光子晶體原理及應(yīng)用

前言

　　隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路芯片的特征尺寸已達到經(jīng)典物理的極限，電子作為集成電路的主要載體，當(dāng)芯片尺寸越來越小時，電子問因庫侖力產(chǎn)生熱效應(yīng)，這將大大降低集成電路的性能，產(chǎn)生能量損耗大、信息傳輸慢等問題。光子作為信息的載體，傳輸信息快，傳輸帶寬（1015Hz）遠大于金屬線傳輸帶寬（1015Hz），更重要的是光子間相互作用很弱，可極大地降低能量損耗，從而提高效率。光子晶體就是以光子為信息載體的新型材料，光子比電子具有更大的容量、更高的速度、更好的保密性、更強的抗干擾性能等，類似于集成電路，可用其制造集成光路，將其應(yīng)用于全光通信、光子計算機等光子產(chǎn)業(yè)?！　』诠庾泳w的優(yōu)異性能和廣闊的應(yīng)用前景，近年來，國內(nèi)外研究人員掀起了光子晶體的研究熱潮，光子晶體的理論分析方法、光子晶體的制備方法以及新型的光子晶體光電器件不斷涌現(xiàn)出來。作者也進行了光子晶體制備與發(fā)光方面的研究，主持并參與了多項光子晶體方面的國家自然科學(xué)基金項目，參考了大量的資料，深為該領(lǐng)域近年來取得的成績打動，為了促進該領(lǐng)域的研究進一步發(fā)展，編著了本書，供從事該方面科研T作的研究人員參考?！　”緯卜?章，各章的內(nèi)容如下：第1章緒論，主要介紹了光子晶體的概念及其新現(xiàn)象；第2章光子晶體的電磁波理論和光學(xué)特性，論述了光子晶體的基本分析方法和一維、二維光子晶體的基本特性；第3章光子晶體的制備方法，簡要概述了光子晶體的各種制備方法，包括光刻法、激光干涉法、膠體自組織法等；第4章新型光子晶體光學(xué)器件，介紹了利用光子晶體的光子帶隙原理制備的各種光子晶體光波導(dǎo)、光開關(guān)、光濾波器等；第5章光子晶體光纖，主要介紹了全內(nèi)反射改進型和空氣帶隙型光子晶體光纖；第6章膠體光子晶體，介紹了各種典型的氧化物膠體光子晶體和半導(dǎo)體膠體光子晶體以及聚合物光子晶體；第7章光子晶體的發(fā)光特性，主要介紹了高效率的光子晶體發(fā)光二極管和光子晶體激光器；第8章負折射率光子晶體，概述了負折射率材料、光在負折射率材料中的傳輸特性和負折射率光子晶體及其應(yīng)用。

內(nèi)容概要

　　光子晶體是不同折射率的電介質(zhì)材料在空間呈周期性排列構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，它是材料科學(xué)、光學(xué)原理與集成技術(shù)以及微納電子技術(shù)相結(jié)合的一門新興學(xué)科，它代表了光集成電路的發(fā)展趨勢，并將成為下一代新型的光電器件和光集成技術(shù)的基礎(chǔ)。本書內(nèi)容包含三個部分：第一部分系統(tǒng)地闡述了光子晶體的基本概念和理論，主要包括光子晶體的概念和性質(zhì)（第1章），光子晶體的分析方法和電磁波理論（第2章）；第二部分介紹了光子晶體的制備方法（第3章）；第三部分給出了光子晶體的應(yīng)用，介紹了新型的光子晶體光學(xué)器件，包括光子晶體光開關(guān)、濾波器、光波導(dǎo)（第4章），光子晶體光纖的工作原理與技術(shù)（第5章），膠體光子晶體（第6章），光子晶體發(fā)光（第7章）和負折射率光子晶體（第8章）?！　”緯m合于從事微納光學(xué)和光通信、微納電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)、應(yīng)用物理和材料科學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)的教師、科技人員、研究生和本科生閱讀，也可以作為高等院校光學(xué)、光通信、電子科學(xué)技術(shù)等專業(yè)高年級本科生及研究生的教材。

書籍目錄

前言 第1章 緒論 　1.1 引言 　1.2 光子晶體的新現(xiàn)象 　參考文獻 第2章 光子晶體的電磁波理論和光學(xué)特性 　2.1 平面波法 　2.2 傳輸矩陣法 　2.3 時域有限差分法 　2.4 多重散射法 　2.5 一維光子晶體的光學(xué)特性 　2.6 二維光子晶體的光學(xué)特性 　參考文獻 第3章 光子晶體的制備方法 　3.1 自然生長法 　3.2 機械制備法 　3.3 光刻方法 　3.4 光學(xué)方法 　3.5 化學(xué)刻蝕方法 　3.6 薄膜生長法 　3.7 膠體自組織密堆積方法 　3.8 反蛋白石光子晶體合成方法 　3.9 典型的三維光子晶體制備方法 　3.10 光子晶體的表征方法 　參考文獻 第4章 光子晶體光波導(dǎo)和光學(xué)器件 　4.1 光子晶體光波導(dǎo) 　4.2 光子晶體光分叉波導(dǎo) 　4.3 發(fā)射方向可控性光子晶體光波導(dǎo) 　4.4 光子晶體光交叉與光互連波導(dǎo) 　4.5 光子晶體波分復(fù)用與解復(fù)用波導(dǎo) 　4.6 SOI光子晶體光波導(dǎo) 　4.7 新型光子晶體光學(xué)器件 　參考文獻 第5章 光子晶體光纖 　5.1 光子晶體光纖簡介 　5.2 全內(nèi)反射型光子晶體光纖 　5.3 空氣帶隙型光纖(HC—PCFs) 　5.4 其他光子晶體光纖 　5.5 光子晶體光纖激光器 　5.6 光子晶體光纖的其他應(yīng)用 　5.7 總結(jié) 　參考文獻 第6章 膠體光子晶體 　6.1 膠體蛋白光子晶體 　6.2 氧化物膠體光子晶體 　6.3 半導(dǎo)體膠體光子晶體的光學(xué)特性 　6.4 聚合物光子晶體 　6.5 聚合物光子晶體的應(yīng)用 　參考文獻 第7章 光子晶體的發(fā)光特性 　7.1 自然光子晶體的發(fā)光特性 　7.2 高效光子晶體光發(fā)射二極管 　7.3 光子晶體激光器 　參考文獻 第8章 負折射率光子晶體 　8.1 負折射率材料簡介 　8.2 負折射率光子晶體 　8.3 負折射率光子晶體的應(yīng)用 　參考文獻

章節(jié)摘錄

　　自P s.J.Russell等于1991年首次提出光子晶體光纖概念后，引起了各國研究機構(gòu)的濃厚興趣，揭開了光纖發(fā)展的嶄新的一頁。光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）是基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來的新一代傳輸光纖。它是在普通石英光纖中沿軸向方向周期性排列空氣孔，端面呈二維周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)，由于光子晶體具有光子帶隙頻帶，如果在光子晶體中引入缺陷，則在禁帶中引入缺陷模式，使光能夠在缺陷內(nèi)傳播。因此，與普通單模光纖不同，PCFr又稱為多孔光纖（holey fiber，HF）或微結(jié)構(gòu)光纖（microstr。ucture fiber，MSF）。1996年，P s.J.Russell和J.c.Knight等。首次在實驗室成功制備了第一根光子晶體光纖，發(fā)現(xiàn)PCF的空氣孔排列和大小可根據(jù)需要PCF的光傳輸特性進行設(shè)計，可以滿足人們對不同信號傳輸特性的需要，其可控性引起相關(guān)科研領(lǐng)域的極大興趣。隨后，各種不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖相繼產(chǎn)生。　　相對傳統(tǒng)光纖而言，光子晶體光纖具有完全不同的光波傳播原理。它利用光子晶體所具有的光子頻率禁帶特性，將特定頻率的光波強烈地束縛在纖芯內(nèi)進行傳導(dǎo)，光纖彎曲或折疊狀態(tài)對光波的影響非常小，幾乎在所有的傳播波長處都能夠保持單模運轉(zhuǎn)，且其零色散波長從傳統(tǒng)光纖的紅外波段移到了可見光波段，可將光通信波段從1.3～1.6um擴展到整個可見光波段，這對光纖通信領(lǐng)域而言無疑是一種莫大幸事。另外，光子晶體光纖具有極強的非線性效應(yīng)，在低于傳統(tǒng)光纖三個量級的脈沖峰值功率下就可產(chǎn)生光譜覆蓋紫外到紅外的超連續(xù)光，這在光頻率測量、極短脈沖的產(chǎn)生、抽運探測光譜學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著極其重要的作用。此外，可制備光子晶體光纖激光器、干涉儀、帶通濾波器等新型器件。還可通過向微結(jié)構(gòu)空芯光纖中填充介質(zhì)，實現(xiàn)可變的光譜衰減器、光開關(guān)和高精度傳感器等，極大地擴展了光通信波段，進行快速的波長變換和光放大，從而解決光通信和光網(wǎng)絡(luò)問題等。

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