8军月 湖南大季子报电然并学成) 960 文章编号：1000-2472(2003)03-0012-03 控制光子的“半导体”一光子晶体 易小药 (潮南怀化职业技术学院，期南怀化18000 摘要：光子品体是一种新型功能材料，其最基本的特征是具有光子频率带隙，频率 在带除内的电磁波被禁止在光子晶体中传播。本文简迷了光子品体的基本性质和理论研究 方法，介绍了光子晶体的制备，并对光子品体的应用前景给于了简短的评述 关键词：光子晶体；半手体：光子频率带隙：缺陪 中图分类号：0734+.】 文献标识码：A 20世纪半导体材料的出现，把我们带人了以 的新型光学微结构材料.1987年，Yablonovitch 电子为信息体的电子信息时代，从真空管到超 研究材料的辐射 性质日 四发现介电常数呈 期性 规模集成电路，引起了人类历史上前所未有的变 变化的结构会使材料中光子模的性质发生变化，从 革.电子器件迅速发展，广泛应用于各个领域，特别 而提出了“光子晶体”的概念 是促进了信息产业的发展.半导体电子学的基础是 光子品体的基本特征是存在类似于半导体中 能带理论 电子在周期性排列的半导体品格中运动 禁带的“光子频率带隙”(phc 时，电磁被会受到周期性势场的布拉格散射，形成 落在带隙内的电磁被被禁止传播，自发辆射，零店 能带结构，能带之间可能存在带隙。当电磁波的能 展荡都会被抑制.这意味着处于光子品体中的激发 量落在带晾内时，传播被禁止，因此人们能很好地 态原子产生的招射额率若位于带隙中，则跃迁不能 腔制半导体中电子的运动，制做出各种功能器件并 发生，从而大大延长了该原子处于激发态的寿命 使之日趋微小化然而，在纳米区域内，电子自身的 光子带隙不仅与光子的能量有关，而且与电磁 特性 和量子效应及热波 动极大地影 响 电子的究 被的 专播方向有关。 可以分为两科 应。人们转而把目光投向光子，提出了用光子作为 是不完全带踪，带隙只出现在某些特定的方向上： 信息载体代替电子的设想 一种是完全带隙，即在各个方向上都有带踪存 光子是以光速运动的微观粒子，静止质量为 在。根据介电常数周期性排列的方向，通常将光子 零，光子之间没有相互作用.电子是自旋为1/2的 品体分为一维光子品体，二维光子品体和三维光子 费米子，光子是自旋 的玻色 .与电子相 需要指出的是，介电常 周期性排列的方片 子作为信息和能量的载体在很多方面（响应时间 并不等间于带隙出现的方向，在一维光子品体和 空间相容性等)有着巨大的优越性，具有广图的发 维光子品体中，也有可能出现全方位的三维带隙结 展空间，于是人们不禁会问，存在光子的“半导体 构. 吗？能否通过半导体控制电子的运动一样通过其 光子品体的另一个重要特性是“光子局域”，在 控制光子的运动？最近10年的理论和实验 证明 光子品体中，如果原有的周期性或对称性受到破 一类材料确实存在，人们称之为光子品体 坏，在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷 (photonic crystals)或光子带隙材料(photonic 态，与缺陷态领率吻合的光子会被局域在出现缺路 band gap materials). 的位置，一且偏离缺路位橙，光就将迅辣赛威.另 、,缺陷态频率处的电磁波模式态密度非常 1光子晶体的特征 完整的光子品体相比，十几个周期的一维接杂光子 品体中的局域光强就可提高10：的数量级) 光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化 光子晶体与半导体的比较见表1. 9-015 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
第3期 易小菊：控制光子的“半导体 一光子品体 13 表】光于晶体与半导体的比较 2.2转移矩阵方法 光子品体 半导体 这种方法是把磁场在实空间格点位置展开，将 结构 不网介电常数介质的周期 周期性的势场 麦克斯韦方程组化成转移矩阵形式，同样变成求解 对 电子的输运 本征值问题，这种方法对介电常数随颗率变化的金 量子行为 装色子，滴足玻色分布，贯米子，满足贵米分布： 属系统特别有效由于转移矩阵小，矩阵元少，因此 计算量较前者大大降低，只与实空间格点数的平方 ,H,年 成正比，精确度也非常高，而且还可以计算反射、透 射等问题， 23 差分或有限差分方法 特征 表面态 此方法是将 ,个单位原胞划分成许多网状小 格，列出网上每个结点的有限差分方程，利用布里 相互作用 电于厕有相互作用 渊区边界的周期条件，同样将麦克斯韦方程组化成 光子电子作用不可忽略 电子光子作用 矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其 中只有为数不多的 一些矩阵元不等于，可以大大 2光子晶体的理论研究 诚少计算量，节省计算机内存.但是，适到具有特殊 形状的格点时，要得到高精度解就比较困难 由于光子在光子晶体中的运动规律与电子名 2.4界而应理论 固体品格中的云动规律类似，人们通过类比套用了 界面响应理论是L.Dobrzynski在1987年提 许多固体物理的概念，如倒格子、布里渊区、色散关 出的，用来计算连续复合媒质界面处的格林函数， 系，布洛赫波、缺陷态等来讨论光子的运动规律.因 从而讨论电磁波在复合系统中的传播， 此在固体物理中适用的解薛定博方程的方法都可 用于光子晶体的理论计算中，例如平面被展开法 3 光子品体的制备 爱束缚方法、有效差分时城法、多重散射法、格林函 数法等，另外还有转移矩阵法、界面响应理论 在实际应用中，人们希望得到具有较宽完全光 方法，超原胞近似等 一些方法 与电子的能 子带隙的光子品体材料。光子带隙的出现与光子晶 计算不同，光子之间没有相互作用，因此解方程得 体结构，介质的连通性，介电常数反差和填充比有 到的光子能带几乎是完全准确的.下面介绍几种比 关，一般说来，介由数反差大，得到光子带的 较常用的方法 可能性越大，但要获得带隙位 可见光或红 2 平面波方法 的三维光子晶体此较困难，对加工工艺有比较苛刻 这是在光子晶体能带研究中用得比较早，比较 的要求， 多的一种方法。它应用布洛赫定理，把电蓝场分解 世界上第一个具有完全光子带隙的三维光子 成一个平面被和一个周期函数的乘积形式，周期函 品体是由美国贝尔通讯研究所的Yablono itch月 数的周期就是品格周期 ,它又可以展成倒格矢的平 机械加工的方法制造的 ,这种光子晶体的制备过 面波叠加，最终把麦克斯韦方程组化成一个本征 程如下：在一片介电材料上镀上具有三角空闲阵列 程，求解本征值便得到光子的本征频率，这种方法 的掩破，在每一空洞处向下钻3个孔，钻孔相互之 的优点是思路清晰，对不同的结构只是介电常数倒 间是120°，与介电片的垂线呈35.26°.这样的结构 数的傅立叶变换不同，其他都 样，有利于计算机 具有金刚石结构的对称性，光子带隙从10CH到 编程：但这种方法也有明显的缺点：计算量与平面 13G,位于微波区域 被的被数有很大的关系，几乎正比于所用被数的平 此后，为了寻找易于构造且具有宽带隙的光于 方，对某些情况显得无能为力，如光子晶体结构复 品体材料，人们提出了多种方法. 杂或处理有峡陷的体系时，要 的平面被，可 D s Si ioe红等于1995年提出了三维线 能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确 网状光子晶体结构” ,并在微波区制进了光子品 计算，如果介电常数不是恒定值而是随频率变化 体，发现此结构不仅具有光子带隙，而且出现了截 的，就没有一个确定的本征方程形式，而且有可能 止颜率.E.Ozbey等利用微加工方法在硅基片上 在展开中出现发散，导致根本无法 制造了带隙在100~500GH的光子品体，用澈光 1994-2015 China Academie Joural Electronic Publishing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
14 潮南大学学报（自然科学版） 2003年 微加工的方法还在铝基片上制造了光子带隙中心 在94.7GHz的光子品体.另外，在研究二维光子 (20):2059 2062 晶体的基础上，E.Ozbay等提出了“逐层叠加法 一维类德状光子品体中快 光语 (layer一by-layer),用许多片二维周期性结构叠 加在一起而构成三维光子晶体，也获得了较宽的光 子带隙. i0aU].P路ys Rev Lett,1990.65(21)12650-2653. 由于三维的胶体品体在近红外及可见光被长 [4] Mukaiyama T.Takeda K.Miyaraki H.et a Tight-binding photonic molecule modes of resonant bispberes []Phys 尺度有较好的长程周期性，因此人们已开始利用胶 Rew1ett,1999.82(23),4623-4526 体颗粒悬浮液的自组织特性来制备光子晶体， [5]Bayindir M Tigh -binding c on of tbe 等用亚微米级的硅土颗粒在胶状悬浮 液中自排列，再用T0:来填充硅士颗粒中的空气 间隙，最后将硅土颗粒溶解，留下紧密排列的TO: [6 12),209-229 包围的球状空气空穴1口，利用类似方法，人们得到 [7]Fan Shanbui Guided ad defeet 了各种蛋白石和反蛋白石(Gm opal)结构光子 aides门.J0 pt Soc Am B,1995,12(7):1267-1272 品体，这种结构可以用来构造近红外和可见光 [8] Yablonovitch E.Gmitter TJ.Photonic band atructure,The 波段的光子品体 face centered-cubic case 近来，国内外一些小组已成功研制出了可调节 -229 的光子晶体：-0，这类光子品体的特殊之处在于 它们的结构是可以变换的 从而可以调节光子带 Rey Le.198.80132829-2832. 的位置和宽度 [10] Orbay E.Michel E.Tuttle G.et al.Micr bined eterwave photonie band-gap Appl 4光子晶体的应用及其前爱 Pbys Le,1994,6416):2059-2061 [11]Wijin n J.Vos W.Prepara n of ph 光子晶体有着广泛的用途5-1： 1998 2-80 [12 利用光子品体具有光子带隙的特性，可以制造 出各种光学器件，如：低阙值的激光器、宽带带阻滤 eU 波器、新型陀螺仪、高效率的发光二极管、低损耗的 1aum,2000.405.437-440. 反射镜等： [13] Wen W,Wang N.M H.eta Field induced atructural 利用光子品体中的光子缺陷态可以制造高品 a in m ystallitesU].Phys Rev Lett,1999,82 21)424 4251 质因数的微谐振腔、极窄带的选频滤波器，低损耗 [14] F. J.Wang N. al.Multi 的光被导等器件. 另外，人们采用非线性介电常数材料在空同周 期性排列得到非线性光子品体，其应用前景也十分 m.2000.721-23.30-315 [15]Mingaleey Serge F.Kivshar Yuri S.Self-trapping and stable 诱人，如制造非线性光子品体限幅器、光子存储器， ocalined modes in】 inear pho nie crystals [)Phys 光子开关，甚至是光子计算机. ,2001,86(24)5474-547 总之，光子品体是新光学材料，它的潜能有多 [16 M.Yamada K.Shinya.A.et al.Ex mely larg 大还不清楚，对它的研究还有很多工作要做，但由 光子晶体的特殊性能，它必将有广阔的应用前景.可 87(25) 以预言，就像半导体对于电子学一样，光子晶体将会 [17]SirigiriJR.etal.Phbotonic-band- 在光于学和光电子学的发展中发挥重要作用. Pbys Rev Lett,2001,86(24)5628-5631. 参考文献 [1]Y E.id 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net