光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出�(xiàn),使人們操縱和控制光子的夢想成為可能�
電子和微電子技�(shù)正在走向物理上和技�(shù)上的極限,以光子代替電子作為信息的載體是長期以來人們的一個共識,近年�,我國科�(xué)工作者在光子晶體材料的基�(chǔ)研究方面取得了一些令人矚目的研究成果。我國可以將�(fā)展新一代集成電路技�(shù)與光子晶體技�(shù)�(tǒng)籌規(guī)�,實�(xiàn)微電子技�(shù)向光子技�(shù)的順利過��
光子技�(shù)帶來信息革命
信息技�(shù)是信息化社會的主要技�(shù)支撐。目前信息技�(shù)的核心是建立在半�(dǎo)體材料基�(chǔ)之上的微電子技�(shù)。由于強(qiáng)烈的需�,微電子技�(shù)以驚人的速度�(fā)�。根�(jù)“摩爾定律”,半導(dǎo)體元件的集成度以�18個月翻一番的速度�(fā)�,電子和微電子技�(shù)正在走向物理上和技�(shù)上的極限(如速度極限、密度極�),這些不可逾越的技�(shù)極限對信息技�(shù)的�(jìn)一步發(fā)展提出了重大挑戰(zhàn)�
光子晶體隨著波長不同,會出現(xiàn)于周期性的�(jié)�(gòu),可以分別發(fā)展出一次元、二次元及三次元的光子晶體。而在這些�(jié)�(gòu)�(dāng)�,最出名的應(yīng)該是屬于三次元的光子晶體�(jié)�(gòu),但是,三次元的光子晶體在制造上及商品化,就今天的技�(shù)而言是非常困難的。原因是目前主要研究的領(lǐng)域還是保留在二次元的光子晶體,所�,今天在LED �(lǐng)域各�(yè)者相競開�(fā)的光子晶體LED,也是二次元的光子晶��
一般的材料�(gòu)造是屬于固定�(gòu)�,所以材料本身會具有的一定的折射�。波�(shù)(Wave Number)與頻率對于一般材料折射率的影�,橫軸是物質(zhì)的波�(shù)(Wave Number)、縱軸是頻率、斜線就代表折射�。折射率是非常等比例的成�,也就是代表說不管什么樣的波�(shù)、什么樣的波�,它的折射率都是一定的。那么光子晶體是什么樣的結(jié)�(gòu),再從另外一個角度來說明。光子晶體的特性就是周期構(gòu)�,也因此會產(chǎn)生多重反��
光子晶體所�(gòu)成的波數(shù)矢量�(shù)和光的頻率比例,頻率的曲線不是那么單�,曲線已�(jīng)會變得非常復(fù)雜,這個曲線會隨著光的多方向�,就是異向性而出�(xiàn)變化,而隨著它的偏光�,就可以�(yùn)用來�(shè)計出不同的產(chǎn)�。光子晶體它有一個很出名的特性,相信大家都知�,就是它有一個光能隙。在光能隙這個區(qū)域里�,光線是不存在的。這邊的曲線也跟圖一A 是的斜率意義是一樣的,是折射率的相反。只要在這一�(diǎn),斜率等于零。所以在這一�(diǎn)以外,光的速度就不會產(chǎn)生零這個現(xiàn)�。所以也可以�,光子晶體也可以控制光的速度�
就簡單來說,�(yùn)用光子晶體的目的濃縮成一句話,就是要利用周期�(gòu)造,以人工的方式來控制這個光�(xué)特��
光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出�(xiàn),使人們操縱和控制光子的夢想成為可�。從材料�(jié)�(gòu)上看,光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)�(gòu)的人工設(shè)計和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對電子波函�(shù)的調(diào)制相類似,光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相�(yīng)波長的電磁波———當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時,由于存在布拉格散射而受到調(diào)�,電磁波能量形成能帶�(jié)�(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙,即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光�,不能�(jìn)入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處,原則上人們可以通過�(shè)計和制造光子晶體及其器件,�(dá)到控制光子運(yùn)動的目的�
迄今為止,已有多種基于光子晶體的全新光子�(xué)器件被相繼提出,包括無閾值的激光器,無損耗的反射鏡和彎曲光路,高品質(zhì)因子的光�(xué)微腔,低�(qū)動能量的非線性開�(guān)和放大器,波長分辨率極高而體積極小的超棱鏡,具有色散�(bǔ)償作用的光子晶體光纖,以及提高效率的�(fā)光二極管等。光子晶體的出現(xiàn)使信息處理技�(shù)的“全光子化”和光子技�(shù)的微型化與集成化成為可能,它可能在未來導(dǎo)致信息技�(shù)的一次革命,其影響可能與�(dāng)年半�(dǎo)體技�(shù)相提并論�
近年�,我國政府和科技界對光子晶體的研究也給予了相�(dāng)?shù)闹匾?,光子晶體研究先后得到了國家�973計劃”和�863計劃”的支持,我國科�(xué)工作者在光子晶體材料的基�(chǔ)研究方面取得了一些令人矚目的研究成果,如�(fù)旦大�(xué)資劍教授課題組首次發(fā)�(xiàn)的孔雀羽毛中的光子帶隙�(jié)�(gòu),中國科�(xué)院物理研究所張道中教授提出的�(zhǔn)晶結(jié)�(gòu)光子晶體,以及我們首次提出的基于鐵電陶瓷相變和電光效�(yīng)的可�(diào)帶隙光子晶體等均在國際同行中�(chǎn)生了一定的影響。然�,作為一類有重大�(yīng)用背景的材料,僅僅停留在�(xué)�(shù)研究方面是遠(yuǎn)�(yuǎn)不夠�。吸取我國半�(dǎo)體工�(yè)�(fā)展的�(jīng)驗與教訓(xùn),我們應(yīng)該盡早將支持重點(diǎn)�(zhuǎn)向相�(guān)材料與器件的�(yīng)用開�(fā)�。由于光子晶體的制備需要實�(xiàn)納米-亞微米尺度的有序�(jié)�(gòu),其�(shè)備價格非常昂�,因此相�(guān)的加工技�(shù)將成為相�(guān)�(chǎn)�(yè)的瓶頸�
目前,國外一些大企業(yè)正在試圖將已有的半導(dǎo)體集成電路工藝用于光子晶體材料和器件的制�。目前我國大�(guī)模集成電路產(chǎn)�(yè)正處于迅速增長階段,從技�(shù)�(zhàn)略上考慮,可以將�(fā)展新一代集成電路技�(shù)與光子晶體技�(shù)�(tǒng)籌規(guī)�,在集成電路制程基礎(chǔ)上發(fā)展光子晶體制�,不僅可以節(jié)約大量的資金投入,還可能實現(xiàn)兩大類信息技�(shù)的合理銜接,實現(xiàn)微電子技�(shù)向光子技�(shù)的順利過��
光子晶體的發(fā)�?jié)摿κ蔷薮蟮模瑸g覽CLEO/QELS的會議文章題目可以看出其廣泛的應(yīng)用范�。美國斯坦福大學(xué)的JelanaVukovic研究小組將膠�(zhì)量子�(diǎn)薄膜耦合�(jìn)硅光子晶體腔�,正在研究激光器的應(yīng)�。還有的文章報道了光子晶體開�(guān)、傳感器和其他設(shè)備的研究�(jìn)�;日本NTT基礎(chǔ)研究實驗室描述了超高Q-光子晶體腔的�60ps脈沖的Q-開關(guān),他們稱這些�(fā)展會生成一個復(fù)雜的光子記憶或以單光子運(yùn)行的波長�(zhuǎn)換器�
光子晶體的發(fā)展前景廣�,但也存在著艱巨的挑�(zhàn)。例如制造復(fù)雜光子晶體的�(shè)備仍然是一個難�,使光子晶體輸出光也是一項技�(shù)挑戰(zhàn)。但�,隨著人們的深入研究,相信光子晶體會�(gòu)造出更大的應(yīng)用空間�