專利名稱：光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由不同介電材料組成的光子晶體來(lái)構(gòu)成光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。
本

發(fā)明內(nèi)容
基于光子晶體理論。光子晶體是八十年代末提出來(lái)的新概念和新材料(Phys.Rev.Lett.58,p.2059,1987)，其基本思想是同半導(dǎo)體中的電子一樣，光波或電磁波在周期性的介電結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，由于周期結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，也會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，即光子能帶；帶與帶之間可能存在帶隙。如果光波的頻率正好處在帶隙中，具有這種頻率的光是無(wú)法在該種結(jié)構(gòu)中傳播。光子晶體最大的特點(diǎn)是能夠控制光波或電磁波的流動(dòng)，由此可以帶來(lái)許許多多新的應(yīng)用。由于其具有的特殊性能，科學(xué)家近年來(lái)一直在研究其新結(jié)構(gòu)和特性。如何利用光子晶體的特殊性能來(lái)制作高性能和新型光子器件、光通訊器件是世界學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)之一。
半導(dǎo)體量子阱是七十年代初有L.Esaki等提出的。將兩種半導(dǎo)體按照半導(dǎo)體A/半導(dǎo)體/B/半導(dǎo)體A排列組成半導(dǎo)體量子阱，由于兩種半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)不同，電子或空穴在阱中會(huì)受到量子限制效應(yīng)，被限制在阱區(qū)或界面處，能級(jí)發(fā)生量子化分離，出現(xiàn)了許多新的物理現(xiàn)象。由此，帶來(lái)了許多新的器件應(yīng)用，半導(dǎo)體激光器是其中之一。
本發(fā)明的目的是研制一種可以調(diào)控電磁波或光波傳播、反射和透射特性的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)及其制備方法。
本發(fā)明用具有不同光子能帶結(jié)構(gòu)的兩種光子晶體構(gòu)成光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，按照光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A的順序排列而成，如

圖1所示。因?yàn)橹虚g光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)與兩端光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)不同，可以調(diào)控電磁波或光波傳播、反射和透射特性。組成光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的光子晶體由兩種不同介電常數(shù)的材料周期排列而成，可以是一維、二維和三維的。如果只在一個(gè)方向有周期結(jié)構(gòu)，就是一維光子晶體(如圖2所示)，只有在周期方向可能具有光子帶隙。如果在兩個(gè)即平面方向具有周期性，則是二維光子晶體晶體(如圖3所示)，光子帶隙可能出現(xiàn)在二維周期平面上；如果在三個(gè)維度上具有周期性(如圖4所示)，則是三維光子晶體，有可能在全空間出現(xiàn)光子帶隙。具體的光子能帶結(jié)構(gòu)與維度、結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)比值和占空比有關(guān)。要知道某種光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，必須通過(guò)理論計(jì)算解麥克斯韋爾方程而得(Photoniccrystals,Princeton University Press,Princeton,1995)。構(gòu)成光子晶體的兩種介電材料的介電常數(shù)的比值可以在1.2至20之間變化；兩種介電材料所占的空間比例可以在0.05至0.95之間變化。介電材料可以是無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、絕緣體材料或半導(dǎo)體材料等，例如玻璃、有機(jī)玻璃、硅、砷化鎵、聚苯乙烯、碲等。
本發(fā)明的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)制備時(shí)可用鍍膜或蒸度方法將上述范圍介電材料重復(fù)周期鍍膜制得一維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。鍍膜和蒸度方法是目前使用的現(xiàn)有技術(shù)，膜厚可按所需結(jié)構(gòu)性能而定，從0.1微米到100微米之間變化，重復(fù)周期數(shù)目在1～50范圍變化。
若用機(jī)械鉆孔、半導(dǎo)體刻蝕方法在一種介電材料上沿垂直方向鉆不同直徑的孔，或用兩種不同的介電棒人工搭建，并且重復(fù)數(shù)個(gè)周期，則可形成二維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，具有特殊的光學(xué)性質(zhì)。
若用機(jī)械鉆孔、半導(dǎo)體刻蝕方法在一種介電材料上沿三個(gè)不同方向鉆不同直徑的孔，或用兩種不同的介電棒人工搭建，并且重復(fù)數(shù)個(gè)周期，則可形成三維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。
這種光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)還有一個(gè)特點(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)與周期結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度(晶格常數(shù))具有標(biāo)度性，即工作波長(zhǎng)與晶格常數(shù)成反比。因此，可以調(diào)節(jié)光子晶體的晶格常數(shù)，使光子晶體量子阱的工作范圍覆蓋紫外、可見(jiàn)光、紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、微波等波段。如周期長(zhǎng)度可以從0.1微米到米之間變化。當(dāng)周期長(zhǎng)度在0.1微米到0.3微米之間變化時(shí)，光子晶體量子阱的能隙約在可見(jiàn)光；當(dāng)周期長(zhǎng)度在0.3微米到300微米之間變化時(shí)，光子晶體量子阱的能隙約在紅外波段；當(dāng)周期長(zhǎng)度在300微米到3米之間變化時(shí)，光子晶體量子阱的能隙約在微波或微波以上波段。
光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)中光子晶體A的重復(fù)周期數(shù)一般要求3～50，光子晶體B的重復(fù)周期數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要從1到50之間變化。周期結(jié)構(gòu)影響而形成的光子能帶能夠調(diào)制光波的傳輸特性，例如改變量子阱區(qū)既B的周期數(shù)，可以改變A的光子帶隙頻率內(nèi)的傳輸特性；又如改變兩種介電材料的介電常數(shù)比、占空比，使兩種光子晶體的光子帶隙有不同的排列，從而調(diào)制光波的傳輸特性，得到所需的傳輸性質(zhì)并出現(xiàn)諸如選擇性透射、反射、光子能級(jí)量子化等各種新的物理現(xiàn)象，給光電子領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開(kāi)辟新天地，可以利用該結(jié)構(gòu)制成各種光子器件。
光子能帶結(jié)構(gòu)與維度、結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)比值和占空比有關(guān)，要得到具有某種光子能帶結(jié)構(gòu)，需解麥克斯韋爾方程得到，本發(fā)明用實(shí)施例來(lái)說(shuō)明。
圖1．光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)示意圖，由兩種具有不同光子能帶結(jié)構(gòu)的光子晶體按照光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A的順序排列而成。組成光子晶體量子阱的可以是一維、二維和三維光子晶體。圖2．一維光子晶體示意圖，由兩種介電材料在一個(gè)維度方向周期排列而成。圖3．二維光子晶體示意圖，由兩種介電材料在二個(gè)維度方向周期排列而成。圖4．三維光子晶體示意圖，由兩種介電材料在三個(gè)維度方向周期排列而成。圖5．實(shí)施例一的一維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖，頻率用約化單位，v為頻率，a為周期結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，c為光速。圖6．二維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例一一維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)選用兩種介電材料聚苯乙烯(介電常數(shù)為2.56)和碲(介電常數(shù)為21.16)。用度膜方法交替生長(zhǎng)聚苯乙烯和碲，生長(zhǎng)5個(gè)周期。固定聚苯乙烯和碲的厚度之比，例如0.8，得到光子晶體A。然后在此基礎(chǔ)上，同樣用度膜方法交替生長(zhǎng)聚苯乙烯和碲，固定聚苯乙烯和碲的厚度之比，例如0.2，生長(zhǎng)5個(gè)周期，得到光子晶體B。最后生長(zhǎng)5個(gè)周期的光子晶體A。這樣就制作出一維光子晶體量子阱。這樣得到如圖5所示的能帶結(jié)構(gòu)?？梢愿淖児庾泳wA和B中兩種介電材料的厚度之比，使A、B的光子帶隙錯(cuò)開(kāi)排列或完全分開(kāi)。如何選取厚度之比得到所要的能帶排列結(jié)構(gòu)，必須通過(guò)解麥克斯韋爾方程得到具體的能帶，通過(guò)調(diào)節(jié)厚度之比來(lái)得到。還可以改變晶格常數(shù)即周期長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同波段。如晶格常數(shù)為3微米，則工作波段大約在10微米；若晶格常數(shù)為1厘米，則工作波段大約在3厘米。實(shí)施例二二維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)可以采用機(jī)械鉆孔或半導(dǎo)體工藝的方法，在介電材料或半導(dǎo)體基底上形成二維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，如圖6所示。兩種不同的光子晶體的區(qū)別在于空氣孔的大小不一樣，因此具有不同的能帶結(jié)構(gòu)?？梢哉{(diào)節(jié)空氣孔的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)所要的能帶結(jié)構(gòu)?？諝饪椎拇笮”仨毻ㄟ^(guò)解麥克斯韋爾方程得到具體的能帶，根據(jù)所要的能帶來(lái)選取。實(shí)施例三三維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)與二維類似，可以采用機(jī)械鉆孔或半導(dǎo)體工藝的方法，在介電材料或半導(dǎo)體基底上形成三維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。兩種不同的光子晶體的區(qū)別在于晶格常數(shù)不同，因此具有不同的能帶結(jié)構(gòu)?？梢哉{(diào)節(jié)周期長(zhǎng)度、介電材料的空間占有比例來(lái)實(shí)現(xiàn)所要的能帶結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1．一種光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，由介電材料組成，其特征是用兩種介電材料按照一維、二維和三維周期排列而構(gòu)成一維、二維和三維光子晶體，光子晶體按照光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A排列，即中間光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)與兩端光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)不同；組成光子晶體的兩種介電材料的介電常數(shù)的比值可以在1.2～20之間變化；兩種介電材料所占的空間之比是0.05～0.95。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是用鍍膜方法將上述范圍的介電材料按光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A排列的順序鍍膜，制得一維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是在微波波段使用的該結(jié)構(gòu)用機(jī)械鉆孔或人工搭建方法，在紅外和可見(jiàn)光波段使用的該結(jié)構(gòu)用光刻方法將上述范圍的介電材料按光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A排列的順序制得二維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是在微波波段使用的該結(jié)構(gòu)用機(jī)械鉆孔或人工搭建方法，在紅外和可見(jiàn)光波段使用的該結(jié)構(gòu)用光刻方法將上述范圍的介電材料按光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A排列的順序制得三維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，其特征是該光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的工作頻率范圍是從紫外到微波。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，其特征是制備光子晶體A的兩種介電材料的重復(fù)周期是3～50；制備光子晶體B的兩種介電材料的重復(fù)周期是1～50。
全文摘要
本發(fā)明是一種光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明用兩種不同的介電材料組成光子晶體,然后以光子晶體A/光子晶體B/光子晶體A排列制成光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和介電常數(shù)配比,使量子阱即中間光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)與勢(shì)壘區(qū)即兩端光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)不同。由于兩種光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)不同,光波的傳輸特性可以得到調(diào)制,出現(xiàn)許多新的物理現(xiàn)象。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1320828SQ00137208
公開(kāi)日2001年11月7日 申請(qǐng)日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月28日
發(fā)明者資劍, 喬峰, 張淳, 萬(wàn)鈞, 胡新華, 韓得專, 李乙洲, 傅利民, 王昕 , 許春, 吳穎灝, 高霞, 王國(guó)忠 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)