光子晶体及其应用光子晶体及其应用林晨曦林晨曦TsinghuaUniv.TsinghuaUniv.内容提要内容提要光子晶体简介光子晶体简介–光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成–光子晶体能带特性与功能光子晶体能带特性与功能光子晶体在光通信系统的应用光子晶体在光通信系统的应用–一维光子晶体一维光子晶体–二维光子晶体二维光子晶体光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::散射散射•杂乱介质中的光散射杂乱介质中的光散射–光波波长光波波长λλ»»杂质平均间杂质平均间隔隔aa：：RayleighRayleigh散射散射光子平均自由程光子平均自由程ll∝∝a4a4能量以扩散方式传播能量以扩散方式传播–λλ«a:«a:几何光学，几何光学，l≥a,l≥a,能量以波动方式传播能量以波动方式传播–λλ~a~a：光子局域，：光子局域，λλ~~ll~a~a临界状态，光子局域临界状态，光子局域•相干散射比随机散射更容易相干散射比随机散射更容易→获得光子局域启发人们设→获得光子局域启发人们设想光子晶体想光子晶体光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::布拉格反射布拉格反射•菲聂尔菲聂尔(Fresnel)(Fresnel)定律定律光波在入射到不同折射率的分界面上时光波在入射到不同折射率的分界面上时,,会发生折射会发生折射//反射反射•布拉格布拉格(Bragg)(Bragg)反射反射光波穿过周期性调制折射率的介质时光波穿过周期性调制折射率的介质时,,不同层面上的反射光相干叠加不同层面上的反射光相干叠加,,使总的反射光增强使总的反射光增强//减弱减弱•有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构有些频率的光能够透射增强，有些频率的光反射增强，形成能带结构光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::光在周期性折射率介质中的传播光在周期性折射率介质中的传播•均匀介质中：线性色散，不会形成带隙均匀介质中：线性色散，不会形成带隙•周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受周期性介电常数：光波受到调制，某些频率的光子受到“晶格”的布拉格反射，不能传播，形成带隙到“晶格”的布拉格反射，不能传播，形成带隙光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::光的“半导体”光的“半导体”•半导体中半导体中,,电子波函数受到电子波函数受到晶格的周期性散射晶格的周期性散射,,某些某些BlBlochoch频率频率((电子在固体中做电子在固体中做共有化运动的德布洛意频共有化运动的德布洛意频率率))的电子波不能在晶体中的电子波不能在晶体中传播传播,,对应禁带对应禁带((带隙带隙););其其他频率的电子波能够传播他频率的电子波能够传播,,对应导带和价带对应导带和价带..•包含不同介电常数组分的周包含不同介电常数组分的周期性介质也会对光波产生期性介质也会对光波产生BBraggragg反射反射//折射折射,,形成能带形成能带结构结构光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::角度相关性角度相关性•光波入射在平面光栅上光波入射在平面光栅上,,不同处反射不同处反射//透射的光相干透射的光相干叠加叠加,,形成定向传播的反射形成定向传播的反射//投射波投射波•光子晶体和普通介质光子晶体和普通介质((如空气如空气))的分解面上也有类似的分解面上也有类似现象现象光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::偏振相关性偏振相关性•电磁波为矢量波电磁波为矢量波,T,TEE波和波和TMTM波分别波分别形成能带结构形成能带结构•TETE波和波和TMTM波共波共同的带隙为全带隙同的带隙为全带隙•带隙有频率带隙有频率,,角度角度((方向方向))、偏振相、偏振相关性关性红色:E偏振的带隙蓝色:H偏振的带隙黑色:两者相交,全带隙光子晶体能带的形成光子晶体能带的形成::缺陷缺陷•带隙中的波：指数增长带隙中的波：指数增长((衰减衰减))形形,,在纯光子晶体中不能存在，只能在纯光子晶体中不能存在，只能在缺陷中存在在缺陷中存在•缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中•点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷•利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件光子晶体能带特性与功能光子晶体能带特性与功能::...
