六角形晶格的光子晶体零折射率特性及其光学应用研究.doc

第一章引言

许多在技术上取得的较大的突破很大程度上来自于我们对物质的特性的更深一层的认识。我们的祖先从石器时代到铁器时代的伟大跨越主要依赖于人类对自然界物质更深层次的探索以及认识。史前人类使用石器和铁器是因为他们认识到了石头的耐用性和铁的坚硬。在不同时期,人类慢慢学会去鉴别各种材料的特性并很好的利用呈现特定性质的材料。逐渐的,早期的工程师不再仅仅局限于使用地球上原有的物质材料,他们通过对已存在的物质进行加工处理,生产出了具有他们所期望的特性的材料,从早期的青铜合金到现代的钢铁制品。今天,由于在冶金术、制陶术以及塑料制品等技术的进步,已经有一批具有很好机械特性的完全人工材料出现。本世纪,我们将对材料特性的控制扩展到它们的电特性。半导体物理的提出使我们调整特定材料的导电特性成为了可能,从而启动了电子工业界的晶体管革命。上世纪80年代以来,科学技术的发展取得举世瞩目的成绩,尤其在加工制造业技术方面。随着加工制造业技术的显著进步,新材料的应用取得很大的突破,尤其是在电子技术制造领域。以电子为信息载体,以半导体器件为元件,以集成电路为模块的现代电子信息产业发展迅猛,其技术日新月异,在当今社会发展和科技进步中占据着重要的地位,现如今,我们生活的方方面面都离不开各类电子产品。半导体集成电路作为电子信息技术的核心,其发展最为引人注目,这一方面体现在用于各种使用半导体集成电路的各种器件的不断涌现,许多高科技的电子器件,智能器件的出现,如智能手机,智能电视等等,体现了电子信息技术正逐步将我们带入一个智能的时代。现在任何一个智能器件都几乎安装了智能芯片(微处理器),而且一步步由单核发展到多核。然而集成电路的发展已经越来越面临挑战,在技术上已经日益出现了发展瓶颈,比如当电路小到纳米级的时候,就可能出现量子效应,因此传统的电子信息技术以及材料已经成为制约计算机和电子信息技术发展的瓶颈。
由于上述的瓶颈,基于半导体集成电路的电子技术在信息领域已经不能满足人们日益增长的更高更快的技术需求,在此背景下,一个崭新的研究领域开启了,继对物质的电特性研究日益成熟后,其光特性也逐渐得到研究者的重视,由于光信号具有高传输率、高带宽和强的抗干扰性等优势,因此有望成为突破信息技术发展的瓶颈,它的优点刚好弥补了电子领域应用方面的缺陷。如果我们可以在所需的频率范围内很好
地控制光,如全反射、使光沿着特定的方向传播或者将光限制在指定的区域内等。如今,光信息的载体光纤的出现使得电信产业发生了重大的变革。激光工程、高速计算以及光谱学等研究成果都得益于人类对光材料特性的探索。究竟什么样的光材料可以完全用于控制光的传播?我们知道,固体电子的能带理论是半导体物理的依据,即电子在周期性势场的作用下会形成价带和导带,带与带之间有能隙。受电子在固体晶格中运动的启发,[1],人们套用了许多固体物理概念,如布里渊区、色散关系等类似的方法来讨论光子的运动规律。光子晶体—作为一种介质折射率呈周期分布的人工电磁材料,结构的周期性是其与天然晶体的共同特征,于是它也被称为晶体。与处在晶体中周期势场的电子类比,处在光子晶体中的电磁波也具有类似的性质。当电磁波进入特定的介质时,如果该介质的排列周期与电磁波的波长处于一个量级时,电磁波就会受到强烈的散射,尤其当这种介质又是非均匀介质时,散射尤为明显,这会使得通过该介质的电磁波受到能带结构的影响,而周期排列的光子晶体材料就能满足这个非均匀介质的条件,从而可以使用光子晶体对通过它的电磁波呈现能带结构,展现出与半导体电子期间完全不同的电磁特性。这对信息技术和光电子产业的发展意义重大,尤其是在光通信波段为和的近红外波段。
光子晶体的横空出世,使得它立刻成为一种新型的人造电磁材料。它具有操纵光的众多优良特性,现在已经倍受研究者及厂商的关注。对光子晶体的研究及应用主要包括周期性纳米结构对介质宏观电磁性质和光的空间分布、辐射、传输等频域与空域性质的控制机制,新型功能材料、低能耗纳米光子器件和纳米集成光路的结构设计,以及纳米光子器件的制备、测试和光电与全光器件的单片集成技术等内容,为光电器件的模块化和大规模集成提供可靠的理论和技术基础[2]。光子晶体的出现也为半导体物理、电磁场理论、微电子技术、集成光学、光电子学和光信息技术等诸多学科和技术研究与应用开辟了新的研究领域,提供了新的发展方向和机遇,具有重大的理论和应用价值。
研究现状
光子晶体是在空间上周期性排列的介质或金属[3],是人造晶体。由于具有许多有趣且独特的电磁特性,光子晶体在最近十几年内成为了纳米光学研究领域内最热门的研究主题之一。
量子力学知识体系在上一世纪的建立,不仅使科学家们更加深刻地认识和理解微