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          一文帶你了解三維光子晶體(含圖示)
          發(fā)布時(shí)間:2021-03-31     作者:zzj   分享到:

          光子晶體是什么,我們先簡單介紹一下晶體。

          晶體是由大量微觀物質(zhì)單元(原子、離子、分子等)按一定規(guī)則有序排列的周期性結(jié)構(gòu)。晶體在日常生活中經(jīng)常遇到,如食鹽就是氯化鈉晶體,雪花也是晶體,而且具有多種不同的形狀。

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          半導(dǎo)體也是晶體。我們熟知的高性能芯片就是大規(guī)模、超大規(guī)模的半導(dǎo)體集成電路。半導(dǎo)體能夠具有重要的應(yīng)用價(jià)值,是因?yàn)榘雽?dǎo)體這種晶體具有電子的禁帶、導(dǎo)帶。科學(xué)家利用電子的能帶結(jié)構(gòu)對電子進(jìn)行**的控制。但由于電子是帶電的,相鄰電子之間有相互作用,這給控制電子帶來了困難。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)的尺寸非常小時(shí),**地控制電子變得極為困難。這使得進(jìn)一步提高芯片的性能也變得極為困難。即存在量子**的限制。

          如何進(jìn)一步提高芯片的性能呢?這時(shí),人們想到了光子。光子不帶電,光子之間沒有相互作用?刂乒庾颖瓤刂齐娮痈唵。因此,通過控制光子,可以更容易突破量子**,從而進(jìn)一步提高芯片的性能。如何才能**地控制光子呢?人們發(fā)現(xiàn),如果傳導(dǎo)光的材料具有晶體一樣的結(jié)構(gòu),那么,這種材料也會具有光子的禁帶、導(dǎo)帶。這不就是傳導(dǎo)光的晶體嗎!光子晶體就這樣產(chǎn)生了。人們還發(fā)現(xiàn),可以把在半導(dǎo)體中很多控制電子的現(xiàn)成的方法和技術(shù)用到對光子的控制上來。

          半導(dǎo)體是帶電離子的周期性晶體結(jié)構(gòu),電子的行為受到周期性的約束和影響。而材料對光傳播特性的影響只能通過折射率(介電常數(shù))來實(shí)現(xiàn)。因此,光子晶體一定是折射率(介電常數(shù))在空間的周期性排列,以使光子受到周期性的約束和影響。折射率的周期分布可以是一維、二維或三維的,它們分別對應(yīng)于一維、二維和三維光子晶體。

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          光子晶體具有光子能帶結(jié)構(gòu)。有的能帶禁止某些頻率的光在其中傳播,這些頻率(顏色)的光不能在這個(gè)帶中存在,這就是光子禁帶。有的能帶允許某些頻率的光在其中傳播,對于這些頻率的光這個(gè)能帶就是光子的導(dǎo)帶。

          當(dāng)光子晶體被白光照射射時(shí),其能帶對某些頻率的光是導(dǎo)帶,這些頻率的光可以進(jìn)入材料并在其中傳播。而對其他某些頻率的光來說,這個(gè)能帶是禁帶,這些頻率的光不能進(jìn)入材料而被完全反射出來。因此,材料就會呈現(xiàn)出不同的色彩。自然界中很多東西有鮮艷的彩色,這其實(shí)就與光子晶體有密切關(guān)系。如:南美洲有些蝴蝶的翅膀呈現(xiàn)出美麗的色彩,有的蜥蜴類動物也有非常漂亮的顏色,產(chǎn)于澳洲的蛋白石也具有鮮艷的色彩,等等。

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          既然光子晶體的**特點(diǎn)是光子的能帶結(jié)構(gòu),人們自然希望光從各個(gè)方向照射時(shí)都存在禁帶,而不是只在一個(gè)方向照射才有禁帶,這就是全空間禁帶。人們還希望禁帶能夠?qū)捯恍。人們發(fā)現(xiàn),半導(dǎo)體研究中的很多技術(shù)可以用到光子晶體中來。純凈的半導(dǎo)體不好用,按照理論設(shè)計(jì)摻入雜質(zhì)(摻雜),半導(dǎo)體的性能明顯提高。于是,人們就把摻雜技術(shù)引入到光子晶體的研究中來,從而大大改善了光子晶體的特性?茖W(xué)家們在光子晶體研究中,還把一定程度上破壞微觀對稱性,增加某些宏觀的旋轉(zhuǎn)對稱性這些半導(dǎo)體研究中的方法移植過來,都獲得了非常好的效果。

          可以有多種方法制作光子晶體,如物理學(xué)中的分子束外延,光刻,離子束刻蝕,晶體生長,光學(xué)全息,化學(xué)中的自組裝等技術(shù)。

          光子晶體已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。光子晶體已經(jīng)被廣泛用于生物成像、光譜學(xué)、人臉識別、激光雷達(dá)、虛擬現(xiàn)實(shí)等眾多領(lǐng)域。而到目前為止,光子晶體最成功的應(yīng)用莫過于光子晶體光纖。通過特殊的設(shè)計(jì),用光子晶體材料做成光纖,這個(gè)光纖的中心對于通訊頻率的光具有導(dǎo)帶,光可以在芯中自由傳播。而芯的周圍對于通訊頻率的光卻是禁帶,不允許這個(gè)頻率的光存在。因此,光在光纖的芯中傳播時(shí)沒有任何損耗,且不會跑到芯的外部。這使得光纖的性能大幅度提高。光子晶體光纖還具有其他突出的優(yōu)良性能,因涉及較多的**知識,這里不詳細(xì)論述了。最近比較熱門的有關(guān)隱身衣的研究也要用到光子晶體材料。

          在固態(tài)物理中,與光子相對應(yīng)的是頻率更低的聲子。由此,科學(xué)家們把光子晶體引申到聲子晶體。而聲子的頻率更低,波長更長,聲子晶體也更容易制作。因此,聲子晶體的研究與應(yīng)用也得到了快速的發(fā)展,成為繼光子晶體后的一個(gè)重要發(fā)展方向。

          正如前面所述,由于光子之間沒有相互作用,對光子可以實(shí)現(xiàn)比電子更**的控制,因此更容易突破量子限制,從而使基于光子晶體的芯片性能能夠比現(xiàn)在的半導(dǎo)體芯片有較大的提高。這將為未來的光計(jì)算、光學(xué)邏輯,光開關(guān),光信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。


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