亚波长结构和光子晶体.ppt

第六章 亚波长结构和光子晶体,概述,按照光栅结构与波长的关系，可分为三种：,亚波长结构,减反结构（10.6m）,应用：减反，偏振等,特点：结构周期 波长,等效折射率,设计方法,6.2 光子晶体,材料，能源和信息是当今世界文明的三大支柱；光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控经典波的传输；借用固体物理中晶体的结构思想，将固体能带理论推广到介观尺度和宏观尺度用于考察电磁波辐射与人工晶格的耦合作用；,光子晶体是什么？,光子带隙材料（光子晶体）,声子带隙材料（声子晶体）,光波 声波,周期排列的人工微结构材料,调控波的传播,构成材料:半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸:毫米、微米、亚微米,光 子 晶 体,具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonic band gap)。,光子晶体-自然界中的例子,蛋白石，蝴蝶翅膀，孔雀羽毛，海老鼠毛等。,光子晶体的特性,晶格类型，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充比。,点缺陷线缺陷面缺陷,光子晶体的能带结构,带隙,光子能带结构,允许带,允许带,频率,禁 带,工作波段:可设计在可见光、红外、微波、声波范围,带隙效应,微腔,波导,转弯,限制,波导,操控光子的流动,抑制自发辐射,均匀介质,光子晶体,三类晶体比较,迅速成为国际学术界的研究热点,93年起，研究论文每年增长 70%科学1998 Best bets衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向科学1999 Runners-up,半导体光子晶体,光半导体未来的半导体,国际上激烈竞争,波长尺度的通讯用光子部件,超快光子学计划,重组天线计划,可调光子晶体计划,毫米和亚毫米波段的集成天线技术,日,美,欧,对国民经济科技发展的影响,人工带隙材料,光子芯片,光学系统小型化,特种声源,无阈值激光器,发展动态,1987，美国Bell实验室的E.Yablonovitch，Princeton大学的S.John提出光子晶体概念。1990，美国Iowa州立大学计算验证金刚石存在光子晶体；1991,E.Yablonovitch自己制作了第一个具有全方位光子带隙结构（10-13 GHz）,首次在微波波段试验验证了光子禁带的存在。,在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。,研究动态,目前仍然处于基础研究阶段，包括周期性微结构及其缺陷的制备技术，光子晶体及其缺陷控制电磁波产生，传播的物理机理，以及光子晶体与器件的测试与表征及其应用原理探索。周期结构中的电磁波理论以及性能仿真手段相对成熟；微波波段光子晶体相对成熟；挑战：光波波段光子晶体的加工制备及其测试表征。,红外及可见光波段：应用领域：光通信，光信息处理，光传感和控制等；红外探测器光子晶体探测头(1998,Sandia国家实验室)；光子晶体反射镜，光子晶体光纤(MIT,Bath大学，1999）光子晶体波分复用器件(英国St.Androws大学，2002)人工蛋白石微球产生宽可见光带隙(英国Glasgow大学),微波波段光子晶体1993年，美国研制反射率接近的光子晶体偶极子天线；1996-1999年，光子晶体微带贴片天线，抑制谐振模式，消除表面波影响，提高天线效率；1999年，Conexant国际公司研制成功光子晶体人体防护天线。1996-1999年，光子晶体微带传输线，宽带放大器，滤波器等,怎样理解复杂的系统,光子晶体的应用 1.光子晶体光纤（PCF）,分类:实心光纤和空心光纤 实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤,PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理 光子能隙导光机理,这里主要讲一下光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波)在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。,空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。包层中的小孔点阵结构像一面镜子，使光在许多的空气小孔和石英玻璃界面多次发生反射。,光子晶体光纤（PCF）的特性：(1)无截止单模(Endlessly Single Mode)(2)不同寻常的色度色散(3)极好的非线性效应(4)优良的双折射效应,光子晶体集成光路,6.3 制作技术,叠层制作,胶体沉积,