光子晶体的制备及其应用

简述光子晶体的制备及其应用

摘 要：简单介绍了光子晶体，光子晶体的理论分析方法，简述了光子晶体在光传感的应用，空心光纤的简单介绍。

关键词：光子晶体简介，光子晶体的制备，光子晶体理论分析方法，光子晶体的应用，光传感，空心光纤

1.简介

   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结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。

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.制备和理论分析方法

2 . 1有效折射率方法

B i r k s等人最早研究光子晶体光纤时，将其与传统的阶跃折射率光纤类比，

提出了等效折射率模型， 主要用于解释全反射型光子晶体光纤的单模特性， 并指

出对于光子晶体包层空气孔比较大的情况下不能使用此方法， 而且很少用于分析

光纤的色散特性， 主要原因是一般认为其精度比较低。 但也有文章表示， 等效折

射率模型可以进行模式特性、 传输常量、 模场分布、 功率限制特性、 瑞利散射损

耗特性、 色散特性等等， 同时结果精度较好1 4 5 - 4 8 1 。 其计算方法的主要等效步骤如

图2 . 3 . 1 所示。

等效折射率模型提出基空间模式 ( F S M ) ，即完美光子晶体光纤中允许的最

大传输常量P F S M所对应的模式。这样，光子晶体包层可以等效成一个均匀外包

层，其等效折射率为

( 2 . 3 . 1 )

其中

（2 . 3 . 2 )

为了得到将光子晶体包层近似为无限大周期性结构，如图2 . 3 . 1 ，将包层

在空气柱直径d 不是很大的情况下， 将其正六边形外边界近似为半径为，

( 2 . 3 . 3 )

在一个周期性单元中，采用标量近似，标量场可以表示为

（2.3.4 ）

其中满足标量波动方程:

该方程的最大的根就是 ，由此即可得到光子晶体包层的等效折射率。

根据这个包层等效折射率， 就可以将光子晶体光纤等效成阶跃折射率的普通

光纤。其中当= 0 时，对应全反射型光子晶体光纤， > 0 时，对应带隙波导型光子晶体光纤。

2 . 2有限元法

有限元法分析光波导的模场具有简单、方便、精确、通用等优点， 特别是这

种方法可以用来分析具有任意折射率截面的光波导，而且可以同时求出T E模或

者T M模所有模式的传播常数和模场分布。 它仅需给定光波的波长和相应的折射

率分布以及所需求解的模式， 就能够同时求解出光波导中对应波长的所有模式折

射率和模场分布。 有限元法的运算量很大， 但由于目前计算机速度与存储容量的

迅速发展，使得有限元法正逐步得以广泛应用。

光子晶体光纤的独特结构，非常适用于有限元法。目前研究中报道的有限元

法分析光子晶体光纤主要用到有效折射率等近，这里给予简单介绍。

对于纤芯和包层折射率分别为n . 。 和n c ! 的传统阶跃型光纤， 通过求解二维亥

姆霍兹方程

可以得到特定光波导对不同波长的模式折射率分布与归一化强度分布，其中

（2.3.11）

为真空中的波数， n ( x , y ) 为二维横截面上的折射率分布，为传播常数。 我们知

道，当折射率n 满足

2 . 3平面波法

平面波法处理周期性结构问题具有很多优点，它可以被用来处理一、二、 三维问题。 它能计算光子带隙的位置、 宽度， 也可以计算光子晶体的结构缺陷问题。使用平面波法分析光子晶体光纤主要是考虑到光子晶体光纤的复杂包层结构， 将模场分解为平面波分量的叠加， 同时将折射率展开为傅立叶级数， 并将以上分解代回电磁场的全矢量方程，求解本征值问题从而可以得到模式和相应的传播常数。主要步骤为:

首先从Ma x w e l l 方程得到磁场的全矢量方程，表示为

3.光子晶体的应用

的应用范围非常广泛。利用光子晶体具有光子禁带基本性质，可以将其用作光子晶体全反射镜和损耗极低的三维光子晶体天线；利用光子禁带原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低囡自发跃迁而导致复合的几率，可以设计制作出无域值激光器和光子晶体激光二极管；通过在光子晶体中引入缺陷，使得光子禁带中产生频率极窄的缺陷态，可以制造高性能的光子晶体光滤波器；

单频率光全反射镜和光子晶体光波导：如果引入的是点缺陷，则可以制作成高品质因子的光子晶体谐振腔；而二维光子晶体对入射电场方向不同的TE、TM偏振模式的光具有不同的带隙结构，又可以据此设计二维光子晶体偏振片，只要这两种偏振模式的禁带完全错开就可以获得单一模式的透射光，这种偏振光具有很高的偏振度和透射率。当然，综合利用光子晶体的各种性能，还可以有其他更

广泛的应用，如光开关、光放大器、光聚焦器。另外，如果用金属、半导体与低

介电常数材料组成光予晶体以及无序光子晶体，则都会因为其特殊结构而产生一

些特殊性质，从而能够制造出一些新型光学器件。总而言之，由于光子晶体的特

点决定了其优越的性能，因此它极有可能取代大多数传统的光学产品，其前景和

即将对经济、对社会发展产生的影响是不可估量的。

光子晶体最重要的应用是缺陷的引入，它将使带隙中形成相应的缺陷能级，

而如果沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条通路——缺陷条纹，沿着

这条条纹，光予得以顺利传播，其它任何试图脱离这条通路的光子都将被禁止，

理想状态下，这实现了一条无任何损耗的光通路，而光子晶体光纤正是基于这样

一种机理所发展起来的。而这也正是光子晶体应用的主导思想。

3.1光传感的应用

将光子晶体光纤应用于光传感中时， 有两个方式， 一是利用光子晶体光纤所

特有的孔洞做文章， 二是利用普通光纤使用光纤光栅的光谱特性变化进行传感测大后与一-路信号光汇合进入PCF发生非线性作用。由于互相位调制发生的信号

光相移量，其中γ为介质的非线性系数，耳为泵浦光功率，￡为泵

浦光和信号光相互作用长度。其主要难点在于干涉臂的光程差调整上。

3.2空心光纤

光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤（Hollow Fiber）。

主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于，光的大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，有在简内设置电介质，使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长10.6pm损耗达几dB／m的。

　　空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。

　　光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤(PCF)是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型 —— 折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型光子晶体光纤可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。

　　采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤(HC-PCF)比传统光纤更有优势。

　　与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100 nm粗。这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似.

4.未来展望

预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。

而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今"视顶盒"类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。

在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体"二极管"和"晶体管"；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。

如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/6e0f0fa2541810a6f524ccbff121dd36a32dc418.html