光子晶体光纤

光子晶体 所属分类： 物理学 物理理论 电子技术 自然科学 通信技术 提问 添加摘要   光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG 结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。 目录 [隐藏] ​ 1 简介 ​ 2 应用 ​ 3 光子晶体的制备和理论 ​ 4 未来展望 ​ 5 光子晶体基本原理 ​ 6 参考资料 光子晶体-简介         微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。 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 HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a4_78_54_01300000178518121570540191348_jpg.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 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。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。 光子晶体-应用         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。 光子晶体-光子晶体的制备和理论分析方法         光子晶体的制备有一定的难度，因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：对于光通信波段（波长1.55μm），要求光子晶体的晶格在0.5μm左右。近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工制备方法，如：介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织长年和半导体等。用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。 HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a2_62_54_01300000178518121570543607234_gif.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（planewaveexpansionmethod简称：PWM）、传输矩阵法（transfermatrixmethod简称：TMN）、有限差分时域法（finitedifferencetimedomain简称：FDTD）和散射矩阵法（scatteringmatrixmethod简称：SMM）等。 平面波展开法是比较常用的一种方法，它的基本思想是：将电磁场以平面波的形式展开，可以将麦克斯韦议程组化成一个本征议程，求解该方程的本征值便得到传播的光子的本征频率。这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下根本无法求解。 传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式，同样变成本征值求解问。传输矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以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。这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效，而且由于传输矩阵小，矩阵元少，运算量小，同时在计算传输光谱时也是十分方便的。但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦，效率不是很高，因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。 有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分议程，利用布里渊区边界的周斯条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其中只有少量的一些非零矩阵元，计算最小。但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。 HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a1_25_54_01300000178518121570545716871_jpg.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的场分布。应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的，但是由于这种方法需要较长的运算时间，在有些情形下实际上是不可行的。 实际理论分析中，还有很多其他的方法，如：有限元法、N阶法等。这些方法各有优缺点，在应用时要根据实际场合合理地选用。在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的，由于光子晶体的制备非常困难，通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性，再由试验来验证这些结论。 光子晶体-未来展望         预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。 而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今"视顶盒"类似的解码信号 HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a1_64_55_01300000178518121570554244327_jpg.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。 在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体"二极管"和"晶体管"；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。 如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。 光子晶体-光子晶体基本原理         众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。 HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a4_23_60_01300000178518121570601115610_jpg.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 从晶体结构图中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不能传播。 简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。 光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。如下图所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在，而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。 如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构， HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a3_66_60_01300000178518121570603686555_jpg.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。这对光子晶体来说是一个最重要的特性。而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。　　 因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。 而如果我们通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器（详见光子晶体应用）。而如果产生了缺陷条纹--即沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着"光子导线"（即缺陷条纹）传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。理想状态下我们已经实现了一条无任何损耗的光通路。这种光通路甚至比光纤更有效。 近年来，光子晶体得到了越来越多的关注和推崇。科学家们从各个方面来寻求开发应用光子晶体的途径。然而，光子晶体得到广泛应用，还需要解决以下几个问题： 1）制作可以对波长在可见光范围内的光产生BandGap的光子晶体还有很大的困难（具体内容请参看光子晶体制造方法介绍）。 2）解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题--上文已经提到这种缺陷意义。 HYPERLINK "http://tupian.hudong.com/a3_87_60_01300000178518121570605713207_jpg.html" \o "点击查看原图" \t "_blank" 光子晶体 3）制作高效率光子传导材料的技术问题。 4）如何将现在的电流和电压加到光子晶体上的问题。晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。该种可调节晶体结构的光子晶体可用来制作体积微小、广泛用於遥距通讯和卫星通讯的远红外激光器，亦有助研究激发态分子的化学反应，对化工生产、药物研制及生物科技都十分重要。 固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，而电子波是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。 空心光纤 　　 空心光纤 　　 　　 　　将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤（Hollow Fiber）。 　　空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于，光的大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，有在简内设置电介质，使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长10.6pm损耗达几dB／m的。 　　空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。 　　光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤(PCF)是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型 —— 折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型光子晶体光纤可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。 　　采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤(HC-PCF)比传统光纤更有优势。 　　与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100 nm粗。这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似. 　　 制造 　　　空心光子晶体光纤可以用的光纤拉制设备来制造。首先，将几百个薄壁毛细管堆积在一起制成半成品。然后经过套包层、拉丝、镀聚合物，得到尺寸和机械特性与标准单模光纤非常相似的光纤。目前，空心光子晶体光纤的制造工艺发展非常迅速，甚至可以制造长度不限、光学性质一致的光纤—— 至少由熔融石英玻璃制成的空心光子晶体光纤可以达到这样的效果。 　　因为实际上只有极少数光在玻璃中传输，所以空心光子晶体光纤的能量传输的能力要远远优越于传统的光纤。 　　虽然空心光子晶体光纤的传输带宽很大程度上由包层的光子带隙决定，但是芯的尺寸和形状以及空心周围固体材料分布的微小变化都会明显地改变光纤的光学性质。因此，当前很多研究工作围绕改善光纤设计以及相关制造工艺，就一点也不会让人觉得惊讶了。 　　 损耗 　　　以通信波段的空心光子晶体光纤为例，它的低损耗范围大约为 150 nm，中心波长为 1570 nm (如图2)。在这个范围之外，损耗会迅速增加。最小损耗是1.7dB/km，它被证明是目前空心波导可以达到的最小值(如图3)。在这种光纤的低损耗窗中存在着一些高损耗区域。这是由表面膜(所谓的表面膜是指在芯的玻璃-空气界面上或者附近的共振)造成的结果，在某些波长，表面膜正常衰减慢慢退化掉。在发生退化现象的波长位置，与表面相互作用的光会急剧增加，这不仅会导致光纤损耗的增大还会改变波导的色散特性。在实际的应用中，这些特征是不利的。然而，经过精心设计芯和包层，有希望排除这些不利因素。 　　 光传输 　　　尽管在长距离通信领域空心光子晶体光纤还无法挑战传统光纤，但是在其他几个方面的重要应用中，空心光子晶体光纤要优于传统的光纤，其中最值得注目的可能就是激光束传输。与传统光纤相比，空心光子晶体光纤的一个重要优点就是具有较高的损伤阈值。因为实际上只有极少数光在玻璃中传输，所以空心光子晶体光纤的能量传输能力要远远优越于传统的光纤。 　　 　　图2应用于通信波段的低损耗空心光子晶体光纤的横截面的电子显微图。这种光纤在1550 nm波长处具有最小损耗1.7dB/km。 　　它们之间的另一个差异就是空心光子晶体光纤具有较低的光学非线性特性，这也是光与玻璃之间很少发生交叠的结果。关键是，纤芯中气体的非线性折射率要比固体硅的小大约1000倍，该气体使得空心光子晶体光纤的非线性特性比传统光纤的要小三个数量级。因此，不管是连续波还是短脉冲序列，都可以以非常高的功率在空心光子晶体光纤中传输，而且不会产生光谱的失真。实际上，空心光子晶体光纤可以设计成由芯内气体或者玻璃的非线性来决定整个光纤的非线性特性。另外，除了空气，还可以充入其它气体，从而能够从整体上完全控制光纤的非线性特性。 　　图3 增大空心光子晶体光纤，(图2所示)的芯可以降低损耗，但同时也带来更多的表面膜交叉，从而引起损耗光谱上出现许多尖峰。小的芯具有较宽带宽、平滑的光谱，但是损耗会增大。 　　 　值得注意的是，当脉冲宽度小于 1ps 时，新的制约因素开始显得重要了。脉冲的本征带宽开始和空心光子晶体光纤的低损耗窗口的宽度相比拟。另外，空心光子晶体光纤中的群速度色散意味着小于 1ps 的脉冲在光纤中只传播几米的距离就会发生明显的色散。然而，重要的是，空心光子晶体光纤的低非线性特性使得这样的色散不会伴随着明显的频谱失真，即使是脉冲宽度为100fs 、峰值功率达到典型锁模激光振荡器水平的脉冲也如此。 　　对于传统光纤，在非线性效应与色散的共同作用下，那么短的脉冲只传播几毫米就会很快被分裂开。空心光子晶体光纤的低非线性特性就意味着，只要能够适当的补偿光纤中的线性色散，比如在耦合进入光纤前用一块玻璃对脉冲进行预啁啾，那么脉冲在空心光子晶体光纤中就完全能够传播到好几米远。另一个可能性就是利用空心光子晶体光纤的低非线性特性来平衡线性色散，那样脉冲将可以在空心光子晶体光纤以孤子的形式传播。以前，在比较低的功率水平、在1500nm波段，利用传统光纤观测过光纤孤子。但是，空心光子晶体光纤可以在很宽的波长范围内传播峰值功率高达几个兆瓦的高强度脉冲。 　　 展望 　　　将来的研究主要是围绕进一步扩展和优化光纤设计、材料特性以及制造工艺等方面展开。减少损耗当然是一个主要的目标。虽然1.7dB/km是个重要的里程碑，但是在那些必须考虑损耗的应用下，用硅材料制成的空心光子晶体光纤代替，即使最好的传统光纤也是完全可能的。 　　另一个令人振奋的可能性是低损耗的光纤可以用相对高损耗的材料制成，其前提是实际只有少数光可以“看见”玻璃。这个特性在远红外波段(具有高度发达的玻璃制造技术)非常有意义，例如，可能引起波长为10.6μm的高功率光纤的发展。不仅如此，空心光子晶体光纤在光谱的另一端也取得了很大进展，最近第一个位于可见和紫外波段的空心光子晶体光纤已经商业化。尽管从1999年初次报导以来，空心光子晶体光纤技术获得了巨大进步，但是光子晶体光纤技术还是处于发展的初级阶段，因此，空心光子晶体光纤将继续向前发展。 光子晶体光纤 　　光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。 　　光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs） ，实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs）只是在近期才得到实验证明。