光子晶体及其应用研究
摘要:在光学尺度上具有周期性介电结构的人工
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
和制造的光子晶体以其特有的性状一一光子禁带和光子局域等，在众多领域发挥越来越重要的作用。
关键词:光子晶体;光子禁带;光子局域:光子晶体光纤
随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能。1987年，光子晶体这个名词第一次出现在《Physical Review Letters》上的两篇关于光子晶体的标志性文章中。1991年(Yablonovitch制造出了第一个在微波范围的三维光子晶体。1996年，Thomas Krauss制作出了世界上第一个在光学尺寸上的一维光子晶体。
一、光子晶体的概念及原理
光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。因此，光子晶体就是折射率呈周期分布的光学介质。与半导体晶格对电子波
函数
excel方差函数excelsd函数已知函数 2 f x m x mx m 2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载
的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波…当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能形成能带结构。能带与能带之间出现光子带隙。能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。
二、光子晶体的特点
光子晶体最根本的特点就是具有光子带隙。光子晶体的周期性结构将使电磁波的色散关系形成带状结构，带与带之间可能会产生类似于半导体中的禁带，即光子禁带。根据介电常数周期性结构的分布，分为一维、二维及三维光子晶体。如果只在一个方向上具有周期性结构，则光子禁带仅出现在这个方向上:若在三维空间存在周期性结构，这种光子晶体具有完全(所有方向)的光子带隙。只要光子频率在这个带隙范围内，它在光子晶体中任何方向上的传播都将被禁止;所以，光子晶体不仅可以控制光的自发辐射，而且还可以控制光的传播行为。
光子晶体可以实现光子局域。对完整的光子晶体而言，由其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但当晶体的对称性遭到破坏时，便会产生缺陷，在光子晶体的禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态。当一种介质中含有介电常数随机分布的其它材料时，光子在其中的传播规律就类似于无序电子系统中的电子波动。当介电常数涨落足够大和散射体的间距足够小时，就会发生“光子局域化”。
三、光子晶体的应用
(一)光子晶体光纤
光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤。光纤纤芯周围含有沿着轴向规则排列的微小空气孔，从端面看， 存在周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失则会出现缺陷，光就会被限制在这一缺陷内传播。光子晶体光纤分为全内反射光子晶体光纤和带隙光子晶体光纤两类，可以通过改变空气孔的尺寸、间距、层数和排列形状等几何参数灵活设计光子晶体光纤并获得独特的光学特性。
利用光子晶体光纤中带隙来控制光，缺陷态的出现可以使引导光更高效率地传输:还可以设计一些光电子功能器件，这些器件包括:光纤耦合器、可调光纤衰减器和光纤放大器，
还可以利用其作为气体传感器。
光子晶体光纤光子带隙特性主要受其结构参数的影响，而这些参数则可通过光纤预制棒的排布以及制备
工艺
钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程
来控制，这些主要的结构参数有:包层空气孔直径，包层空气孔间距以及包层的空气填充率，而中心空气孔尺寸的不同对光纤的传输模式的限制能力也不一样。空气孔对光的束缚能力很强，光主要是在大的空气孔中传输:当结构中占空比很小时，没有带隙出现:只有当占空比达到一定值，且传播常数也足够大时，带隙出现;此外，光子晶体带隙的存在还与晶体结构中介质柱的形状密切相关。
(二)光子晶体对电磁模式的调制
光子晶体能延长激发光与活性介质相互作用的时间，调制电磁模式，控制自发辐射，使发射光向所需要的频率内辐射。
例如，非晶纳米团簇的辐射频谱呈自发辐射的特性，为了对非晶纳米团簇的辐射输出进行有效的控制和利用，利用光子晶体来控制纳米团簇的自发辐射，使之向所需要的频率内辐射。此方法为制备可嵌入到集成光路中的、具有良好可加工性能的低阈值微型激光器提供了一条新途径。
(三)光子晶体激光器
激光器由三部分组成:激光工作物质、谐振腔、激励源。光子晶体对光子态的调控作用，使得引入光子晶体结构后，能够形成激光的振荡，因此，某些结构的光子晶体发挥着谐振腔的功能，同时，由于特殊结构的光子晶体微纳谐振腔具有极高品质因子和极小模式体积的性能，这同时提高了激光工作物质的自发辐射速率-Purcell效应，因此，对于光子晶体微腔，这是一个特殊的谐振腔，它不仅保持腔内光场的振荡，同时也从物质本身本征地增强了这种振荡。
光子晶体在半导体激光器中的应用主要有=类:第一类是根据光子禁带中的缺陷态对光子的局域效应，形成微腔，对受激辐射进行放大，产生激光输出，缺陷型激光器主要是可以提高微腔的品质因子Q，降低激光器的阈值;第二类是根据光子晶体的能带工程对光子态密度的裁剪作用，利用能带中高对称点处的布拉格散射或低群速度的特性，形成无几何边界的驻波腔，最终实现该点处的受激辐射放大;第三类激光器是在光波导中引人光子晶体结构，人们在研究单模垂直腔面发射激光器时，为了提高单模激光功率，根据光子晶体对光子态密度的调制，在大孔径垂直腔激光器的输出DBR中，引入光子晶体结构，抑制高阶横向模式，从而获得大孔径下的单模激光输出。
四、结束语
迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体正在各种领域进行着一场史无前例的革命。
参考文献:
【1】郑俊娟，金属一一电介质体系中的强吸收及透射的机理研究，中国科学院研究生院博士学位论文。2005:1-16
[2] 方宏(光子晶体光纤理论模型、结构设计及制作工艺的研究【D](北京:北京交通大学博士学位论文，2008:134-141.
[3] John D. Joannopoulos, StevenG. Johnson et al. Photonic crystalPrinceton
University Press, 2008
基金资助:北京市教委科技发展研究
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
(项目编号:KM200710012004)资助课题，北京服装学院2009年大学生训练计划立项项目。
浙公网安备 33021202002483