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《光子晶體和光子晶體光纖》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、Powerpoint光子晶體光纖于方永2013.11.5主要內(nèi)容1、光子晶體2、光子晶體光纖3、有限元法和COMSOL光子晶體光是人類得以生存的基本條件，也是人類文明發(fā)展的基本要素。早期人們對(duì)于光的了解與研究，開始于對(duì)日常生活所見現(xiàn)象的探知，例如：光的反射、折射、衍射和干涉現(xiàn)象等，進(jìn)而開啟了光學(xué)理論的發(fā)展。光子晶體十七世紀(jì)是光學(xué)發(fā)展的一個(gè)極為重要的時(shí)代，許多關(guān)于光的現(xiàn)象和原理均在此世紀(jì)出現(xiàn)。1611年，開普勒（JohannesKepler）所發(fā)現(xiàn)光的全反射現(xiàn)象，是目前光纖內(nèi)光傳輸?shù)幕驹怼９庾泳w光的特性光到底是波還是粒子？1864年，麥克斯韋的論文“Adynamictheoryof
2、theelectromagneticfield”中推導(dǎo)出一準(zhǔn)確以及簡潔的數(shù)學(xué)式子來描述光的傳播，稱之為麥克斯韋方程式。光是電磁波的觀念才逐漸地被科學(xué)家們接受。光子晶體1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)以及1905年愛因斯坦對(duì)此所提的光量子理論解釋后，科學(xué)家們了解到光的確具有粒子的性質(zhì)。光子晶體1923年發(fā)現(xiàn)的康普頓散射效應(yīng)也支持光的粒子性。隨著二十世紀(jì)量子理論的興起與發(fā)展成熟，人們才清楚的知道光是電磁波，同時(shí)具有粒子以及波動(dòng)的特性。光子晶體光的顏色與其本身的波長λ（或是頻率，也就是每秒振動(dòng)的次數(shù)）有關(guān)。一般可將光在不同波長（頻率）的區(qū)段分別加以區(qū)分姓名。光子晶體電磁波屬于橫波，在傳輸時(shí)電場(chǎng)與
3、磁場(chǎng)的振動(dòng)方向相互垂直，且電場(chǎng)磁場(chǎng)均與波的傳播方向（k）垂直。光子晶體入射光與折射光之間的路徑關(guān)系遵守斯涅耳折射定律(Snell’srefractionlaw)：n1sinθ1=n2sinθ2。當(dāng)光由折射率大的物質(zhì)進(jìn)入到折射率小的物質(zhì)(即n2>n1)，折射角θ2會(huì)大于入射角θ1，此時(shí)為內(nèi)折射。在此內(nèi)折射的情況下，當(dāng)入射角大于某一臨界角時(shí)，折射角會(huì)等于90度，亦即出現(xiàn)全反射(totalreflection)現(xiàn)象。光子晶體具有光波波長尺度的周期性排列介質(zhì)，則類比于電子的物質(zhì)波(deBrogliewave)與原子晶格的大小，光(電磁)波在此宏觀排列的行為將有如電子在晶體中一般，因此可藉由排列
4、周期、空間結(jié)構(gòu)和介質(zhì)的介電常數(shù)等性質(zhì)來控制光的行為。光子晶體是一個(gè)能與光產(chǎn)生交互作用的周期性結(jié)構(gòu)材料，其折射率(refractiveindex)在空間上為周期性函數(shù)。光子晶體光是電磁波，因此科學(xué)家猜測(cè)光在此光子晶體中的情況應(yīng)該類似于電子在一般晶體內(nèi)的模式。既然電子在周期性原子晶格內(nèi)具有電子能隙現(xiàn)象，那么光在光子晶體內(nèi)也應(yīng)該有所謂“光子能隙”(photonicbandgap)的存在。光子能量在此一特殊結(jié)構(gòu)下呈現(xiàn)不連續(xù)性，光子能帶間可能出現(xiàn)能隙，意即某些頻帶的電磁波強(qiáng)度會(huì)因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無法在此結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播，所以當(dāng)這種光波入射此晶體時(shí)必然出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，此時(shí)可視為光子的絕緣體。光子
5、晶體光子晶體(PhotonicCrystal)：是指折射率在空間周期性變化的介電結(jié)構(gòu)，其變化周期和光波長為同一數(shù)量級(jí)。光子晶體也被稱為光子帶隙材料。光子晶體由于光子晶體中折射率在空間上必須為周期性的函數(shù)，我們可將光子晶體依空間維度區(qū)分為：一維、二維以及三維等。在一個(gè)維度上存在此周期性結(jié)構(gòu)，則光子能隙只出現(xiàn)在此方向上；如果在三個(gè)維度上都存在著周期性結(jié)構(gòu)，則可以得到全方位的光子能隙，此時(shí)特定頻率的光進(jìn)入此光子晶體后在各方向都將無法傳播。光子晶體自然界的光子晶體澳洲的寶石──蛋白石(opal)生物界中也有光子晶體的蹤影：蝴蝶翅膀孔雀的羽毛金龜子的殼澳洲海老鼠的毛發(fā)由于本身幾何結(jié)構(gòu)上的周期性使
6、它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化，因此其色彩繽紛的外觀是與色素?zé)o關(guān)。光子晶體信息技術(shù)革命標(biāo)志：半導(dǎo)體技術(shù)趨勢(shì)：微型化和高度集成化限制：納米尺度的量子效應(yīng)摩爾定律：自從1970年以來，可以被放置到微電子芯片的電子元件數(shù)量以18月翻一番的速度增長，這保證了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度在同時(shí)期隨之翻番，價(jià)格減半。光子晶體個(gè)人電腦如今已十分普遍，決定電腦速度的中央處理器(CPU)現(xiàn)已達(dá)GHz的等級(jí)。然而，要具有更高運(yùn)算速度的THz等級(jí)的電腦，就必須藉由光子取代電子來傳送和處理信息。光子與電子相比較，具有更快的速度與更大的頻寬，且光子之間沒有交互作用，若能將現(xiàn)有的電子元件提升為光子
7、元件，則元件運(yùn)作在速度上及精度上都能得到大幅度的提高?？茖W(xué)家相信光學(xué)元件將可以用光子晶體制作，達(dá)到光傳播的目的。光子晶體光子時(shí)代的到來？光子電子傳播速度108m/s104-105m/s數(shù)據(jù)傳播速率光子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子載體帶寬1012Hz105Hz載流子相互作用弱強(qiáng)光子晶體光子帯隙的產(chǎn)生：定態(tài)下的電磁波波動(dòng)方程為：對(duì)于非均勻介質(zhì)，尤其是其介電常數(shù)是周期性變時(shí)，有如果介質(zhì)為非磁性介質(zhì)，則μr=1。光子晶體光子帯隙的產(chǎn)生：光子晶體光子帯隙的產(chǎn)生：因此在周
