光子晶体的应用与研究

摘要：光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。该文系统的阐述了光子晶体的产生、制备及应用。

关键词：光子晶体；光子频率禁带；激光全息；光子晶体激光器；微波天线

中图分类号：TN364 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)22-5468-02

进入20世纪后半叶以来，全球迎来了电子时代，电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域，尤其是促进了计算机和通讯行业的发展。但是进入21世纪以后，伴随着电子器件不断深入的小型化、低耗能、高速度，其进一步的提升也越来越困难。人们感到了电子器件发展的瓶颈，开始把目光转向了光子，有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想。电子器件的基础是电子在半导体中的运动，类似的，光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动。光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量损耗小、运行速度快，所以工作效率高。光子器件在高效率发光二极管、光子开关、光波导器件、光滤波器等方面都具备巨大的应用潜力。近年来，光子晶体相关的理论研究、实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展，光子晶体领域已经成为现在世界范围的研究热点。1999年12月17日，《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一。

1 光子晶体的由来

1987年S. John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念：光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。它是根据电子学上的概念类比得出的。我们知道，在固体物理学的研究中，晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用。在介电常数周期性分布的介质中的电磁波的一些频率是被禁止的，光子晶体也类似，通常这些被禁止的频率区间为光子带隙，也叫光子频率禁带，而将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子晶体。

2 光子晶体的分类与结构

我们可以根据光子晶体的结构进行分类，根据其能隙空间分布的不同，我们把光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。

3 光子晶体的制造

光子晶体在自然界中几乎不存在，它是一种人造微结构，其制备工艺主要有以下几种：

3.1 机械加工法

机械加工法又叫精密机械加工法，这种加工法是在光子晶体的早期研究中发展起来的方法。机械加工法通过在集体材料上进行机械接卸钻孔，利用空气介质和集体材料的折射率差来获得光子晶体，这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在厘米至毫米量级的微波波段光子晶体。

3.2 半导体微制造法

半导体制备技术中的“激光刻蚀”、“反应离子束刻蚀”、“电子束刻蚀”以及“化学汽相淀积”等能够应用于面心立方结构的光子晶体的制备。

这类制备方法的优点在于可以利用现有半导体产业的技术和设备，并且用这种方法制备的光子晶体具有较宽的禁带，在集成光电子元件的应用方面有很大的潜力。但是这类制备方法的工艺太过复杂，而且成本过高，并且在向光子晶体中引入缺陷和制备更短波长的光子晶体等方面存在不足。

3.3 胶体自组织法

分散的聚苯乙烯乳胶球能自发的在水中排列成面心立方和体心立方等有序结构，这种胶体体系被人们称为胶体晶体。目前制备交替晶体的多为二氧化硅小球体系或者聚苯乙烯球。这种方法制备的光子晶体的折射率比值不会太大。蛋白石光子晶体的折射率比值比较小，这也就决定了此种胶体光子晶体的光子禁带较窄，它们是非完全光子带隙晶体。为解决胶体晶体的低介电常数配比问题，人们又发展了模板法。

模板法和胶体法可以用于制备可见光和近红外波段的三维光子晶体。它们的缺点是不易引入人们想要的缺陷，以及制得的光子晶体机械强度较低，尺寸较小等。

3.4 激光微制造法

有一种相对比较简单的制备光子晶体的方法叫做激光微制造法。其原理是，光线能通过透镜产生汇聚，从而在焦点处可以产生很高的温度。如果将紧密聚焦后的激光束直接照射在透明材料上，只要光强足够大，则材料内部的亚微观尺寸区得光学性质会被改变。光学改性区取决于激光束的聚焦情况，如果使用配有高数值孔径的显微镜对激光束聚焦，则所得的光学改性区的尺寸有可能达到进行为制造的激光波长量级。

3.5 激光全息制造法

激光全息制造法的原理是：两束或多束相关光线在相互重叠汇聚处能产生在空间上呈周期性变化的图案，然后再通过光与物质的相互作用，就能形成介质折射率在空间上呈周期性变化的结构。因为在光强比较高的地方，液态树脂会发生固化，而其他地方还是液态，所以该电磁波场强的图案能被转印到树脂材料中，进而得到需要的光子晶体结构。

3.6 双光子聚合法

双光子聚合是近些年来发展起来的一种新型光聚合技术，它要求材料中能引发光聚合的活性成分能在同时吸收两个光子，产生一种活性物质，进而引发聚合反应。双光子聚合技术是点聚合，能通过计算机辅助设计进行立体结构加工，所以加工精密度要比普通光聚合更高。

4 光子晶体的应用发展

4.1 光子晶体激光器

传统光学器件尺寸的缩小已经接近物理极限，光子晶体为突破这一瓶颈限制带来了曙光，可望满足元器件不断微型化的需要。另外从理论性上看，光子晶体激光器的起振阈值可以为零。因此光子晶体激光器的研究受到了广泛重视，日本、美国、德国、韩国、英国、瑞士、法国等国的研究者都已研制出光子晶体激光器装置。但由于其制作工艺复杂，目前国内在这方面的研究基本上还是空白状态。

从工作原理上看，光子晶体激光器可以分为两类，一类基于缺陷态光子晶体的特性，另一类基于光子晶体的理想反射特性。

从工作特点上看，光子晶体激光器可分为半导体光子晶体激光器、光子晶体光线激光器、光子晶体激光二极管、有机聚合物光子晶体激光器。

从结构特点看，已研制出的有光子晶体带间缺陷模激光器、表面发射型光子晶体激光器、脊形波导光子晶体激光器、六角波导环形谐振腔光子晶体激光器、光子晶体分布反馈式激光器、垂直腔面发射光子晶体激光器、光子晶体带边激光器等。

4.2 光子晶体光纤

光子晶体纤维其实就是在二维光子晶体的长度方向上制造一定的缺陷，从而使其能够成光的导体的波导。光子纤维光线最重要的特点是无休止单模特性和其奇异的色散特性。

4.3 光子晶体在为微波中的应用-微波天线

这里主要介绍一种在微波领域中的平面二维光子晶体.这种光子品体可能实现相位可控的金属-介质反射表面，因而可能实现具有高表面阻抗的电磁波反射表面,也就是说，可能实现电磁波的同相位反射.这样的光子晶体，将会在天线、通讯、尤其是手机通讯中、有非常诱人的应用前景。

4.4 光子晶体发光二级管

众所周知，传统的发光二极管在光通信领域中起着关键性的作用。一般的传统发光二极管的发光中心发出的光要经过包围它的介质的无数次反射，其中大部分的光不能有效地耦合出去，从而使传统的发光二极管的光辐射效率很低。如果把一块特质的光子晶体放在发光二极管的发光中心，并设计成该发光中心的自发辐射频率与其中间的光子晶体的光子频率禁带相重合，则发光二极管的发光中心发出的光就不会进入包围它的光子晶体中，而是沿着特定的设计方向相外辐射，这样就能极大地提高发光二极管的效率。

5 结束语

如前文所述，光子晶体虽然只发展了短短二十几年，但是因为其广阔前景，已经引起了全世界学术界的广泛重视，很多科研工作者在光子晶体的理论研究、实验以及具体应用上都进行了大量的工作。当前光子晶体的波长范围已经发展到了红外光甚至可见光的波段，但是如果想在此波段范围内制造完全带隙的三维光子晶体还存在着一定的困难，目前最大的制约还是在适宜的材料和加工工艺上。因此，人们发明了了双光子聚合技术和激光全息光科技书，这两种技术结合了高分子化学和激光光学的全新手段，是交叉性、边缘性的前沿研究领域。目前在加工工艺方面，人们可以采用激光全息技术来制备三维光子晶体，甚至也能通过计算机辅助设计来给光子晶体加入我们想要的缺陷。但是在先进技术不断革新的同时，我们对材料也不断提出了更高的要求。我们希望材料聚合后的折射率应较大，因为折射率相差越大，光子晶体产生的能隙宽度才会越大。现在，人们使用以上技术制造出的聚合物微结构作为模板，再结合其他高折射率的材料，例如使用硅、锗等进行填充，再通过煅烧、化学腐蚀等方法出去模板，进而制备出具有更高设置指数的光子晶体。

光子晶体优良的特性及其在光电子领域巨大的应用潜力，必将推动光通信技术的飞速发展。目前光子晶体正处于深入研究和应用推广阶段，许多美好设想即将成为现实，国内外的科学家们将在该领域进行大量的研究工作。

参考文献：

[1] Zhou W d,Rennon S,Baba T,et al.Electrically injected single-defect photonic band gap surface-emitting laser at room temperature[J].Electron.Lett,2000,36(18):1541-1542.

[2] Moosburgter J,Kamp M,Klopf F,et al.Semiconductor lasers with 2-D-photonic crystal mirrors based on a wet-oxidized Al2O3-mask[J].IEEE Photon.Technol.Lett,2001,13(5):406-408.

[3] 于学亚,曾兆华,杨建文,等.光子晶体的研究现状与最新进展[J].人工晶体学报,2002(12).

[4] 快素兰,章俞之,胡行方.光子晶体的能带结构、潜在应用和制备方法[J].无机材料学报,2001,16(2).

推荐访问： 光子 晶体 研究