光子晶体和光子集成技术

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孙敬、汤猛
2014、11、16

主要内容
1、光子晶体

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2、光子集成技术

光子晶体

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光子晶体(Photonic Crystal)：是指折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期和光波长为同一数量级。光子晶体也被称为光子带隙材料。

光子晶体

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由于光子晶体中折射率在空间上必须为周期性的函數，我们可将光子晶体依空间维度区分为：一维、二维以及三维等。在一个维度上存在此周期性结构，则光子能隙只出现在此方向上；如果在三个维度上都存在着周期性结构，则可以得到全方位的光子能隙，此时特定频率的光进入此光子晶体后在各方向都将无法传播。

光子晶体
? 自然界的光子晶体澳洲的宝石 ──蛋白石 (opal) ? 生物界中也有光子晶体的踪影：蝴蝶翅膀孔雀的羽毛金龟子的壳澳洲海老鼠的毛发

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? 由于本身几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化，因此其色彩缤纷的外观是与色素无关。

光子晶体
信息技术革命
标志：半导体技术趋势：微型化和高度集成化限制：纳米尺度的量子效应
摩尔定律：自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。

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光子晶体

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个人电脑如今已十分普遍，决定电脑速度的中央处理器(CPU)现已达GHz的等级。然而，要具有更高运算速度的THz等级的电脑，就必须藉由光子取代电子来传送和处理信息。光子与电子相比较，具有更快的速度与更大的频宽，且光子之间没有交互作用，若能将现有的电子元件提升为光子元件，则元件运作在速度上及精度上都能得到大幅度的提高。科学家相信光学元件将可以用光子晶体制作，达到光传播的目的。

光子晶体
光子时代的到来？
光子
传播速度数据传播速率载体带宽载流子相互作用

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电子
104-105 m/s

108 m/s

光子远远大于电子

1012Hz
弱强

105Hz

光子晶体
光子帯隙的产生：
定态下的电磁波波动方程为：

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? ? ? ? 2 ? E? r ? ? k E ?r ? ? 0
2

如果介质为非磁性介质，则μ r=1。
对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时，有

? ? ? ? ?r ? ? ? r ? k n

?

?

光子晶体
光子帯隙的产生：
可将相对介电常数写为两个部分之和：平均介电常数? r 和变动介电常数? r'
则有： k ? ? r ? ?r
2

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?

'

?c

?2
2

代入波动方程，可得： ? ? ?2 ' ? ? ? ? ?2 2 ? E ?r ? ? 2 ? r E ?r ? ? ? 2 ? r ? E ?r

? c c

光子晶体
光子帯隙的产生：
因此在周期性势场中，电场E应满足方程：

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? ?2 E ?

?2
c
2

? 1 (r ) E ?

?2
c
2

?0E

（1-1）

式中，?0为常数，可以认为是介质的平均介电常数， ?1(r)=?1(r+Rn′)是扰动介电常数，C为真空中的光速。

光子晶体
光子帯隙的产生：

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在周期性势场中，电子的波函数Ψ满足薛定谔方程：

?2 2 [? ? ? V (r )] ? ? Ee? 2m

（1-2）

式中，V(r)=V(r+Rn)，?为普朗克常数，Ee为电子的能量，在周期性势场中只能取本征值。

光子晶体
光子帯隙的产生：

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可以看出，方程（1-1）与方程（1-2）的形式完全相似，Ee在周期性势场中只能取本征值，因此在周期性介电晶体中，?0ω2/c2也只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。

在半导体材料中，电子禁带能够有效阻止电子通过半导体，从而实现对电流的控制。而在光子禁带内，光子晶体将能够无条件地反射任何形式的电磁波。

光子晶体
光子晶体与器件：

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? 光子禁带：电磁波受周期性势场的调制而形成能带，能带之间可能出现带隙，即光子带隙或光子禁带。 ? 光子局域：如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率吻合的光子就会被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处光将迅速衰减。

光子晶体
光子晶体与器件：

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在光子晶体的周期结构中引入缺陷，能够出现局域化的电磁场态或局域化的传导态，就可以像在掺杂半导体中控制电子那样控制光子。

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光子集成技术
核心是“集成”
? 如何集成地产生光、传输光、探测光、控制光、应用光。
? 如何在同一芯片上将电能、电信号转换为光能、光信号，如何用电来控制光，以及它们的逆过程。 ? 这是一个互动的过程，相互依存、相互促进。

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光子集成技术
? 光子集成回路是一类将半导体光电子器件和电子器件集成在同一芯片或衬底上的新型光电子器件，它具有比单个器件更多的、更齐全的光电或电光转换功能，在体积上非常浓缩紧凑，性能更加完善高级，能直接安装进系统使用。集成者，在此是集器件之大成，集功能之大成，也集应用之大成。

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光子集成技术
光子集成分类：
1）有源光子集成 2）无源光子集成 3）有源同无源的光子器件集成 4）光子器件和电子器件的集成

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光子集成技术
光子集成实现的方式：
光子集成需要在一个基片上集成各种器件，以完成不同功能模块的集成。制作时，主要使用MOCVD或MBE 技术在衬底上生长

不同的材料，并结合刻蚀技术，在衬底材料上生长的不同材料多个薄膜介质层上重复地沉积和蚀刻形成不同的结构（例如光栅、波导、PIN 探测器等），从而实现了器件的集成。

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光子集成技术
光子集成技术的优势：
? 光子集成技术顺应了时代发展，光子集成比传统的分立OE-O 处理降低了成本和复杂性，提高了可靠性，体积更小，便于实现更复杂的功能和集成。 ? 由于光组件及它们间的互联大大减少，基于PIC 的系统还提高了部署质量度量标准，如新品损坏（DOA）率和BER 测试的初始通过率。同样，由于PIC 实现了90%以上有效光纤连接，数字光网络安装时遭遇的因不稳定或不洁光纤连接而导致的失败也更少。

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