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什么是光子晶体

2019-08-07 13:32:39 上海温玛电子科技有限公司 阅读

  光子晶体是1987年提出的, 这种材料有一个显著的特点, 即它可以如人所愿地控制光子的运动,是光电集成、光子集成、光通信、微波通信、空间光电技术,以及国防科技等现代高新技术的一种新概念和新材料,也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。 光子晶体的这一概念是同真实晶体的类比而来的。 在固体材料中, 由于原子核周期性势场的作用,电子会形成能带结构,带与带之间(如价带与导带)有能隙,称为禁带。将这一思想应用于传输光的介质, 如果介质中也存在周期性的结构, 其中的光子也会形成类似于电子能带的结构, 在带与带之间也会出现禁带。 在固体中, 能量处于禁带内的电子是不可能存在的。 与此类似, 在具有禁带的介质结构中, 频率对应于禁带的光不能在其中存在或传播, 把这种由于存在禁带而对频率有选择特性的周期性介质结构称为光子晶体, 相应的光不能在其中存在或传播的频率范围称为光子禁带或光子带隙。

  光子晶体的周期性结构可以抑制自发辐射, 自发辐射的概率与光子所在频率的态密度成正比。 当原子被放在一个光子晶体里面, 而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时, 由于该频率的态密度为零, 因而自发辐射概率为零, 相应的自发辐射被抑制。 而抑制自发辐射具有十分重要的现实意义, 如在半导体激光器中, 由于自发辐射的存在而引起较大的附加电流损失, 这是成为激光器阈值的主要原因 。 如果能够把自发辐射限制在一定的电磁模式内, 如激光器的输出模式内, 则激光器的岡值会大幅度降低, 甚至有可能制成零l調值激光器。 在异质结双极晶体管, 如果将表现为电子一空穴复合的自发辐射降至最少, 那么晶体管的电流增益则会随之大大增强。

  传统的激光器存在功耗大、耗值高、模式特性差、尺寸大、不易集成等缺点,而成为限制激光器被更广泛应用的瓶颈; 光波导和反射镜已广泛应用于集成光路和光通信中, 由于目前无法制备直角波导和高反射率的反射镜, 同样限制了该器件的实际应用 。 但光子晶体具有特殊的控制光子的能力, 在传统光电子器件中引入光子晶体结构, 将突破传统器件中的物理瓶颈, 而提升器件的性能;在光子品体芯片上集成激光器、波导、滤波器、耦合器等,将能实现微纳结构下的全光集成。

  随着微加工技术的进步, 近十年来集成光路研究取得了很大的进展 。 但是, 光子是中性粒子, 不像电子一样易于被操纵, 因而目前光信息技术的应用还仅仅局限于信息的传输, 即光通信, 而在信息处理方面还无法取代电子技术 。 但光子晶体这种新材料, 可能为解决这一问题提供机会。 因为可根据光子晶体的能带工程, 来达到控制光子运动的目的。更为重要的是, 可以在一块光子晶体上将具有不同功能的光子器件集成起来, 实现光子集成芯片 。 显然, 在这个芯片中, 光子晶体激光器将作为核心器件而提供光子。

  值得指出的是, 光子晶体不是简单的晶体而是由不同晶体按特定方式排列而成的 。 目前, 实验室中所用的光子晶体, 都是人工设计制作出来的 。


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