华东师范大学大夏杯光子晶体项目草稿Word文档下载推荐.docx
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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。
制备
光子晶体的制备有一定的难度，因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：
对于光通信波段（波长1.55μm），要求光子晶体的晶格在0.5μm左右。
近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工制备方法，如：
介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织生长和半导体工艺等。
用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。
理论研究
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（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。
未来发展
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。
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众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。
因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。
这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。
光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。
从晶体结构图中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。
电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。
其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。
而能量落在带隙中的波同样不能传播。
简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。
相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。
结构
光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。
如下图所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在，而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。
高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。
而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。
也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。
如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。
如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。
这对光子晶体来说是一个最重要的特性。
而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。
因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。
例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。
这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。
而如果我们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。
将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。
这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器（详见光子晶体应用）。
而如果产生了缺陷条纹--即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。
理想状态下我们已经实现了一条无任何损耗的光通路。
这种光通路甚至比光纤更有效。
未来研究方向
近年来，光子晶体得到了越来越多的关注和推崇。
科学家们从各个方面来寻求开发应用光子晶体的途径。
然而，光子晶体得到广泛应用，还需要解决以下几个问题：
1）制作可以对波长在可见光范围内的光产生BandGap的光子晶体还有很大的困难（具体内容请参看光子晶体制造方法介绍）。
2）解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题--上文已经提到这种缺陷意义。
光子晶体光子晶体
3）制作高效率光子传导材料的技术问题。
4）如何将现在的电流和电压加到光子晶体上的问题。
晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。
该种可调节晶体结构的光子晶体可用来制作体积微小、广泛用於遥距通讯和卫星通讯的远红外激光器，亦有助研究激发态分子的化学反应，对化工生产、药物研制及生物科技都十分重要。
固体物理与光子晶体的联系与区别
固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，电子服从的是薛定谔方程；
光子波是矢量波，而电子波是标量波；
电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；
电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。
蓝光LED光子晶体技术原理及制程详解
为回避日亚化学的蓝光LED加萤光粉制技术专利，各业者纷纷投入其它能达到散发出白光的LED技术，目前最被期待的技术是利用UVLED来达到白光的目的，但是，UVLED仍旧有著光外漏及低亮度两个不易克服的困难。
使得除了继续努力来解决相关的问题外，不得不再去寻求其它的材料或技术来达到散发出白光的LED技术。
在1987年，国籍相异且分居不同地点的两位学者，EliYablonovitch与SajeevJohn几乎同一时间在理论上发现，电磁波在周期性介电质中的传播状态具有频带结构，利用两种以上不同折射率（或介电常数）材料做周期性变化来达成光子能带的物质。
所以光子晶体（PhotonicCrystal）被发现已将近20年后的今天，在各领域的应用有著相当令人激赏的表现，一直是备受研发者所关心的一项技术。
目前利用二次元光子晶体来达到完成白光LED的技术，已陆续出现突破性的发展，使得未来PhotonicCrystalLED已成为众所瞩目的焦点与摆脱日亚化学专利的期望寄托。
1、光子晶体特性与结构
光子晶体随著波长不同，会出现于周期性的结构，可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。
而在这些结构当中，最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构，但是，三次元的光子晶体在制造上及商品化，就今天的技术而言是非常困难的。
原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体，所以，今天在LED领域各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。
一般的材料构造是属于固定构造，所以材料本身会具有的一定的折射率。
波数（WaveNumber）与频率对于一般材料折射率的影响，横轴是物质的波数（WaveNumber）、纵轴是频率、斜线就代表折射率。
折射率是非常等比例的成长，也就是代表说不管什么样的波数、什么样的波长，它的折射率都是一定的。
那么光子晶体是什么样的结构，再从另外一个角度来说明。
光子晶体的特性就是周期构造，也因此会产生多重反射。
光子晶体所构成的波数矢量数和光的频率比例，频率的曲线不是那么单纯，曲线已经会变得非常复杂，这个曲线会随著光的多方向性，就是异向性而出现变化，而随著它的偏光性，就可以运用来设计出不同的产品。
光子晶体它有一个很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一个光能隙。
在光能隙这个区域里面，光线是不存在的。
这边的曲线也跟图一A是的斜率意义是一样的，是折射率的相反。
只要在这一点，斜率等于零。
所以在这一点以外，光的速度就不会产生零这个现象。
所以也可以说，光子晶体也可以控制光的速度。
就简单来说，运用光子晶体的目的浓缩成一句话，就是要利用周期构造，以人工的方式来控制这个光学特性。
2、光子晶体与有固态发光元件差异
光子晶体有3个光学特性，可以利用人工的方式来加以控制而达到不同的目的。
第一个特性是，如果利用光能隙的话，就可以遮蔽光通过。
利用这个特性可以把光锁在一个相当狭小的区域里面。
目前产业界中，就有利用这个特性把光聚集在一个区域里面，制作成一个集成电路。
另外一个特性是，就是光子晶体有异向性，光子晶体的光会朝向很多方向散射，原因是光子晶体可以随著光的偏光角度，出现透光与不透光（某个角度它可以透过，但是有些角度是没办法透过）。
第三个特性就是，光子晶体的曲线非常复杂、变化多端。
因为光子晶体的曲线变化非常快，非常不规则，所以只要波长稍有变化，那就可以看到进入光子晶体的光，它的角度就会偏离得非常大。
在优点方面，光子晶体的面积要比传统集成电路缩小了千分之一，所以，相对的，电路的积集度就比过去增加了1,000倍。
而另一个优点是折光性倍数可以达到以往1,000倍。
另外，也可以利用偏光性，改变光的性质，可以将以往正方形的偏光浓缩成以往体积的千分之一。
简单来说，光子晶体它有什么样的好处与特性?
积集度高，体积小，成本低。
3、利用光子晶体制作出LED
除此之外，光子晶体还有其它的特性。
利用它的特性，可以制作出光子晶体LED。
大致上可以分为2种，一种是LED，一种是雷射二极管（LaserDiode）。
LD雷射二极管部分我们可以分为光子晶体DFB雷射二极管（PhotoniccrystalDFBLD）与PhotoniccrystaldefectLD。
光子晶体DFB雷射二极管是大家比较了解的结构，其雷射值可以控制在非常低的区域来做发射，这样子的结构，是必须存在光能隙的区域，也因为是如此，所以这样结构要实现商品化是比较困难。
相对的利用光子晶体的结构制作成LED是比较简单。
有关光子晶体常常被混淆的部分是，以为是利用DFB雷射，所以就会有人认为是不是利用特定的周期或波长来运用?
其实答案是不对的。
理由是DFB雷射跟光子晶体LD，它的入射（Incident）和衍射（Diffracted）的光是受限制的。
但是相对光子晶体的入射光角度和衍射光角度是不受限制的。
所以并不是利用特定的周期或波长来加强效率，这个特性对于LED来说是非常重要的。
4、光子晶体蓝色LED
利用蓝色LED来制作的白光LED，蓝色LED会发出蓝色的光，但是各个蓝色的光会根据YAG萤光粉部分会转换成黄光，利用蓝色和黄色的光，可以让LED产生出白光，白光LED被应用在白光照明灯跟液晶背光的光源，这种白光LED被称为固体白色照明。
这种光有3个特色：
体积小，省能源，寿命长，但是有一个很大的问题需要克服：
比起萤光灯，这样的白光LED发光效率比较差，为了解决这个问题，便可以利用光子晶体来解决这样的问题。
为了克服，蓝光LED发光效率比较低的问题，可以将光子晶体放在蓝光LED里，利用光子晶体来提高发光效率，这样生产出的蓝光光子晶体LED的特色是周期长，要让发光效率提升，有几个很重要的技术。
传统的LED制作非常简单，但是存在的问题点就是发光效率比较差，因为是传统的蓝光LED表面的全反射，从活性层出来的光线，会被表面全反射掉。
这样的光就没有办法发射到LED外面。
针对这个问题，CREE在制作过程中做了一些改善的动作，在DeformedChip中可看到活性层旁边是一个斜面，利用这样斜面的结构，可以让发光效率提高，同样是针对提高效率的问题，我们设计出了二次元的集积表面，利用这样子的结构，可以让表面的发光效率提高，所以我们是利用半导体的Planar技术，这是一个很精密的技术，用来控制这个构造。
Penetration是利用二次元的活性层让光穿过，这样的结构可以使发光效率高达80%，但是也有一个问题需要克服，那就是内部量子效率会降低。
由于为了要让光透过活性层，就会因为达到透过活性层这个目的而降低内部量子效率。
ResonantCavity是在光子晶体LED上面加载共振器，这个设计称为共振器LED，在LED的周边，我们配置上光子晶体，利用这个设计，可以把他LED效率提高60%，而前面提到我们利用Planar技术所开发出来的SurfaceGrating的设计方式虽然不错，但是在电流的注入上会有一些问题。
与SurfaceGrating相较下，虽然ResonantCavity在电流的注入上会比较容易，不过，ResonantCavity本身也会有问题存在，那就是共振器LED在制作上比较困难，制作困难就代表说成本就会提高，对于LED大家都希望可以以低成本量产，这就造成了发展瓶颈，Penetration与ResonantCavity这2个设计，只是在LED上面加上一个二次元的设计，这样的设计是可以用上原本既有的LED上。
5、光子晶体蓝色LED运作原理
现有的LED结构，可以看到他的全反射，临界度是比较小的，主要是因为表面将光全部反射，相对的，光子晶体蓝色LED所设计出来的LED，由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以比临界角还小，并可进入临界角投射到外面，改善过去LED的光会全部反射的问题。
从LED的活性层发射出来的光，我们可以360度放射出去，但以往的LED只能受限于临界角，只能在临界角范围内发光，在临界角内的光才能发射出去，我们知道临界角范围内的面积只占整个范围的4%，所以相对光子晶体的光就比较广，能有更多的面积将光反射出去，就是利用这个原理将发光效率提高。
6、光子晶体的设计要点
在光子晶体的设计上有一些重点，有一个指标是周期这一部分，周期和衍射的距离有关，如果周期越小，衍射的距离就越大，纵使经过修正后还是没有办法将光发射到外面去。
相对的如果周期变大，衍射的距离越小，因为这样的关系，光就可以移到外面去了，所以在设计上需要找到一个最适合的周期。
还有一个要点就是高度，高度跟衍射的效率有相当紧密的相关联性，实际上并不是所有的光都会受到衍射的影响，受到衍射影响的光都会跟衍射率产生相关联，所以这两个重要指标就是在开发光子晶体LED时，需要计算出最适当数值的G值，所以在设计上就必须经过相当精的密计算来取得G值。
而在设计中，如何去计算出LED表面需要多少光，可以利用FDTD计算方式来做一些运算，这个计算方式在光子晶体上是普遍被运用的一个方式。
非光子晶体的LED，是属于表面比较平坦的一种LED。
非光子晶体的LED产生光后，跟空气接触的光源那部分，会因为表面全反射掉。
而光子晶体LED的设计，可以让光不受反射影响，将光反射到外面。
而高度的部分也是成曲线分布，到某一个高度时，效率是最高的，可以看见发光效率最高的周期是在1.5微米的地方，而发光效率最高是0.25微米，由此可见，在这个区域是一个非常长的周期，非常短的高度，这就显示说光子晶体的制作非常简单，只要找出最适合的周期1.5微米，比发光波长还要长的一个周期，然而常说现有的LED至少要克服这样的条件，但是从这里的设计可以看出，即使这个周期很长，还是可以达到高效率，所以对于这种光子晶体设计，称之为长周期光子晶体。
所以，设计的光子晶体LED周期是比较长的，此外，还有另外的一个特色，就是在光子晶体的表面镀上一整面的薄膜，这个薄膜就是透明电极，透过这个薄膜设计，光可以从整个面都可以发光出去。
7、光子晶体LED制程
制作的光子晶体LED上透明电极的影响作的解释，可以看到，无论有没有涂上透明电极，对发光效率并没有很大影响。
根据这个结果，我们就很放心的在光子晶体上覆上一层透明电极。
利用蓝宝石作为基板，再经过MOCVD、EB和RIEETCHING等等制程，制作出来二次元的光子晶体LED。
根据我们的说法，目前暂时是利用EB的方式，但以后在正式量产或商品化时，就会用另一个成本更低的做法，另外还会做乾式（Dry）Etching，再形成一个透明电极和电极板。
就理论来说，在计算后的结果应该是高出3倍的，但是在这次实验后，得出的结果却只有高出50%。
分析原因有可能是在光子晶体形成的制造过程中，所使用的数值并不是最适当的数值。
所以我们相信，只要改变这个流程，发光效率应该就会像计算的数值一样达到3倍。
此外，另外一个可能是在制程中出现一小瑕疵，那就是在芯片中有一个小裂缝，而这个裂缝的出现，也会影响到整个LED的发光效能
8、透过透明电极可达到大面积的发光
我们是第一个将光子晶体运用导入蓝色LED，而且很成功。
发光效率达到1.5倍。
相信业界透过这样不断的研究，显示出固体白光照明的商品化应该是指日可待的。
这个技术绝对可以运用并量产。
另外一点，光子晶体的独特设计使得长周期构造可以实现。
因为这样的长周期构造让GaN的光子晶体的应用更容易实现。
另外，经过实际的制作后，我们也证实了一件事，在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。
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