学计划
毫米和亚毫米波段的集成天线技术 基于光子晶体的光子集成线路计划 欧
基于蛋白石结构的光子晶体
波长尺度的通讯用光子部件
光子晶体的能带结构
光子能带结构
频率
允许带 禁带
带隙
允许带
标度不变性
a
光限制
光波导
光折变
光子线路
微腔
波导
Spontaneous emission
金属光子晶体
Opal
SiO2 particles fcc structure
Inverse opal
J.E.G.J. Wijnhoven and W.L. Vos, Science 281, 802 (1998)
Ordered microporous materials from rod-coil block copolymer
Shawn Lin et al., Optics Letters, 1 January, 1999
Infrared photonic crystals fabricated using deep x-ray lithography
G. Feiertag, et al., App. Phys. Lett. 71, 15 September 1997
光子比电子的优点
传播速度更快 携带更大信息
更大的带宽
电子系统：几百 KHz 光纤系统: THz
无光子-光子相互作用 更小的能量损耗
能
全光通讯
否
二十一世纪： internet era
控 制
全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
？
What is photonic crystal?
'Baby, One More Time' 'Oops I did it Again'
0.5
0.0
1.0
n=3
0.5
0.0
1.0
n=4
0.5
0.0 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
Frequency (wa/2pc)
(AB)m (CD)n (AB)m 能 带 结 构
透明金属
微波与 红外
可见光
Ag
glass
红外反射光谱
平均 反射 率
95%
Reflectivity
e-e: strong
~ 0.1nm
p-p: absent
100 nm
半导体~光子晶体
光半导体 未来的半导体
半导体
1930年代 电子能带论 （电子带隙）
1948年 发明晶体管 Nobel
1958年 发明集成电路 Nobel
1960年代以后 微电子革命
光子晶体
1987年 光子能带
（光子带隙）Nobel?
自聚焦现象：超吸收应用
X-射线激光
微波吸收？ 红外吸收？
光波导
微腔
Microcavity
Photonic crystal microcavity
Grating-like microcavity Cylindrical cavity
新型光子晶体激光器
世界上最小的激光器
Defect region
光子晶体是什么？
周期排列的人工微结构材料
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
光子能带、光子禁带
均匀介质
光子晶体 Photonic band structure DOS
w
k
w
0
k space
0
光子能带的起源
w
0 0
k
p/d
d
• Bragg 散射 • Mie 共振
Photonic crystals in nature
Excited state
w photon
(w )
Ground state
w
Fermi golden rules
dW f i
2p
f
Hˆ i
2
(w )
Spontaneous emission: modification
w
(w )
(w )
(w )
w
Natural
w
Inhibited
w
Enhanced
Photonic crystals in nature
Weevil 象鼻虫
Photonic crystals in nature
Sea mouse
Photonic crystals in nature
green blue
brown yellow
二维光子晶体
二维光子晶体
三维光子晶体
Lincoln log structure
光子晶体及其应用
内容
光子晶体简介 光子晶体的特性 光子晶体的应用 光子晶体的制作
人类材料史
利用自然材料
石器时代、铜器时代、铁器时代 ...