光子晶体研究论文

文献好像不要翻译吧

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。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1. 与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；2. 与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用3. 光子晶体光纤应用随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。4. 狄拉克锥在光子晶体中的实现 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，可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程，求解该方程的本征值便得到传播光子的本征频率。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题。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。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。 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。

导读

背景

与使用电力的传统电路相比，光子集成电路使用光线取代电力进行计算和信号处理，具有更快的速度、更大的带宽、更高的效率。

但是它们的尺寸还不够小，无法与在电气电路继续占主导地位的计算以及其他应用进行竞争。

创新

罗切斯特大学的电气工程师认为，他们在解决这个问题上迈出了重要一步。该校团队采用光子学研究人员普遍采用的材料，创造出迄今为止最小的电光调制器。该调制器是基于光子学的芯片的关键组件之一，控制光线如何通过电路。

下面的示意图展示了电气与计算机工程系教授林强（音译：Qiang Lin）教授实验室开发的电光调制器。

在《自然·通讯》（ NatureCommunications ）中，林教授实验室描述了采用粘合在二氧化硅层上的铌酸锂（LN）薄膜，不仅可以制造出最小的LN调制器，而且它还可以高速运行并且节能。

这篇论文的领导作者、林教授实验室的研究生李明晓（音译：Mingxiao Li）写道：“这为实现大规模的LN光子集成电路奠定了至关重要的基础，而LN光子集成电路对于数据通信、微波光子学以及量子光子学中的广泛应用具有极其重要的意义。”

技术

林教授表示，由于铌酸锂具有出色的电光和非线性光学特性，它已经“成为光子学研究和开发的主打材料系统”。“然而，目前在块状晶体或薄膜平台上制造的LN光子器件都需要较大的尺寸，并且难以按比例缩小尺寸，这样就限制了调制效率、能耗以及电路集成度。主要挑战在于打造高精度、高质量的纳米光子结构。”

该调制器项目建立在实验室之前使用铌酸锂创造光子纳米腔（光子芯片中的另一个关键组件）的基础上。林教授表示，纳米腔只有大约一微米的大小，只能在室温下使用两到三个光子来调谐波长，“我们第一次知道甚至有两到三个光子已经在室温下以这种方式被操纵过”。《光学设计》（Optica）杂志上的一篇论文对该设备进行了描述。

这款调制器可以配合纳米腔使用，创造出纳米级的光子芯片。

关键词

参考资料

【1】Mingxiao Li, Jingwei Ling, Yang He, Usman A. Javid, Shixin Xue, Qiang Lin. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI:

【2】

风机等,“高的自发发射光子晶体”的物理》杂志,第78,没有。3294。3294 87年),页 . D 'Urso等,“模态的反射率的Finite-Depth二维光子晶体孔洞,”选择。(Soc)。季刊,第15卷第一期,页,2002年1155 - 1159。 >,“观察漏水的方式在一个Air-Bridged半导体光波导与二维光子格,“应用物理学卷,第1期,页,70%。1438。19。.吴文峰罗伯茨和查尔顿的比赛,”帕克.模态分析和制造一种二维光子晶体的能带结构中可见一平面半导体光波导,“材料科学研究所硕士论文,页。B49,没有。155出版社,1997年版。20。陈:《y制作材料的二维光子格:定期石墨结构,“超晶格和微观组织,第109号。22日,1997。21。Labilloy >,“定量测量的传输,思考,和衍射的二维光子带隙结构,在近红外波段,“物理》杂志,第79,1997,。。4147。22。政府正等,“三维光子禁闭在光子晶体的低维周期,研究所。Optoelec.卷,第1期,1998年,p。145 384页。23。Coccioli >,“什么是尽可能小的电磁模式在介电腔体积?研究所。Optoelec.第302,1998年24。Coccioli > >,于《Yablonovitch,即。智慧型3283卷,第1期,第1号,1998年。25。。约翰逊等,“导模式在光子晶体构成,硕士论文,国立台湾“物理》,1999年,第60 - 5758。5751。26。.房子、波浪和字段的光电出版社,1984年,位于江正雍译。27。. Mandelshtam和h .泰勒,“谐波信号反演的时间及其应用[j].化学”。王金斌,第107(1997)。。28。.画家等,“缺陷二维光子晶体模式在光学薄绝缘板,“选择”。(Soc)。季刊,第16号,1999年2月,页275点。275 - 285。29。。Joannopoulos大学新奇的光子晶体”。北约ASI 2000:光子晶体和轻定位、出版。30岁。h . Benisty等,“辐射损耗的Waveguide-Based二维光子晶体:积极作用的基体、“应用物理学杂志,第76年1月2000年。页。532 - 534。兄弟 你真是个人才 这样的专业名称都被你搞到了 有才！

首先说点原理吧，以便讲应用时候你很好理解，这些是我课题论文里面内容：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光子晶体。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。l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。 而如果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。从原理可以看出，利用光子晶体带隙我们可以控制光，试想一下能控制光是什么概念？应用：光子晶体波导：利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在PBG中形成新的光子态，而在缺陷模周围光子态密度为零。因此，光子晶体波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄漏，基于这种优异的光子局域化特性，可实现光波导的任意弯曲，从而大大减少集成光学器件的体积，实现光路芯片化。也就是说，弯曲损耗不存在。 光子晶体光纤：类似于单模光纤。利用光子晶体所具有的光子频率禁带特性，将特定频率的光波强烈地束缚在纤芯内进行传导，光纤弯曲或折叠状态对光波的影响非常小，几乎在所有的传播波长处都能够保持单模运转，且其零色散波长从传统光纤的红外波段移到了可见光波段，可将光通信波段从扩展到整个可见光波段。另外，光子晶体光纤具有极强的非线性效应，在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下就可产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光。光子晶体超棱镜：光子晶体超棱镜的体积只有常规棱镜的1%左右，但其色散能力比常规棱镜强100~1000倍。对波长相近的光，常规棱镜几乎无法分辨，但光子晶体棱镜却很容易实现。例如，对波长为和的两束光，常规棱镜无法将它们分开，但光子晶体超棱镜可将它们分开到60°左右。该特性在光通信信息处理中具有重要的意义。光子晶体反射镜：由于光子晶体光子频率禁带范围内不允许光子存在，当一束在此光子频率禁带范围内的光入射到光子晶体中时将被全反射。利用这一原理可以制备高品质的反射镜。特别是在短波长区域，金属对光波的损耗很大，而介质对光波的吸收损耗非常小，因此，介质材料光子晶体反射镜具有极小的损耗。另外，由于金属反射镜对光波的吸收集中于极薄的表层内，这使表层温度很高，容易造成金属反射镜表层变形，使其质量严重下降。光子晶体反射镜对光波的吸收分布在较大的体积内，光子晶体反射面的温度比金属反射面的温度要低得多，这使光子晶体反射镜的表面不容易烧坏。当然还有光子晶体微带天线等。就不一一赘述了，我想楼主应该大致了解它的应用了吧。