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光子晶体
阅读:8531时间:2010-11-25 15:57:24

  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。

概述

  电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限,以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识,近年来,我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果。我国可以将发展新一代集成电路技术与光子晶体技术统筹规划,实现微电子技术向光子技术的顺利过渡。

  光子技术带来信息革命

  信息技术是信息化社会的主要技术支撑。目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之上的微电子技术。由于强烈的需求,微电子技术以惊人的速度发展。根据“摩尔定律”,半导体元件的集成度以每18个月翻一番的速度发展,电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限(如速度极限、密度极限),这些不可逾越的技术极限对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。

特性与结构

  光子晶体随着波长不同,会出现于周期性的结构,可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这些结构当中,最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构,但是,三次元的光子晶体在制造上及商品化,就今天的技术而言是非常困难的。原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体,所以,今天在LED 领域各业者相竞开发的光子晶体LED,也是二次元的光子晶体。

  一般的材料构造是属于固定构造,所以材料本身会具有的一定的折射率。波数(Wave Number)与频率对于一般材料折射率的影响,横轴是物质的波数(Wave Number)、纵轴是频率、斜线就代表折射率。折射率是非常等比例的成长,也就是代表说不管什么样的波数、什么样的波长,它的折射率都是一定的。那么光子晶体是什么样的结构,再从另外一个角度来说明。光子晶体的特性就是周期构造,也因此会产生多重反射。

  光子晶体所构成的波数矢量数和光的频率比例,频率的曲线不是那么单纯,曲线已经会变得非常复杂,这个曲线会随着光的多方向性,就是异向性而出现变化,而随着它的偏光性,就可以运用来设计出不同的产品。光子晶体它有一个很出名的特性,相信大家都知道,就是它有一个光能隙。在光能隙这个区域里面,光线是不存在的。这边的曲线也跟图一A 是的斜率意义是一样的,是折射率的相反。只要在这一点,斜率等于零。所以在这一点以外,光的速度就不会产生零这个现象。所以也可以说,光子晶体也可以控制光的速度。

  就简单来说,运用光子晶体的目的浓缩成一句话,就是要利用周期构造,以人工的方式来控制这个光学特性。

意义

  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。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。

  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。

发展

  近年来,我国政府和科技界对光子晶体的研究也给予了相当的重视,光子晶体研究先后得到了国家“973计划”和“863计划”的支持,我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果,如复旦大学资剑教授课题组首次发现的孔雀羽毛中的光子带隙结构,中国科学院物理研究所张道中教授提出的准晶结构光子晶体,以及我们首次提出的基于铁电陶瓷相变和电光效应的可调带隙光子晶体等均在国际同行中产生了一定的影响。然而,作为一类有重大应用背景的材料,仅仅停留在学术研究方面是远远不够的。吸取我国半导体工业发展的经验与教训,我们应该尽早将支持重点转向相关材料与器件的应用开发上。由于光子晶体的制备需要实现纳米-亚微米尺度的有序结构,其设备价格非常昂贵,因此相关的加工技术将成为相关产业的瓶颈。

  目前,国外一些大企业正在试图将已有的半导体集成电路工艺用于光子晶体材料和器件的制造。目前我国大规模集成电路产业正处于迅速增长阶段,从技术战略上考虑,可以将发展新一代集成电路技术与光子晶体技术统筹规划,在集成电路制程基础上发展光子晶体制程,不仅可以节约大量的资金投入,还可能实现两大类信息技术的合理衔接,实现微电子技术向光子技术的顺利过渡。

  光子晶体的发展潜力是巨大的,浏览CLEO/QELS的会议文章题目可以看出其广泛的应用范围。美国斯坦福大学的JelanaVukovic研究小组将胶质量子点薄膜耦合进硅光子晶体腔中,正在研究激光器的应用。还有的文章报道了光子晶体开关、传感器和其他设备的研究进展;日本NTT基础研究实验室描述了超高Q-光子晶体腔的亚60ps脉冲的Q-开关,他们称这些发展会生成一个复杂的光子记忆或以单光子运行的波长转换器。

  光子晶体的发展前景广阔,但也存在着艰巨的挑战。例如制造复杂光子晶体的设备仍然是一个难题,使光子晶体输出光也是一项技术挑战。但是,随着人们的深入研究,相信光子晶体会构造出更大的应用空间。

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