控制光子流动的晶体.ppt

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1、控制光子流动的晶体：光子晶体（二）,物理系 赖哲渊,光子局域,简单回顾 光子晶体（PBG）即光子禁带材料，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。因此，光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。,光子局域 John 于1987年提出:在一种精心设计的无序介电材料组成的超晶体中,光子呈现很强的Anderson局域。在光子晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏,在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷位置,一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。,光子局域,完整的光子晶体,有缺陷的光子晶体,光子晶体微腔,光子晶体波导,光子晶体微

2、腔 两种常见的高低折射率介质层排列分别是ABCBA 和 BACAB，其中nAnB 结构如图所示,在结构中由于靠近缺陷层两侧的介质是低折射率层，它们的折射率相差不大，反射回缺陷层的光很少，大部分光穿透到层中，直到缺陷两侧出现高折射率层时，缺陷模的光才强烈地被反射回来，结果光被局域在层和层的界面处，出现两个场强峰值，局域能力降低。,而在结构中正好相反，靠近层左右两边的介质是层，能把大部分光局域在层中谐振，相当于把结构中进入层的光反射回缺陷中。,光子晶体波导：利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在光子晶体中形成新的光子态，而在缺陷模周围光子态密度为零。因此，光子晶体波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式

3、泄漏，基于这种优异的光子局域化特性，可实现光波导的任意弯曲，从而大大减少集成光学器件的体积，实现光路芯片化。也就是说，弯曲损耗不存在。,光子晶体波导折射,光子晶体波导元件,光子局域的应用与未来研究方向,信息业的梦想之一,是由光子替代电子传递信息,因光子具备了电子所不具备的许多优势。首先光子的传播速度快,在介电材料中的传播速度以达到108/数量级。而电子在金属中的传播速度只能达到104105m/s数量级。其次,光作载体每秒可以携带更多的信息,而且在电介质的传输带宽要远大于金属导线:光纤系统的带宽可能达到1012数量级,而金属导线(如电话线)的带宽只能达到105Hz数量级。另外重要的一点是,光子之

4、间没有电子之间那么强的相互作用,使之传输时极大地降低了能量损耗。,光子局域的应用与未来研究方向 1.光子晶体光纤 PBGPCF 通过光子带隙导光，把光限制在光子晶体中的缺陷即空气孔导光,PBG-PCF的典型结构,实物图,光子晶体光纤的特性 1.无截止单模 2.不同寻常的色度和散度 3.极好的非线性效应 4.优良的双折射效应,2.光子晶体激光器 优点：稳定性高，转换效率高，体积小，重量轻，散热效果好等,主要应用了掺杂光纤的特性,原理图,3.集成光路 只要设计妥当，我们便可按需求制造出具有特定能量或位于特定空间的杂质态，与半导体藉由搀入杂质来调整载子性质非常相似，因此，光子晶体又经常被比喻成未来光学界的“半导体”。,整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图,未来展望,探求光子晶体的新物理效应设计有特定带隙结构的光子晶体制作光子晶体的新方法光子晶体在实际中的应用,Thank you,