光子晶体及其应用.pptx

光子晶体及其应用林晨曦Tsinghua Univ.内容提要l光子晶体简介 光子晶体能带的形成 光子晶体能带特性与功能l光子晶体在光通信系统的应用 一维光子晶体 二维光子晶体光子晶体能带的形成:散射杂乱介质中的光散射杂乱介质中的光散射 光波波长光波波长 杂质平均间杂质平均间隔隔a a：RayleighRayleigh散射散射 光子平均自由程光子平均自由程l la4a4 能量以扩散方式传播能量以扩散方式传播 a:a:几何光学，几何光学，la,la,能量以波动方式传播能量以波动方式传播 aa：光子局域，：光子局域，l laa 临界状态，光子局域临界状态，光子局域相干散射比随机散射更容易相干散射比随机散射更容易获得光子局域获得光子局域启发人们设启发人们设想光子晶体想光子晶体光子晶体能带的形成:布拉格反射 菲聂尔菲聂尔(Fresnel)(Fresnel)定律定律 光波在入射到不同折射率的分界面上时光波在入射到不同折射率的分界面上时,会发生折射会发生折射/反射反射 布拉格布拉格(Bragg)(Bragg)反射反射 光波穿过周期性调制折射率的介质时光波穿过周期性调制折射率的介质时,不同层面上的反射光相干叠加不同层面上的反射光相干叠加,使使总的反射光增强总的反射光增强/减弱减弱 有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构光子晶体能带的形成:光在周期性折射率介质中的传播均匀介质中：线性色散，不会形成带隙均匀介质中：线性色散，不会形成带隙周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受到到“晶格晶格”的布拉格反射，不能传播，形成带隙的布拉格反射，不能传播，形成带隙光子晶体能带的形成:光的“半导体”半导体中半导体中,电子波函数受到电子波函数受到晶格的周期性散射晶格的周期性散射,某些某些BlochBloch频率频率(电子在固体中做电子在固体中做共有化运动的德布洛意频率共有化运动的德布洛意频率)的电子波不能在晶体中传的电子波不能在晶体中传播播,对应禁带对应禁带(带隙带隙);)其他频其他频率的电子波能够传播率的电子波能够传播,对应对应导带和价带导带和价带.包含不同介电常数组分的周包含不同介电常数组分的周期性介质也会对光波产生期性介质也会对光波产生BraggBragg反射反射/折射折射,形成能带形成能带结构结构光子晶体能带的形成:角度相关性光波入射在平面光栅上光波入射在平面光栅上,不同处反射不同处反射/透射的光相干叠透射的光相干叠加加,形成定向传播的反射形成定向传播的反射/投射波投射波光子晶体和普通介质光子晶体和普通介质(如空气如空气)的分解面上也有类似现的分解面上也有类似现象象光子晶体能带的形成:偏振相关性电磁波为矢量波电磁波为矢量波,TE,TE波和波和TMTM波分别波分别形成能带结构形成能带结构TETE波和波和TMTM波共同波共同的带隙为全带隙的带隙为全带隙带隙有频率带隙有频率,角度角度(方向方向)、偏振相关、偏振相关性性红色红色:E偏振的带隙蓝色蓝色:H偏振的带隙黑色黑色:两者相交,全带隙光子晶体能带的形成:缺陷带隙中的波：指数增长带隙中的波：指数增长(衰减衰减)形形,在纯光子晶体中不能存在纯光子晶体中不能存在，只能在缺陷中存在在，只能在缺陷中存在缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件光子晶体能带特性与功能:光子晶体分类与基本结构(1)一维光子晶体在近期光一维光子晶体在近期光子晶体定义中被排除在子晶体定义中被排除在外，不算光子晶体，但外，不算光子晶体，但一维光子晶体与二维、一维光子晶体与二维、三维的光子晶体在物理三维的光子晶体在物理本质上有相通之处本质上有相通之处一维光子晶体一维光子晶体:光栅光栅 多层介质膜多层介质膜光子晶体能带特性与功能:光子晶体分类与基本结构(2)二维光子晶体分为平二维光子晶体分为平板和光纤两大类板和光纤两大类平板：光波主要在二平板：光波主要在二维光子晶体所在平面维光子晶体所在平面内传播内传播光纤：光波主要沿与光纤：光波主要沿与二维光子晶体所在平二维光子晶体所在平面垂直的方向传播面垂直的方向传播光子晶体能带特性与功能:光子晶体分类与基本结构(3)三维光子晶体三维光子晶体:紧密排列的条状物紧密排列的条状物 紧密堆积的小球紧密堆积的小球(颗粒颗粒)光子晶体能带特性与功能:能带结构光子的色散关系光子的色散关系:k(k(频率与波矢的关系频率与波矢的关系)光子晶体能带特性与功能:态密度分布态密度：单位频率间隔、态密度：单位频率间隔、单位体积内能容纳多少单位体积内能容纳多少个传播模式个传播模式带隙中态密度为零带隙中态密度为零带隙的带边处有可能出带隙的带边处有可能出现态密度增大现态密度增大(尖峰尖峰)带边的态密度急速下降带边的态密度急速下降为零为零(带隙带隙)或很小的值或很小的值(准带隙准带隙)光子晶体能带特性与功能:影响因素能带结构与几何参数能带结构与几何参数(晶格种类、形状等晶格种类、形状等)有关有关能带结构与光学参数能带结构与光学参数(介电常数介电常数)有关有关光子晶体在光通信中的应用一维光子晶体多层介质膜：广泛用于增透膜、增反膜多层介质膜：广泛用于增透膜、增反膜外腔激光器两端镀膜以增加反射率，降低阈值和外腔激光器两端镀膜以增加反射率，降低阈值和噪声噪声第一台激光器原理示意图光子晶体在光通信中的应用一维光子晶体半导体激光器中使用半导体激光器中使用BraggBragg反射作为光腔的两反射作为光腔的两个个“端面端面”DFB(DFB(分布反馈激光器分布反馈激光器)DBR(DBR(分布布拉格反射激分布布拉格反射激光器光器)VCSEL(VCSEL(垂直腔面发射激垂直腔面发射激光器光器)光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板早期实验验证光子晶体早期实验验证光子晶体(微波波段微波波段)光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板光子晶体波导光子晶体波导可以实现直角转弯可以实现直角转弯补充传统波导的原理及缺陷金属波导金属波导(waveguide)(waveguide)依靠依靠 镜面反射原理镜面反射原理传统介质波导依靠全反射原理传统介质波导依靠全反射原理 波导芯区折射率高于包层波导芯区折射率高于包层当波导弯曲时，有光的泄漏发生当波导弯曲时，有光的泄漏发生弯曲损耗弯曲损耗弯曲损耗时与弯曲半径呈指数关系弯曲损耗时与弯曲半径呈指数关系 存在阈值，弯曲半径在阈值以下，损耗不重要；在阈值以存在阈值，弯曲半径在阈值以下，损耗不重要；在阈值以上，损耗急剧增大上，损耗急剧增大 弯曲半径不能过大弯曲半径不能过大 限制了波导的集成度，无法像电子芯片一样灵活布线限制了波导的集成度，无法像电子芯片一样灵活布线光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板分频器分频器光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板滤波器滤波器光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板抑制自发辐射抑制自发辐射在有光子晶体存在有光子晶体存在的空间，光波在的空间，光波无法穿透而传播无法穿透而传播光子晶体阻拦的光子晶体阻拦的方向，自发辐射方向，自发辐射被抑制被抑制其他的方向，自其他的方向，自发辐射被允许发辐射被允许光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板光子晶体微腔光子晶体微腔费米费米(Fermi)(Fermi)黄金定则：黄金定则：自发辐射率与光场模自发辐射率与光场模式密度成正比式密度成正比用光子晶体调节模式用光子晶体调节模式密度，即可改变自发密度，即可改变自发辐射率，进而增强微辐射率，进而增强微腔的品质因数腔的品质因数(Q(Q值值)光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板微腔激光器微腔激光器改变光腔的品质因数，即可改变激光器的特性，改变光腔的品质因数即可改变激光器的特性，如阈值、噪声等如阈值、噪声等补充激光器(1)激光器的三个组成部分激光器的三个组成部分泵浦：将增益介质的粒子从下泵浦：将增益介质的粒子从下能级泵浦到上能级，造成粒能级泵浦到上能级，造成粒子数反转，使辐射大于吸收，子数反转，使辐射大于吸收，产生增益产生增益增益介质：提供粒子，将泵浦增益介质：提供粒子，将泵浦的能量通过量子过程转移给的能量通过量子过程转移给激光激光谐振腔：谐振腔：1 1，使光在腔内往复传播，经使光在腔内往复传播，经历更多的增益历更多的增益 2 2，光腔有选频和定向作用，光腔有选频和定向作用，使激光的频宽窄，方向性好使激光的频宽窄，方向性好补充激光器(2)泵浦能量泵浦泄漏泵浦损耗非辐射复合泵浦能量泵浦泄漏泵浦损耗非辐射复合(损损耗耗)自发辐射自发辐射(噪声噪声)腔内激光输入激光腔内激光输入激光抑制自发辐射，可以降低激光器的阈值，减少噪抑制自发辐射，可以降低激光器的阈值，减少噪声声光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板负折射负折射折射率为负折射率为负0 0级透射波被带隙抑制级透射波被带隙抑制只存在只存在1 1级（或级（或1 1级）透射波级）透射波光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板超棱镜超棱镜光波透过光子晶光波透过光子晶体与空气的界面体与空气的界面之后，传播方向之后，传播方向变化，发生折射变化，发生折射折射率对入射光折射率对入射光的频率、方向等的频率、方向等非常敏感非常敏感远远超过普通棱远远超过普通棱镜的能力，叫做镜的能力，叫做“超棱镜超棱镜”光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：平板负折射成像负折射成像负折射使入射光线负折射使入射光线和折射光线在法线和折射光线在法线同侧同侧发散的光束可以会发散的光束可以会聚，聚焦，成像聚，聚焦，成像光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光纤基本结构基本结构SiSi基光纤基光纤,截面出现光子晶体截面出现光子晶体包层为二维光子晶体，芯区为包层为二维光子晶体，芯区为缺陷缺陷芯区导光芯区导光光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光纤由于历史原由于历史原因，所谓光因，所谓光子晶体光纤子晶体光纤并不全是依并不全是依靠光子晶体靠光子晶体的带隙特性的带隙特性导光的导光的光子晶体光光子晶体光纤，又叫微纤，又叫微结构光纤结构光纤(Micro-(Micro-structure structure Fiber)Fiber)光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光子Band Gap GuidedBand Gap GuidedRodsRodsRingsRingsIndex GuidedIndex GuidedLarge HolesLarge HolesAir CladAir CladHigh Delta CoreHigh Delta CoreTaperedTaperedSmall HolesSmall Holes光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光子Index GuidedIndex Guided不是真正的不是真正的“光子光子 晶体光纤晶体光纤”包层含有空气孔，包层含有空气孔，芯区没有孔，只有芯区没有孔，只有SiOSiO2 2包层平均折射率小于包层平均折射率小于 芯区，靠全反射导光芯区，靠全反射导光Band Gap GuidedBand Gap Guided真正用光子晶体特性导光真正用光子晶体特性导光包层是二维光子晶体包层是二维光子晶体(Ring(Ring型为一维光子晶体型为一维光子晶体)频率落在带隙内的光波无法穿透包层而辐射，从而被限制频率落在带隙内的光波无法穿透包层而辐射，从而被限制在芯区在芯区光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光子p带隙对模式的影响带隙对模式的影响导波模的传播常数急剧变化导波模的传播常数急剧变化 和普通光纤类似和普通光纤类似泄漏损耗急剧变化泄漏损耗急剧变化 新的截止行为新的截止行为带隙导致的截止带隙导致的截止 不同模式分布于不同带隙中不同模式分布于不同带隙中波导导致的截止波导导致的截止 不同模式存在于同一个带隙中不同模式存在于同一个带隙中 不同的截止频率不同的截止频率 带内截止，带边截止带内截止，带边截止补充光纤中的模式多模光纤的模式多模光纤的模式辐射模和传导模辐射模和传导模子午模子午模(TE(TE、TMTM波波)与旋进与旋进模模(EH(EH、HEHE波波)每个模式都有其截至波长，每个模式都有其截至波长，长于此波长的光无法存在长于此波长的光无法存在于此模式中，短于此波长于此模式中，短于此波长者则可存在者则可存在最低模式为最低模式为HEHE1111模，它的模，它的截至波长为无穷大，即它截至波长为无穷大，即它永远存在永远存在光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光纤p带隙对光纤色散的带隙对光纤色散的影响影响(1)(1)不同模式有不同的不同模式有不同的色散关系色散关系带隙中的模式截止带隙中的模式截止会带来色散的严重会带来色散的严重变化变化邻近导波模式截止邻近导波模式截止处处,波导色散增大波导色散增大上图红色上图红色：色散参量(D)蓝色蓝色：基模传输黑色黑色：次高阶模传输光子晶体在光通信中的应用二维光子晶体：光子p带隙对光纤色散的影响带隙对光纤色散的影响带隙边缘处带隙边缘处,色散急剧变大色散急剧变大零色散波长位于带隙短波长零色散波长位于带隙短波长侧侧,色散曲线非对称色散曲线非对称左图红色左图红色：色散参量(D)左图黑色左图黑色：基模传输上图上图：不同光纤的色散奇异行为补充光纤的色散(1)光纤的色散光纤的色散群速度随中心频率的变化群速度随中心频率的变化不同波长的信号，传播时间不同波长的信号，传播时间(延时延时)不同不同多模光纤的色散多模光纤的色散补充光纤的色散(2)单模光纤的色散：古斯汉单模光纤的色散：古斯汉辛位移辛位移反射波和入射波在反射点上反射波和入射波在反射点上相位不连续，这个相位移动相位不连续，这个相位移动叫做叫做Goos-HaenchenGoos-Haenchen s shifts shift单模光纤也有色散单模光纤也有色散同一模式不同频率的波，斜同一模式不同频率的波，斜入射到波导壁的角度不同，入射到波导壁的角度不同，引起引起G-HG-H位移也不同，传导位移也不同，传导相同距离所需时间亦不同相同距离所需时间亦不同补充光纤的色散(3)单模光纤的色散主要包括二部分单模光纤的色散主要包括二部分材料色散为石英的本征色散材料色散为石英的本征色散波导色散为光纤在光纤中导引传播而带来的色散波导色散为光纤在光纤中导引传播而带来的色散总结光子晶体是为了改变光子的运动而设计的光子晶体能带：导带、禁带一维光子晶体：多层介质膜二维光子晶体：平板、光纤三维光子晶体光子晶体从概念到工艺制作都处于初级水平，有待进一步发展谢谢大家!2003.12.20