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标题: 【光子晶体专辑】 [打印本页]

作者: t0y 时间: 2008-2-25 15:04
标题: 【光子晶体专辑】


第一章簡介
光子能隙早在半個世紀前，物理學家就已經知道，晶體(如半導體)中的電子由於受到晶格的週期性位勢(periodic potential)散射，部份波段會因破壞性干涉而形成能隙(energy gap)，導致電子的色散關係(dispersion relation)呈帶狀分佈，此即眾所周知的電子能帶結構 (electronic band structures)。然而直到西元1987年，E. Yablonovitch 及S. John [1]才不約而同地指出，類似的現象也存在於光子系統中：在介電係數呈週期性排列的三維介電材料中，電磁波經介電函數散射後，某些波段的電磁波強度會因破壞性干涉而呈指數衰減，無法在系統內傳遞，相當於在頻譜上形成能隙，於是色散關係也具有帶狀結構，此即所謂的光子能帶結構(photonic band structures)。具有光子能帶結構的介電物質，就稱為光能隙系統(photonic band-gap system，簡稱PBG系統)，或簡稱光子晶體(photonic crystals)。
自然界中的例子光子晶體雖然是個新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質的物質，盛產於澳洲的寶石蛋白石蛋白石(opal)即為一例[2]。蛋白石是由二氧化矽奈米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素無關，而是因為它幾何結構上的週期性使它具有光子能帶結構，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變彩把戲。
圖1.1 蛋白石是礦物界的光子晶體(取自http://www.lostseaopals.com.au/opals/index.asp)
	在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅膀上的斑斕色彩，其實是鱗粉上排列整齊的次微米結構，選擇性反射日光的結果[3]。幾年前，科學家發現澳洲海老鼠的毛髮也具有六角晶格結構[4]，為生物界的光子晶體又添一例。
圖1.2 翅膀鱗粉具有光子晶體結構的蝴蝶[3]
人造多層系統事實上，在三維光子能帶結構的概念尚未問世前，層狀介電系統──即一維的光子晶格──已被研究多年，電磁波在該系統中的干涉現象早已應用在各種光學實驗中，做為波段選擇器、濾波器或反射鏡等。例如光學中常見布拉格反射鏡(Bragg reflector)[5]，乃是一種四分之一波長多層系統(quarter-wave-stack multi-layered system)，說穿了就是簡單的一維光子晶體。

儘管如此，這方面的研究卻停留在一維系統的光學性質上，物理界一直未能以「晶格」的角度來看待週期性光學系統，也因此遲遲未將固態物理上已發展成熟的能帶理論運用在這方面。一直到了1989年，Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在[6]，該實驗雖然功虧一簣，但物理界已注意到其潛力，於是開始大舉投入這方面的研究。
第一個絕對能隙 Yablonovitch及Gmitter在實驗中採用的週期性介電系統是在三氧化二鋁(Al2O3)塊材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式鑽了將近八千個球狀空洞，這些空洞即所謂的“原子”，如此形成一個人造的巨觀晶體。三氧化二鋁和空氣的介電常數分別為12.5和1.0，面心立方體的晶格常數是1.27公分。根據實驗量得的透射頻譜，所對應的三維能帶結構如圖1.3所示，其中左斜與右斜線分別代表兩種不同的偏極化模。由此圖所求得的絕對能隙(absolute gap)位於15GHz的微波範圍，寬度約有1GHz)。遺憾的是，理論學家稍後指出，上述系統因對稱性(symmetry)之故，在W和U兩個方向上並非真正沒有能態存在，只是該頻率範圍內的能態數目相對較少，因此只具有虛能隙(pseudo gap)[7]。	圖1.3 第一個功敗垂成的三維光子晶體[6]。
圖1.4 第一個具有絕對能隙的光子晶體 (取自http://www.ee.ucla.edu/labs/photon/)，及其經過特別設計的製作方式[8]。	兩年之後，Yablonovitch等人捲土重來，這回他們調整製作方式，在塊材上沿三個夾120度角的軸鑽洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的“原子”(如圖1.4所示)[8]，終於打破了對稱的束縛，在微波波段獲得真正的絕對能隙，證實該系統為一個光子絕緣體(photonic insulator)。

發展至今，無論是理論上或實驗上都已有大量的成果出現[8]：在三維方面，光子能隙已在許多晶格結構不同的系統如面心立方、體心立方(body-centered cubic)及其他準晶格 (quasi-crystal)結構中觀察到；在二維方面，三角(triangular)、四角(square)、蜂巢(honey comb)及其他晶體結構也被證實具有光能隙的存在[9]。
缺陷：一線生機雖然只有完美的光子晶體才可能擁有絕對能隙，但就應用的角色來看，科學家對不完美的光子晶體更感興趣，原因就是雜質態 (impurity state)。實驗上發現[10]，在二維或三維的光子晶體中加入或移去一些介電物質(如圖1.5所示)，便可以產生雜質或缺陷(defect)。	圖1.5 具有點狀缺陷的光子晶體。
圖1.6 出現在能隙中的缺陷態。	與半導體的情況類似，光子系統的雜質態也多半落在能隙內，這使原來為「禁區」的能隙出現了「一線生機」 (如圖1.6所示) 。能隙給了人類侷限電磁波的能力，而雜質所提供的一線生機則使我們有導引電磁波的可能，這點在光電上極具應用價值。因此，在光子晶體相關領域內，雜質態是個重要的研究課題。
對於一個雜質態而言，由於雜質四周都是光子晶體形成的「禁區」，電磁波在空間分佈上只能侷限在雜質附近，因此一個點狀缺陷(point defect)相當於一個微空腔(micro-cavity) 。如果像圖1.7一樣接連製造幾個點狀缺陷，形成線狀缺陷(line defect)，電磁波便可能沿著這些缺陷傳遞，就相當於一個波導(waveguide)，甚至有人以它設計成光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)。以上只是雜質態在光電方面的幾個應用，在後面的章節中我們還會做更深入的分析。	圖1.7 光子晶體中的線狀缺陷可以做為波導。

光學界的"半導體"

      由於雜質態可以藉改變雜質的大小或其介電常數而加以調整，             因此只要設計妥當，我們便可按需求製造出具有特定能量或位於特定空間的雜質態，與半導體藉由攙入雜質來調整載子性質             非常相似，因此，光子晶體又經常被比喻成未來光學界的“半導體”[11]。

圖1.8 整合各種光子晶體相關結構所設計的積體光路之想像圖
(取自http://www.st-andrews.ac.uk/~photocryst/Projects.htm)。

      以上是光子晶體的發展及特性的簡介。             在接下來的第二章中，我們將透過電磁學與固態物理的語言，深入探討光子能帶結構形成的原理及其特性。             光子晶體最吸引人的條件之一，是它提供了人們按自己的需求，以人工方式設計、裁製訂作(taylor)光學系統的可能性，             因此，我們有必要了解一下光子晶體的製造。現行的幾種主要製造方法，無論是「由大縮小」(top-down)或是「由小做大」             (bottom-up)，都各有它們的優點與限制，我們將在第三章中逐一為各位介紹分析。　　

      由於實驗上製作光晶體頗為費事費時，理論方面的模擬計算就             顯得格外重要。除了輔佐實驗外，理論計算本身也是研究光子晶體的重要一環，不論是數值或解析上的計算結果，對於改良             甚至設計新系統都有不可或缺的貢獻。因此我們將在第四章中介紹各種計算光子能帶、透射頻譜及電磁場傳遞的方法，並分析這些方法的優缺點及適用對象。          　　

      在第五章中，我們將探討的是光子晶體所帶來的物理新現象及             可能的應用。光子晶體由於提供了操控光的能力，因此光電工業對它特別感興趣，許多相關應用也紛紛被提出來，雖然目前             實際的應用還有限，但隨著科技的加速發展與知識的累積，或許在不久的未來，我們就能目睹「積體光路」(integrated optical circuits)的實現。

[ 本帖最后由 t0y 于 2008-2-26 14:16 编辑 ]

作者: kaka 时间: 2008-2-25 17:07
国内还是实验阶段，离生产还有段距离

作者: wzc520 时间: 2008-5-28 09:52
呵呵，了解了解，学习学习，多谢了！

作者: turppb2hot 时间: 2008-5-29 13:09
标题: 爱死你了
爱死你了,这么好的帖子要顶的

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作者: duanguohua 时间: 2011-4-8 15:41
现在我做的只是计算机模拟

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