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能够看到,微电子技术很有可能在以后的十连年中走到止境,届时若是不能解决这些问题,信息技术的前进脚步就很有可能停止下来,会对人们的生活、社会、经济的进展所产生的严峻后果是不可想象的。
光子芯片的曙光
从目前的研究情形来看,解决上述的三个问题还有专门大的困难,尤其是最后一个问题的解决更是遥遥无期。
人们便把目光投向了一些其他技术,其中利用光子代替电子在芯片内进行信息的传输与处置无疑是这些技术中最具吸引力的方案。
比起电子来利用光子来携带信息具有更大的优势,电子自身的特性,比如具有静止质量和电子间的库仑作用等都限制了其难以作为大容量高速的载体;
与电子相较光子具有如下优势:
(1)光子是以光速运动的微观粒子,传播速度快,频带宽,具有极高的信息容量和效率;
(2)光子静止质量为零,彼此作用很弱,能耗低;
(3)电子器件的响应时刻一样为
秒,而光子器件可达
~
秒,极快的响应能力;
(4)光子在通常情形下互不干与、具有并行处置信息的能力;
(5)极大的存储能力。
可是光子很难操纵,要利用光子来进行信息处置,首要任务确实是找到类似半导体材料操纵电子一样地操纵光子行为的材料。
现代电子学的基础是电子能带和带隙。
它是由于电子波函数与晶体周期势场彼此作用的结果。
那么,一样具有波动性的光子,当其在某种材料中运动时,是不是也会产生能带和带隙呢?
在这一研究背景下,和在1987年各自提出了光子晶体(PhotonicCrystals或photonicBand)的概念。
光子晶体(PhotnociCyrstals)即是这种人们期待已久的新材料。
美国的《科学》杂志在1999年12月17日把光子晶体列为十大科学进展之一,光子晶体已成为世界范围内研究的热点。
光子晶体的进展历史
第一个具有实际可行性的光子晶体结构是由依俄洲大学的Ho,Chan和Soukoulis等人第一从理论上提出来的,而美国贝尔通信研究所的Yablonovitch那么制造出了世界上第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶体。
第一块三维光子晶体结构,用活性离子束炮轰依次从三个相差1200的方向在介质上穿孔而制成,光子晶体的光子频率禁带宽度约为中心工作频率的20%。
初期这种光子晶体的工作频率多数落在微波波段。
最近几年来,其工作波段推动到红外波段。
一样来讲,工作波长越短,三维光子晶体的制造越困难。
目前尚未找到制造工作于短波长,尤其是工作于可见光波段的光子晶体结构的有效方式。
为了取得短波长光子晶体,人们最近几年来提出了一些新的光子晶体构造方案。
其中一个具有有效价值的方案确实是所谓的“逐层叠加(layer一by一layer)”方式,即用许多片二维周期性结构叠加在一路而组成三维光子晶体,这种方式是由Ozbay等人提出来的,这种“逐层叠加”方式已被人们普遍采纳。
原那么上来讲,这种方式为短波长三维光子晶体的制造提供了一个可行的途径,但在短波长区域其制造工艺。
图1Yablonovitch等人制造的世界上第一个三维光子结构
图21994年,等人采纳逐层叠加的方式制作的三维光子晶体结构。
光子晶体尽管是一种纯粹人工合成的新材料,只是人们也在自然界中发觉了天然的光子晶体。
蛋白石opal确实是一种天然的光子晶体材料。
在生物界,最近也发觉了光子晶体的踪迹。
在一种帝王蝴蝶中的翅膀上发觉了第一种天然的三维光子晶体结构。
随后Argyros等用SEM、TEM和电脑技术相结合研究了帝王蝴蝶翅膀的具体结构(见图3)。
研究发觉构筑这种光子晶体的材料是一种类似于纤维素的角质蛋白质。
其原胞内结构为一四面体,晶格结构那么属于三斜晶系。
尽管光子晶体的提出已有十几年了,可是光子晶体在实验上仍然进展很慢,困难重重。
最近人们研究发觉,在生物界的DNA的帮忙下,能够在微米尺度下制造出各类各样复杂的结构。
或许在以后光子晶体的研究中,用生物技术来合成光子晶体能够为这一领域开辟一条新的研究方式。
图3Adonis蓝蝴蝶和蝴蝶翅膀的SEM照片
二、光子晶体的大体概念
大体概念
光子晶体的物理概念第一是由和年几乎同时别离独立地提出。
Yablonovitch要紧着眼于操纵材料的自发辐射性质,而John那么偏重于研究无序介质对光局域化的阻碍,他们都提出了介电函数作周期性转变的结构能够阻碍材料中光子的状态模式,由此能够设计出能阻碍光子能带性质的材料。
光子晶体是一种介电常数空间周期性转变、晶格常数可与光波长相较、且具有光子带隙结构,能操纵光子传播状态的新型人工材料。
与半导体相类似,光子晶体中光的折射率的周期性转变产生了光的带隙结构,从而由光带隙结构操纵光在光子晶体中的运动。
一样光波的色散曲线形成带状结构,带与带之间可能会显现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotonicBandGap)。
频率落在禁带中的光波是被严格禁止传播的。
其实不管任何波,只要受到周期性的调制,都有能带结构,也都有可能显现带隙。
能量落在带隙中的波是不能传播的,电磁波或光波也不例外。
若是只在一个方向上有周期结构,光子禁带只可能出此刻那个方向上,若是存在三维的周期结构,就可能显现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向上都被禁止传播。
咱们将具有光子禁带的周期性介质结构称为光子晶体(PhotonicCyrstals)。
由于一样晶体和光子晶体都具有周期性结构,许多研究一样晶体的概念都被运用到光子晶体的研究中去,如能带、能隙、态密度、倒易空间、色散关系、布里渊区、Bloch波函数、缺点态、施主态、受主态等等,固体能带理论中许多方式也被用来研究光子晶体中光子的运动。
光子晶体的结构能够如此明白得,正如半导体材料在晶格结点(各个原子所在的位置)周期性显现离子一样,光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的显现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。
高低折射率材料的交替排列形成周期性结构就能够够产生光子带隙。
而周期排列的低折射率位点之间的距离大小不同,致使了必然距离大小的光子晶体只对必然频率的光波产生能带效应,也确实是只有某种频率的光才会在某种周期距离必然的光子晶体中被完全禁止传播。
光子晶体的分类
依照组成光子晶体的介质排列方式的不同,能够将其分为一维、二维和三维光子晶体,其空间结构如图1所示。
图1光子晶体的空间结构
所谓一维光子晶体是指介质折射率在空间一个方向具有周期性散布的光子晶体材料,相当于不同介质组成的多层膜材料。
简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成,在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数,而在平行于介质层平面方向上介电函数不随空间位置转变。
最初人们以为,由于只在一个方向上具有周期性结构,一维光子晶体的光子带隙只可能出此刻那个方向上。
但是后来,Joannopoulos和他的同事从理论和实验上指出一维光子晶体也可能具有全方位的三维带隙结构,因此需由二、三维光子晶体材料制作的器件用一维光子晶体材料也可能制备出来,而且相对而言,一维光子晶体在结构上最为简单,易于制备。
因此,一维光子晶体仍具有很高的研究意义,能够用一维光子晶体去完成二维、三维光子晶体的功能,有望在以后的全光通信中扮演举足轻重的角色。
二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料,它是由介质杆平行而均匀的排列组成的。
这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向)介电函数是空间位置的周期性函数,而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而转变。
由介质杆阵列组成的二维光子晶体的横截面存在多种结构,如矩形、三角形和石墨的六边形结构等。
截面形状不同,取得的光子频率禁带宽窄也不一样。
矩形的光子频率禁带范围较窄,三角形和石墨结构的光子频率禁带范围较宽。
为了取得更宽的光子频率禁带范围,还能够采纳同种材料但直径大小不同的两种介质圆柱杆来构造二维光子晶体。
光子晶体光纤和光子晶体波导是二维光子晶体的特例。
光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)是一种带有缺点的二维光子晶体,它将光限制在缺点内传播。
目前研究得比较多的是硅一空气结构的光子晶体光纤:
由空气孔和硅材料组成的规那么排列的二维周期结构,然后在中心处制造出缺点,缺点能够是各类形状的空气孔或实心的石英。
PCF光损耗小,具有特殊的色散和非性特性,在光通信领域具有普遍的应用前景。
光子晶体波导也是一种带有缺点的光子晶体,它体积小,易集成,可实现光波的低损耗大角度弯曲。
光在通信领域中的优势是其他物质很难比拟的,但阻碍光器件进展的要紧困难是光很难操纵,传统的波导纤维对光的束缚能力差,在仅有50的转弯处,光场也会有超过一样的辐射损失,要实现900的转弯几乎是不可能的。
因此,要减少光场辐射损失,波导的曲率半径必需超级大,如此又会限制光通信器件的集成度。
光子晶体波导能够克服这一困难。
当在光子晶体中引入缺点时,频率落在线缺点中的光波将被严格限制在缺点的方向传播,线缺点为直线时,光波导也是直的,线缺点成必然角度时,光波导也成必然角度。
能够预见,光波导器件在以后的全光集成光路中将起到关键作用。
三维光子晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。
三维光子晶体具有全方位的光子带隙,即落在带隙中的光在任何方向都被禁止传播。
这一特性具有极为重要的应用前景。
美国贝尔通信研究所的Yablonovitch制造出了世界上第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶体,它是一种由许多面心立方体组成的空间周期性结构,也称为钻石结构。
只是三维光子晶体的制作相对来讲比较复杂,对材料和设计加工都有很高的要求。
三、光子晶体的要紧性质
光子晶体自诞生以来,在短短的几十年里,迅速成为各国科学家研究的热点,主若是因为光子晶体具有光子禁带,能操纵光的传播状态,抑制自发辐射,引入缺点后产生光子局域等独特的性质。
光子晶体的全然特点是具有光子禁带
光子晶体的全然特点是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。
正是由于频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播,假设选择没有明显吸收的介电材料制成光子晶体,那么能够反射任何方向的入射光,反射率几乎为100%。
因此能够将光子晶体作为基底,从而大大提高平面微波天线的发射效率或反射镜的反射率,做成极低损耗的微波天线和光子晶体全反射镜。
光子带隙的存在会带来许多新的物理现象和新的应用。
光子晶体能够抑制自发辐射的特点
爱因斯坦曾经以为自发辐射是不可操纵的,它将不可幸免的与受激辐射和受激吸收共存。
此刻利用光子晶体能够改变这一论断。
咱们明白,自发辐射的概率与光子所在频率的态的数量成正比。
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,该频率的光子态的数量为零,因此自发辐射概率为零,自发辐射也被抑制。
反过来,光子晶体也能够增强自发辐射,只要增加该频率光子态的数量即可实现。
如在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会显现品质因子超级高的杂质态,具有专门大的态密度,如此即能够实现自发辐射的增强。
图2光子禁带对原子自发辐射的阻碍示用意
(a)自由空间;
(b)有缺点的光子晶体中(自发辐射被抑制);
(c)有缺点的光子晶体中(自发辐射被增强)
利用光子带隙的自发辐射抑制作用,能够极大地降低因自发辐射而致使的复合概率,降低激光器的截止电流和阈值,设计出低阈值的光子晶体激光器。
光子晶体的光子局域特点
John于1987年提出:
在一种通过精心设计的无序介电材料组成的超晶格(相当于此刻所称的光子晶体)中,光子呈现出很强的Aderson局域。
若是在光子晶体中引入某种程度的缺点,和缺点态频率吻合的光子有可能被局域位置,一旦其偏离缺点处光就迅速衰减。
当光子晶体理想无缺点时,依照其边界条件的周期性要求,不存在光的衰减模式。
可是一旦晶体原有的对称性被破坏,在光子晶体的禁带中央就可能显现频宽极窄的缺点态。
若是在完整的光子晶体里引入线缺点,就形成了波导结构。
频率在光子带隙里的光波将被限制在波导内传播,这是一种全新的不依托全反射的导光机制。
一般的光纤在大角度的弯折处,能量将泄漏一半以上,而光子晶体里一样弯曲的波导,损耗只有2%。
由于优良的光波导性能,光子晶体可能在以后的全光集成回路中起关键作用。
若是在完整的晶体里引入点缺点,那么形成光子带隙内的缺点态,能够制成品质因子超级高的光子晶体微腔。
光子晶体具有负折射效应
利用光子晶体负折射效应制作成的超透镜,能冲破传统成像的“衍射极限”,极大地提高成像分辨率,从而对微细结构实现“完美成像”,若是应用在核磁共振成像(MRI)领域,可将辐射集中在病人患部进行成像,减少电磁波对病人的整体辐射。
四、光子晶体的研究现状
理论研究方式
光子晶体提出来以后,人们迅速在理论上和实验研究上给予高度重视,而且二者同时取得专门快的进展。
在理论上,人们最初利用标量波理论进行计算,即单独考虑光场的某一个分量,忽略了各个场量在麦克斯韦方程中的祸合,因此理论结果和实验结果有专门大的不同。
随后,人们进展了几种矢量波方式,如平面波展开法、时域有限差分法、传输矩阵法等。
计算说明,这些方式的计算结果与实验结果在必然程度上维持一致,这是因为麦克斯韦方程精准地描述了光场的存在形式,而且光子之间不像电子那样存在彼此作用,在理论上不存在近似。
近些年来,光子晶体的理论研究取得了令人注视的进展,在众多的理论研究方式中,下面列举几种利用比较普遍的计算方式:
(1)平面波展开法
这是光子晶体的计算中利用最先的一种,也是用的最多的一种方式。
它是应用布洛赫定理把介电函数的电场或磁场用平面波展开,将麦克斯韦方程组化成一个本征方程,求解本征方程即可取得光子能带,这种光子晶体的能带计算方式事实上是套用了电子能带的方式,并在平面波展开方式的基础上进一步套用了缀加平面波方式、紧束缚方式等,在处置有缺点的情形时,假设采纳平面波方式,那么要用超原胞,需要专门大数量的平面波。
紧束缚方式能够克服那个困难,这种方式的优势是思路清楚,易于编程;
缺点是计算量正比于所用波数的立方,因此关于光子晶体的结构复杂或处置有缺点的体系需要大量的平面波,可能因为计算能力的限制而不能计算或难以准确计算。
若是介电函数不是常数而随频率转变,就没有一个确信的本征方程形式,而且有可能在展开中显现发散致使全然无法求解。
(2)传输矩阵法
这种方式最先由Penddry和Macknnino进展起来的,并十分成功的应用于LEED实验分析和有缺点的光子晶体中。
其实质上,是把电场或磁场在实空间格点位置展开,将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式,一样变成求解本征值问题。
传输矩阵表示某一层面格点的场强与近邻的另一层面格点场强的关系,它假设组成空间中同一个格点层面上有相同的态和相同的频率,如此能够利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。
这种方式对介电函数随频率转变的金属系统专门有效,由于传输矩阵小,矩阵元少,计算量较前者大大降低,只与实空间格点数的平方成正比,精准度也超级好,而且还能够计算反射系数和透射系数。
(3)多重散射法
这种方式将具有带隙结构的光子晶体作为散射体置于开放系统中,当电磁波与散射体彼此作历时,研究目标的散射、吸收和透射特性等。
入射电磁波与物体作用要产生散射波,散射波与入射波之和知足媒质不持续面上切向分量持续的边界条件,因此在物体所在区域直接计算入射波和散射波之和的总场更为方便。
将电磁场量别离向一阶BeseslHankel函数作展开,又因为麦克斯韦方程是线性的,故总场散射场和入射场部份都别离知足麦克斯韦方程,通过求解展开系数可求解散射波幅,传输系数等。
这种方式对某些特殊问题的成效仍是不错的。
(4)时域有限差分法
这种方式直接把含时刻变量的麦克斯韦方程在Yee氏网格空间中转化为差分方程。
在这种差分格式中,每一个网格点上的电场或磁场分量仅与它相邻的磁场或电场分量及上一时刻步该点的场值有关,在每一时刻步计算网格空间各点的电场和磁场分量,随着时刻步的推动,即能直接模拟电磁波的传播及其与物体的彼此作用进程。
由于在差分格式中被模拟空间电磁性质的参量是按空间网格给出的。
因此,只需对相应空间点设定适当的参数,对介质的非均匀性、各相异性、色散特性和非线性等结构均能很容易地进行精准模拟。
这种方式的优势是简单直观,容易编程,且大大减少计算量,节省运算机内存。
(5)N阶(orde-rN)法
这是引自电子能带理论的紧束缚近似的一种方式,由Yee在1996年提出的时域有限差分法(FDTD)进展来的。
大体思想是:
从概念初始时刻的一组场强动身,依照布里渊区的边界条件,利用麦克斯韦方程组能够求出场强随时刻的转变,从而最终解得系统的能带结构。
具体做法;
通过傅立叶变换先将麦克斯韦方程组转变到倒格子空间,用差分形式约简方程组,然后再作傅立叶变换,又将其变换到实空间,取得一组被简化了的时刻域的有限差分方程。
如此,原方程能够通过一系列在空间和时刻上都离散的格点之间的关系来描述,计算量大大降低,只与组成系统的独立分量的数量N成正比。
可是在处置Andesron局域和光子禁带中的缺点态等问题时,计算量剧增,这种情形下传输矩阵法比较方便。
上述的理论计算方式只是给定的光子晶体的结构组成后才能定量定性地得出准确的结论。
尽管咱们明白几个参量(如介电函数比、填充比、晶格结构等)对光子禁带有阻碍,但“究竟是什么物理机制在光子禁带的形成中起了决定作用?
”也确实是如何从物理上定性、定量或半定量地分析和设计光子禁带?
尚未有正确答案。
例如,若是要取得必然频率范围内的光子禁带,咱们应该找什么样的光子晶体结构组成呢?
由于这方面的研究迄今只是十余年,因此还有大量的工作需要人们去做。
应用领域
(1)平面微波天线
由于频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播,因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体能够反射从任何方向的入射光,反射率几乎为100%,这与传统的金属反射镜完全不同。
传统的金属反射镜在专门大的频率范围内能够反射光,但在红外和光学波段有较大的吸收。
在微波、毫米波集成回路中,平面天线是很重要的角色,它将信号从芯片辐射入自由空间。
一般的平面天线由于衬底的透射等缘故,发射向空间的能量有很多损失。
若是用光子晶体作天线衬底,假设天线的驱动频率在带隙内,那么,不论以任何角度辐射的功率都可不能进入衬底,因为沿导体一衬底界面,整个衬底部份的半球内,辐射都不被传播。
因此用光子晶体作平面天线的衬底,会极大地增加天线的辐射强度、辐射效率和择向性。
Brown等人第一在光子晶体衬底上制作了平面天线,实验证明通过布拉格散射,光子晶体内部排除天线辐射,如此辐射不被衬底吸收。
接着又用带隙相互重迭的光子晶体按必然顺序堆起来,取得超宽带隙光子晶体,以用作高效宽带天线的衬底。
以前人们一直以为一维光子晶体不能作为全方位反射镜,因为随着入射光偏离正入射,总有光会透射出来。
但最近Fink等人的理论和实验结果说明,选择适当的介电材料,即便是一维光子晶体也能够作为全方位反射镜。
多发射率小型微波天线
传统的小型偶极平面微波天线是以GaAs做基底材料的,其发射效率只有2%,而98%的能量被基底吸收或散射消耗掉。
若是采纳光子晶体做基底材料,关于频率处于光子带隙范围内的电磁波,光子晶体的表面是一个理想的反射面,光子晶体基底几乎不消耗能量。
如此天线所发射的电磁波均被发射到空间中,从而大大提高了天线的发射效率。
(2)宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器
利用光子晶体的光子频率带隙特性能够实现对光子的极优良的滤波性能。
这是由于光子晶体的滤波带宽能够做的比较大,金刚石结构的光子品体的滤波带宽能够做到中心频率的20%,而由Gupta等人所提出的金属—介质复合型光子晶体能够将从低频(频率接近0Hz)直到红外波段的电磁波完全滤掉。
这种大范围的滤波作用利用传统的滤波器是难以实现的。
另外研究发觉,当光子晶体中的某些单元被取消而造成缺点时,就会使得光子晶体的光子频率带隙显现一些“可穿透窗口”,即光子频率带隙内的某些频率会毫无损失地穿过光子晶体。
光子晶体的这一特性能够用来制作高品质的极窄带选频滤波器。
(3)光子晶体微腔
光学微腔是指具有高品质因子而尺寸小至与谐振光波波长相较拟的光学微型谐振腔。
但由于其尺寸专门小,用传统的谐振腔制作方式来制造微腔是相当困难的。
而且在光波波段,传统的金属谐振腔的损耗相当大,品质因数值很小。
而光子晶体微腔的品质因数能够做得很高,是采纳其他材料制作的皆振腔所无法达到的。
在光子晶体中引入缺点可能在光子带隙中显现缺点态,这种缺点态具有专门大的态密度和品质因子。
人们通过在完整光子晶体中引入一个点缺点来实现光限制。
点缺点能够是在晶体中心的某个局部点改变原子的介电常数、尺寸,或是把它从晶体中移走。
从晶体中移走一个原子,就形成了一个由反射镜围成的腔,若是腔的尺寸正适合容纳一个处在带隙内的模式,就将那个模式“钉”在了缺点处。
若是那个模式与传播模有非零的耦合,能量就会从谐振方向漏泄出去,一样用腔的品质因子Q描述这一特性。
1991年,Yablonvitch等人通过在三维光子晶体中引入一个点缺点制作出了第一个光子晶体微腔。
两年后,smith等人用二维光子晶体也作成了高品质因子微腔,在10~18GHz波段,Q值达到1000左右。
1996年,Lin等人报导,他们设计出的类似量子阱和量子盒结构的二维光子晶体谐振腔,在毫米波段,品质因子Q值可达23000。
目前实验中己经能够在微米及亚微米尺度下用Si或IV、V主族的半导体材料加工出微腔。
1999年,Painter等人在《Science》上报导了一个更小的、垂直发射的二维缺点光子晶体微腔激光器,如图所1示。
他们先用离子刻蚀方式刻出二维缺点光子晶体的图形,再用湿法侵蚀,把多量子阱下面的衬底挖空。
取得的光泵激射谱的激射波长为
,阀值功率为。
图1光子晶体微腔的俯视图和剖面图
光子晶体微腔引发专门注意的缘故是它对光集成有着重要的意义。
它们
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