光子晶体光纤

光子晶体光纤

摘要

光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构, 落在光子带隙中的光不能传播。由于其独特的调节光子传播状态的功能, 成为实现光通讯和光子计算机的基础。光子晶体光纤（POF）与普通光纤在光纤结构单模特性色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。光子晶体的制备是发展光子晶体的关键, 而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。本文阐述了光子晶体的概念及其特性并简要分析了PCF的原理及其重要特性应用价值。

关键词：光子晶体；光纤；光子晶体光纤（PCF）；非线性

Photonic crystal fiber

A bstract Photonic crystals are materials with regular periodicity of dielectric structures, which can create a range of forbidden frequencies called photonic bandgap. Photons with energies lying in the bandgap cannot propagate through the medium. Moreover, photonic crystals have the ability to m an ipulate, confine and control light, thus provide the

opportunities to shape and mould the flow o f light for photonic communication technology and photonic computer. In present, the preparation of photonic crystals, especially those in visible or near infrared region, is the key to the development of photonic crystals. In this paper, the conception and

characteristics of photonic crystal are described at first, and then the research in experiment and application are introduced respectively.

Keyword：photonic crystal；optical fiber； photonic crystal fiber（PCF）; nonlinerital

光学晶体的基本原理：

1、什么是光学晶体

光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。

1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念1990年，Ho.K.M，等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，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，电磁波能量形成能带结构 。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具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。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

２、光子晶体的性质

(1)光子带隙光子晶体最基本的特征即具有光子禁带(带隙)。落在禁带中的电磁波禁止传

播。光子带隙依赖于光子晶体的结构和介电常数的配比, 比例愈大愈易出现带隙。光子晶体结构对称性愈差, 其能带简并度愈低, 愈易出现光子禁带。

(2)光子局域 John 于1987年提出: 在一种经过精心设计的有序排列的介电材料组成的结构中引入无序态后, 光子将呈现强的安德森( Anderson)局域。如果在光子晶体中引入某种缺陷, 和缺陷态频率吻合的光子便有可能被局域在缺陷位置,一旦偏离该位置将迅速衰减。当光子晶体理想无缺陷时, 不存在光的缺陷模式。但是, 一旦晶体原有的对称性被破坏, 在光子晶体的带隙中央就可能出现频率极窄的缺陷态。

(3)负折射效应由Veselago 于1968年首次提出, 即当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时, 光波的折射与常规折射相反, 入射波和折射波处在法线的同侧。2003年麻省理工学院的Cubukcu和Parimi分别阐述了电磁波在二维光子晶体中的负折射效应。负折射介质最引人注目的是它们能够放大逝波, 从而实现超透镜效应,可极大地提高透镜成像的分辨率。

(4)抑制自发辐射(Purcell效应) 20世纪80年代前,人们认为自

发辐射难以人为控制, 直到光子晶体的概念被提出后。将自发辐射原子放在光子晶体中, 而其自发辐射频率刚好落在带隙中, 因带隙中该频率之态密度为零, 自发辐射几率也便为零, 由此抑制了自发辐

射。反之, 若光子晶体中加入杂质, 光子带隙中便会出现品质因子高的缺陷态, 具有高态密度,可增强自发辐射。将该现象称为Purcell效应。

3、光子晶体的制备

光子晶体的制备方法有许多,早期的光子晶体多用半导体制造技术来制备。近年来随着智能光子晶体凝胶的兴起,各种自组装技术和模板法被广为应用。

光子晶体的周期性结构

1.精密机械加工法

精密机械加工法是早期研究光子晶体过程中发展起来的方法,通过在基体材料上机械钻孔,利用空气介质与基体材料的折光指数差来获得光子晶体。但这种方法只能加工微波波段的光子晶体,要制备折射光从近红外到可见光波段的光子晶体必须寻求其它方法。

2.半导体制造技术

制造亚毫米和远红外波段的光子晶体,需要采用激光光刻、电子

束刻蚀、反应离子束刻蚀等先进的半导体制备技术。其中,逐层叠加(Layer2by2Layer , LBL) 方法被广泛地应用于光子晶体的加工。但是,半导体制造技术在工艺上过于复杂,受目前刻蚀技术和工艺的局限,制作更短波长的三维光子晶体以及向晶体中引入缺陷态等方面仍存在很大的困难。

3.胶体自组装法

近红外到可见光波段的三维光子晶体的制备技术是光子晶体研究中的难点之一。目前,构造三维光子晶体唯一简单可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备,称为聚合胶体晶体阵列(polymerized crystalline colloidal arrays ,PCCA) 。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米数量级,故可以生长出近红外到可见光波段的三维光子晶体。胶体的自组装过程可发生于重力场、离心场和电场中,也可利用模板法和颗粒连续对流方法进行。

4、光子晶体的应用 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，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。

光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：

1．与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；

2．与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用；

3．光子晶体光纤应用 ；

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。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。

5、光子晶体的未来展望

近年来，光子晶体得到了越来越多的关注和推崇。科学家们从各个方面来寻求开发应用光子晶体的途径。然而，光子晶体得到广泛应用，还需要解决以下几个问题：

1．制作可以对波长在可见光范围内的光产生BandGap的光子晶体还有很大的困难（具体内容请参看光子晶体制造方法介绍）。

2．解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题--上文已经提到这种缺陷意义。

光子晶体光子晶体

3．制作高效率光子传导材料的技术问题。

4．如何将现在的电流和电压加到光子晶体上的问题。晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。该种可调节晶体结构的光子晶体可用来制作体积微小、广泛用於遥距通讯和卫星通讯的远红外激光器，亦有助研究激发态分子的化学反应，

对化工生产、药物研制及生物科技都十分重要。

6、固体物理与光子晶体的联系与区别

固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，而电子波是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。