总第 163期
2008年第 1期
舰 船 电 子 工 程
Ship Electronic Engineering
Vol. 28 No. 1 37
光子晶体与光子晶体光纤 3
黄 侃 1) 李海林 2) 龙 清 3)
(92830部队 1) 海口 571122) (海军
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
大学电院通信系 2) 武汉 430033)
(92146部队 3) 湛江 524001)
摘 要 简要介绍光子晶体的定义及光子晶体光纤的概念 ,并着重介绍该新技术的应用。
关键词 光子晶体 ;光子晶体光纤
中图分类号 TN914
1 引言
光信息技术是信息化社会的主要技术支撑。
目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之
上的微电子技术。由于强烈的需求 ,微电子技术以
惊人的速度发展。根据“摩尔定律 ”,半导体元件
的集成度以每 18个月翻一番的速度发展 ,电子和
微电子技术正在走向物理上和技术上的极限 (如
速度极限、密度极限 ) ,这些不可逾越的技术极限
对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。
以光子代替电子作为信息的载体是长期以来
人们的一个共识 ,因为光子技术具有高传输速度、
高密度及高容错性等优点。然而 ,由于光子不像电
子一样易于控制 ,长期以来 ,光信息技术仅仅在信
息传输 (光通信 )中得到应用 ,而且是最基本的信
息功能。而信息处理的核心部分则依然依赖微电
子技术。
2 光子晶体的概念
光子晶体的出现 ,为信息技术新的飞跃提供了
一次历史性的机遇。正如 20世纪中叶半导体的发
现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响一样 ,光
子晶体的研究、开发和应用可能为未来若干年世界
经济的发展提供一个新的生长点。
在 1987年 , E. Yablonovitch和 S. John首先指
出如果我们在电磁波中制造出在其波长尺度下具
有周期排列的介质 (可类比于电子的物质波 (De -
B rogiewave)与原子晶格的大小 ) ,电磁波在此巨观
排列的行为将有如电子在晶体中一般 ,被此排列周
期、空间结构和介质的介电常数所控制 ,而不需要
改变物质的內在化学结构。因此 ,我们可在电磁波
的波长尺度下 ,设计并制造出特殊需求的光的特
性 ,在光波尺度下这种新的人工晶体被称为“光子
晶体 ( Photonic Crystal) ”。
从晶体结构来说 ,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
落在这种带隙中 ,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。
3 光子晶体的制作
能使得红外光与可见光反射的光子晶体 ,其晶
体之晶格大小约为波长的 1 /3到 1 /2左右 ,相当于
200 - 500纳米。要以人工的方式制作这样周期大
小的光子晶体 ,一种方式是使用比传统微米级更优
良的曝光显影技术 ( Photolithography) ;另一种方式
则是以成长、沉积或化学合成的技术 ,建构薄膜
( Thin Film)或纳米颗粒 (Nano particles)。拜纳米3 收稿日期 : 2007年 5月 30日 ,修回日期 : 2007年 7月 4日
作者简介 :黄侃 ,男 ,工程师 ,研究方向 :有线通信工程。李海林 ,男 ,硕士研究生 ,讲师 ,研究方向 :海缆与光通信。
龙清 ,男 ,助理工程师 ,研究方向 :系统结构。
科技之赐 ,我们得以在光子晶体理论发展的同时 ,
以人工的方式 ,建构能使红外光与可见光反射的光
子晶体 ,才能使光子晶体的研究得以蓬勃发展。
已经发展许久的薄膜科技便是光子晶体的基
本技术 ,以两种以上的薄膜交互成长所构成的多
层膜称为一维光子晶体。如果于平面的基材上
挖洞 ,所形成的孔洞以类似矩阵的周期形式排
列 ,便可建构二维光子晶体。若将二维的周期性
结构加以堆积 ,便成为三维光子晶体。
一维的光子晶体 (即为多层膜结构 )用于传
统光学中已有数十年的历史。二维与三维光子
晶体 ,便是从纳米制程技术成熟之后 ,才逐渐伴
隨著光子晶体的理论一起发展起来。基本上由
于二维光子晶体的光局限效应有限 ,光能量便不
容易局限于光子晶体当中。故三维光子晶体便
可能是未来元件实际制作的基本架构。
目前三维光子晶体的建构方法 ,一种是以电
子束显影法 ( e - beam photolithography)制作柵栏
状的结构 ,再加以堆积形成网格状的结构。其制
图 1 以直径为 300nm的
聚苯乙烯小圆球所建构的
光子晶体之电子显微影像
作方法繁杂 ,堆积的对
准也是一个挑战 ,但此
方法可精确设计晶格缺
陷的大小与位置 ,元件
制作的可重复性较高 ,
但时间与成本均相当可
观。另一种方式是以聚
苯乙烯 ( Polystyrene)或
SiO2 所合成的小球加
以堆积 (如图 1所示 ) ,
此方法可堆积较厚的三维光子晶体结构 ,制作速
度与困难度也相对低了許多。但此方式仍无法
依据设计将晶格缺陷制作于光子晶体当中。
此外 ,三维光子晶体也比二维光子晶体多了一
个空间自由度 ,因此 ,三维光子晶体的研究仍有相
当大的发展空间。如图 2所示即为三维光子晶体
之应用例子。
图 2 三维光子晶体结构
在 1991年 , Yablonovich制作了第一块光子晶
体。他所采用的方法是在折射率为 3. 6的材料上
用机械方法钻出许多直径为 1mm的孔 ,并呈周期
性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”,它
可阻止里面的微波从任何方向传播出去。
4 光子晶体的应用
光子晶体虽然是个新名词 ,但自然界中早已存
在拥有这种性质的物质 ,盛产于澳洲的宝石蛋白石
(opal)即为一例。如图 3蛋白石是由二氧化硅纳
米球 ( nano - sphere)沉积形成的矿物 ,其色彩缤纷
的外观与色素无关 , 而是因为它几何结构上的周
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 ;换言之 ,是光能隙在玩
变色把戏。
在生物界中也不乏光子晶体的踪影。以花间
飞舞的蝴蝶为例 ,它翅膀上的斑斓色彩 ,如图 4所
示。其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构 ,是选择
性反射日光的结果。几年前 ,科学家发现澳洲海老
鼠的毛发也具有六角晶格结构 ,为生物界的光子晶
体又添一例。
光子晶体可控制光子的运动 ,是光电集成、光
子集成、光通信的一种关键性基础材料。用光子晶
体器件来代替传统的电子器件 ,将会引起光通信领
域的一场革命 ,信息通讯的速度快得无法想象。
图 5 光子晶体的波导弯曲
首先 ,光子晶体波导具有优良的弯曲效应。在
一般的光纤波导中 ,当波导拐弯时 ,全内反射条件
不再有效. 因此会漏掉部分光波能量 ,使传输效率
降低。而光子晶体弯曲波导中 ,所利用的是不同方
向缺陷模共振匹配原理。原则上只要达到模式匹
配 ,不管拐多大弯 ,都能达到很高的传输效率。图
5为光子晶体波导的低损耗传输示意图。弯曲效
83 黄 侃等 :光子晶体与光子晶体光纤 总第 163期
应在全光集成系统中很有应用价值。
此外 ,光子晶体还可用于制造各种性能优良
的光通讯器件 ,如光子晶体激光器。在传统的激
光器中存在着一些问题。例如 ,激光器的发射波
长的变化使传输损耗发生变化 ,这对波分复用系
统是十分不利的 ,而且随着激光器功率的增加 ,
激光器的线宽趋于饱和 ,并开始重新展宽 ,这对
于相干光纤通信 ,特别是 PDM调制十分不利。激
光器的辐射角虽然比 LED已经大大减小 ,但仍然
不理想 ,这也导致了激光器的耦合效率不高 ,只
能达到 30% - 50%。而在激光器中引入一带有
缺陷的光子晶体 ,使缺陷态形成的波导与出射方
向成一样的角度 ,这样 ,自发辐射的能量就几乎
可以全部用来发射激光 ,这就大大降低了激光器
的阈值。目前 ,人们正在进行着无阈值激光器的
研究。
利用光子晶体的带隙特点 ,可以制造出理想带
阻滤波器 ,获得优良的光波滤波性能。光子晶体的
滤波带宽可以做得很大 ,目前能实现从低频 (几乎
为 0Hz)直到红外的宽带滤波。这种大范围的滤波
作用利用传统的滤波器是难以实现的。
OADM光分插复用器是光通信中的一个重要
器件 ,而滤波器又是其中的重要元件 ,主要实现
channel add /drop 功能。图 6 是一种光子晶体
channel drop滤波器示意图。这种结构是通过在一
块具有二维的光子晶体平板中引入单点缺陷来实
现的。频率为 fi的光可以被分离出来 ,转移到其
它的波导中 ,而其它频率的光将不会受任何影响 ,
从理论上来说 ,这种分离方法是不会给光造成任何
损失的。
图 6 Channel - drop光
子晶体滤波器
光子晶体在光
通信系统中还有其
它许多应用 ,如光开
关、光放大和光交换
机等新型器件。光
子晶体优良的特性 ,
以及其在光电子领
域巨大的应用潜力 ,
必将推动光通信技
术的飞速发展。目
前光子晶体正处于
深入研究和应用推
广阶段 ,许多美好的设想成为现实 ,还有待对光
子晶体进行大量的研究工作。光子晶体电路和
装置的出现看起来只是时间问题。
5 光子晶体光纤
光子晶体光纤也是光子晶体一个极为重要的
应用 ,它较传统光纤具有显著的优势。
光子晶体光纤 ( PCF)是基于光子晶体技术发
展起来的下一代传输光纤。光子晶体光纤在外观
上和传统普通单模光纤非常相似 ,但微观上光子晶
体光纤横截面完全不同。光子晶体光纤的横截面
由非常微小的孔阵列组成 ,类似于晶体中的晶格 ,
这也是光子晶体名称的由来。实际这些小孔是一
些直径为光波长量级毛细管 ,平行延伸在光纤中。
按导光机理来说 , PCF可以分为两类 :折射率
导光机理和光子能隙导光机理。
5. 1 折射率导光机理
周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )和周期
性包层折射率 (空气 )之间有一定差别 ,从而使光
能够在纤芯中传播 ,这种结构的 PCF导光机理依
然是全内反射 ,但与常规 G. 652光纤有所不同 ,由
于包层包含空气 ,所以这种机理称为改进的全内反
射 ,这是因为空芯 PCF中的小孔尺寸比传导光的
波长还小的缘故 [ 4 ]。
5. 2 光子能隙导光机理
理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即
可导出实芯和空芯 PCF的传导条件 ,即光子能隙
导光理论。如图 7所示 ,光纤中心为空芯 ,虽然空
芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证光不折射
出去 ,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。
当小孔间距和小孔直径满足一定条件时 ,其光子能
隙范围内就能阻止相应光传播 ,光被限制在中心空
芯之内传输。最近有研究表明 ,这种 PCF可传输
99 %以上的光能 ,而空间光衰减极低 ,光纤衰减只
有
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
光纤的 1 / 2~1 / 4[ 5 ]。
图 7 中心为
空芯的 PCF
空芯 PCF光子能隙传光机
理可以具体解释为 :在空芯 PCF
中形成周期性的缺陷是空气 ,传
光机理是利用包层对一定波长
的光形成光子能隙 ,光波只能在
空气芯形成的缺陷中存在和传
播。虽然在空芯 PCF中不能发
生全内反射 ,包层中的小孔点阵
结构起到反射镜的作用 ,使光在许多小孔的空气和
石英玻璃界面多次发生反射。
当光束从介质 1进入介质 2时 ,光纤中光束传
输常数 β保持不变 ,如图 8 ( a )所示 ; 如果 β≤
932008年第 1期 舰 船 电 子 工 程
n1k0 ,其中 k0 为真空波矢量。而β > n2k0 ,则光束
只能在介质 1中传输 ,而不能传输到介质 2中 ,这
就是全反射情况 ,如图 8 ( b)所示 [ 6 ]。
图 8 光纤中光束的传输与全反射描述
光子晶体光纤和普通单模光纤相比有 3个突
出的优点 :
第一、光子晶体光纤可以在很大的频率范围
内支持光的单模传输 ;
第二、光子晶体光纤允许改变纤芯面积 ,以削
弱或加强光纤的非线性效应 ;
第三、光子晶体光纤可灵活地设计色散和色
散斜率 ,提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把
零色散波长的位置移到 1μm以下。
图 9是目前英国斯温顿 Bath大学的实验性光
子晶体光纤实物图和传输效果图。
图 9 光子晶体光纤及其传输效果
操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求 ,全
球高新技术领域的科学家与企业家都期待着新的
带隙材料对光波的操纵。从科学技术角度可以预
言 ,这一目标一旦实现 ,将对人类产生不亚于微电
子革命所带来的深刻影响。因此 ,光子晶体也被科
学界和产业界称为“光半导体 ”或“未来的半导
体 ”。可以预计 ,在五年之内 ,光子晶体的许多基
本应用将会在市场上体现出来 ,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。在十年内 ,应该制造出第一个光子晶体“二
极管 ”和“晶体管 ”。在二十年内 ,应该制造出第一
个光子晶体逻辑电路 ,再接下来 ,光子晶体驱动的
光子计算机可能会出现。由光子晶体制造的光通
讯器件将会改变光通讯的现状 ,光子晶体技术的发
展必将对光通信技术产生重大而深远的影响。
参 考 文 献
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04 黄 侃等 :光子晶体与光子晶体光纤 总第 163期
Ship Electronic Engineering Index (Vol. 28 No. 1)
Ana lysis and Research of Am er ican Arm y ’s Tactica l
Com ponen t Network by W ang Shijun
Abstract Coop e ra tive e ngagem e n t sys tem ba sed o n the
te chno lo gy o f the m u ltip le se n so r da ta’s fu s io n ha s goo d
app lica tio n fu tu re in the m ilita ry. The backg ro und and a r2
ch ite c tu re o f Am e rican a rm y’s tac tica l com po ne n t ne t2
w o rk a re in tro duce d in th is a rtic le. And it is a lso exp la ine d
tha t the TCN ’s a rch itec tu re and its da ta’s p ro ce s s ing.
Key words sen so r ne tw o rk, coop e ra tive e ngagem e n t
cap ab ility, tac tica l com po ne n t ne tw o rk ( Page: 29)
D evelopm en t of the Sh ipborne An tim issile Technology
by W ang M in
Abstract The p ro ce s s o f deve lopm e n t and m o d ifica tio n
o f the sh ip bo rne an tim iss ile te chno lo gy a re de sc ribed.
The sh ip bo rne an tim iss ile techno lo gy ha s h igh advan tage
and im po rtance in the m o de rn ba ttle s. The p e rfo rm ance
and p rop e rtie s o f the sh ip bo rne an tim is s ile techno lo gy
a re d iscu s sed and the deve lopm e n t o f sh ip bo rne la se r
an tim is s ile tende ncy a re ana lyzed.
Key words la se r w e apo n, la se r an tim iss ile , deve lopm e n t
ana lys is ( Page: 33)
Photon ic Crysta l and Photon ic Crysta l F iber
by Huang Kan
Abstract In th is p ap e r, the defin itio n o f p ho to n ic c rys ta l
and the co ncep tio n o f p ho to n ic c rys ta l fibe r a re in tro2
duce d , e sp e c ia lly the app lica tio n o f th is new techno lo2
gy.
Key words p ho to n ic c rys ta l, p ho to n ic c rys ta l fibe r
( Page: 37)
Research on the Ba ttle F ield of Early W arn ing A ircraft for
the A ircraft Carr ier Forma tion in Syn thesis Com ba t Area
by X u Sheng liang
Abstract Th is p ap e r d iscu s se s a m e tho d o n the ba ttle
fie ld o f e a rly w a rn ing a irc raft ( EW A) fo r the a irc raft ca rri2
e r fo rm a tio n in syn the s is com ba t a re a. Afte r ana lyzing
the an ti - a irc raft a re a s and engagem en t p ro ce ss o f the
a irc raft ca rrie r fo rm a tio n, the p rinc ip le s o f de te rm in ing
the ba ttle fie ld o f EW A a re p ropo se d, and the co rre2
spo nd ing m a them a tica l m o de ls a re e s tab lished. The in2
flue nce o f the p a ram e te rs o n the fo rw a rd - d is tance o f
EW A is ana lyze d by s im u la tio n s. The m o de ls can be
u se d to de te rm ine the fo rw a rd - d is tance and re la tive o ri2
e n ta tio n o f EW A to sa tisfy the com ba t requ irem e n t o f
the a irc raft ca rrie r fo rm a tio n.
Key words a irc raft ca rrie r fo rm a tio n, ea rly w a rn ing a ir2
c raft, dep lo ym e n t o f fo rce s. co rre spo nd ing au tho r
( Page: 41)
Research on the D iscr im ina ting System of the Surface Tar2
get’s SAR Image by Q u L in
Abstract A rtic le s ta rt o ff w ith the m o de rn tim e s ’ nee d
o n the a ll tim e line s s, a llw ea the r, b ig a rea and fa r o ff de2
te c t, b ring fo rw a rd the hypo the s is o n the d isc rim ina ting
sys tem o f the su rface ta rge t’s SAR im age.
Key words su rface ta rge t, d isc rim ina ting sys tem o f SAR
Im age , sys tem flow , a s s is tan t dec is io n - m aking
( Page: 45)
Fuzzy Eva lua tion of An ti - W arsh ip Gu ided M issile
Threa ten s by B ai X iaochuan
Abstract To the re so u rce s tha t the an ti - w a rsh ip
gu ide d m is s ile th re a te n s the fuzzy e va lua tio n o f the
g rade to be advan tageo u s to the rea so nab le a llo tm e n t
ba ttle fie ld, ca rry o n sc ie nce ’s o ffe nd to defend the dec i2
s io n, no o n ly be tte r co n se rve o ne se lf, bu t a lso figh t the
e nem y effec tive ly. The text app ly fa in tne s s syn the s ize s
to ad jud ica te and be com e the co n tra s t m o re the m e tho d
s truc tu re judge s the m a trix, im p ro ving the laye r ana lys is
m e tho d (AHP m e tho d ) , ra is ing the accu racy and sc i2
e nce o f the judgm en t m a trix. The adop tio n im p ro vem e n t
AHP m e tho d o f em p re s s e va lua te s the an ti - w a rsh ip
gu ide d m is s ile to the th re a t g rade o f the s ing le w a rsh ip ,
ge tting the m o re accu ra te quan tity to tu rn the re su lt.
Key words AHP m e tho d, th re a te n g rade , fuzzy eva lua2
tio n ( Page: 49)
Effectiveness Eva lua tion of the L ong Range An ti - sh ip
M issile O pera tiona l System by L i A ng
Abstract Acco rd ing to the co n s titu te o f the lo ng range
an ti - sh ip m is s ile op e ra tio na l sys tem. The a rtic le ana ly2
se s the m a in fac to rs w h ich affec t the lo ng range op e ra2
tio na l ab ility o f the an ti - sh ip m iss ile and g ive s the ef2
fe c tivene s s c rite ria by ana lytic h ie ra rchy p ro ce s s, and it
ana lyse s each index too. The a rtic le o ffe rs a m e tho d to
e va lua te the lo ng range op e ra tio na l ab ility o f the an ti -
sh ip m iss ile and it p ro vide s re se a rch re fe re nce to the
co n s titu te o f the lo ng range an ti - sh ip m is s ile op e ra tio na l
sys tem im p ro vem e n t.
Key words lo ng range an ti - sh ip m is s ile op e ra tio na l
sys tem , ab ility e va lua tio n ( Page: 52)
Stud ies on M odel of Target - Ca tch ing Probab ility for An ti
- sh ip M issile O ver - the - hor izon A ttack
by Zhao Hui
Abstract B a sed o n the ana lys is o f shoo ting e rro r fac to rs
o f O TH an ti - m is s ile a ttacking, th is a rtic le m ake s u se o f
the e rro r m a rg in syn the s ize s p rinc ip le and the s im p lifie d
func tio n o f lap lad, the m o de l o f ca tch ing p ro bab ility is e s2
2