量子点与光子晶体材料

1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划量子点与光子晶体材料光电子材料顾名思义，光电子材料就是以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料，主要应用在光电子技术领域，如我们常见的光纤,光学作用晶体材料、光电存储和显示材料等，光电子材料在光电子技术中起着基础和核心的作用,光电子材料将使信息技术进入新纪元。传统的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料和光电集成材料。下面介绍几种新型的光电子材料1.硅微电子材料硅材料作为当前微电子技术的基础，预计到本世纪中叶都不会改变。从提高硅集成电路性能价格比来看，增大直拉硅单晶的直径，仍是今后硅单晶发展的大趋势。硅ICs工艺由8英寸向12英寸的过渡将在近年内完成。预计XX年前后，18英寸的硅片将投入生产。从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅ICs的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的超高纯、大直径和无缺陷硅外延片会成为硅材料发展的主流。2.硅基高效发光材料硅基光电集成一直是人们追求的目标，其中如

2、何提高硅基材料发光效率是关键。经过长期努力，XX年在硅基异质结电注入高效发光和电泵激射方面的研究获得了突破性进展，这使人们看到了硅基光电集成的曙光。3.宽带隙半导体材料第三代半导体材料，主要指的是III族氮化物，碳化硅，氧化锌和金刚石等，它们不仅是研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件、电路的理想材料，而且III族氮化物和ZnO等还是优异的短波长光电子材料。4.纳米半导体材料?纳米半导体材料，通常是指除体材料之外的二维超晶格、量子阱材料，一维量子线和零维量子点材料，是自然界不存在的人工设计、制造的新型半导体材料。MBE、MOCVD技术和微细加工技术的发展和应用，为实现纳米半导体材料生长、制备和量子器件的研制创造了条件。5.其它信息作用材料信息存储材料：?磁记录材料仍是目前最重要的存储材料，预计到XX年左右，磁性材料中磁记录单元的尺寸将达到其记录状态的物理极限。?信息作用材料：由体材料-薄层、超薄层微结构材料-集材料、器件、电路为一体的作用集成芯片材料-有机/无机复合材料-无机/有机/生命体复合和纳米结构材料和量子器件方向发展。光电子材料的发展趋势纳米半导体结构、量子器件及其集成

3、技术探索。包括：硅基单电子存储器和单电子晶体管及其集成探索；应变自组装量子点、线的可控生长和器件；微腔激光器和光子晶体；硅基高效发光材料和器件和稀磁半导体异质结构和自旋极化量子器件等。大失配异质结构材料体系柔性衬底技术研究。理想的柔性衬底准确的说是柔性层和刚性的衬低和外延层之间分别是通过范得瓦耳力和键合力结合，它可用于吸收大晶格失配带来的应变，避免在外延层中产生大量的失配位错和缺陷。氧化物半导体材料体系的探索研究ZnO单晶和ZnO基质结构材料制备和P型掺杂技术。类钙钛矿结构氧化物兼有绝缘体、半导体、铁磁体和超导体性能，对其结构和性质的深入研究，有可能开拓一条研制新型宽禁带半导体材料的新途径。海量存储材料和器件包括：新型海量存储、三维光存储材料、器件和应用；全息存储和近场光学存储技术和应用等。单晶金刚石薄膜制备和N型掺杂技术研究包括：金刚石有着极高的硬度、导热率、抗辐照、耐高温和抗腐蚀和优越的光学和电学性能，一直是材料科学研究的热点，但至今未能取得突破，坚持进行创新研究，有望在此领域取得领先地位。结语随着科技的日新月异，光电子材料也在以一个惊人的速度发展着，作为21世纪初发展最快的电子领

4、域，光电子材料的革新必将引起新的一轮的技术革命，也必将人类带入一个发展的新纪元，到底会让我们惊讶道什么程度，让我们拭目以待。基于非线性光子晶体的全光开关摘要:通过利用一维和二维非线性光子晶体来实现全光开关，首先对光子晶体的概念和物理特性进行了介绍，其次介绍了一种利用一维非线性光子晶体实现全光开关的方法，该方法在光子晶体的所有高折射率层掺入Kerr介质,依赖于光子与非线性光子晶体的相互作用，根据非线性效应导致的缺陷态迁移实现光子晶体全光开关。最后介绍了一种在二维光子晶体内部加入克尔型非线性介质柱，实现非线性光子晶体全光开关结构的方法，通过时域有限差分(FDTD)理论分析，该结构还可以实现基本的逻辑功能。关键字：光子晶体；全光开关；非线性；FDTD理论Abstract：Toobtainall-opticalswitching,onedimensionalandtwodimensionalnonlinearphotoniccrystalareused.Firstofall,theconceptandphysicalcharacteristicsofphotoniccrystalareintr

5、oduced.Then,aimplementationmethodofall-opticalswitchingispresent,whichbasedononedimensionalnonlinearphotoniccrystal.InallphotoniccrystalhighrefractiveindexlayersKerrmediumismixed,basedontheKerrnonlineareffectcausedbythewholebandmovingprinciple,all-opticalswitchingcanberealized.Finally,atwodimensionalphotoniccrystalstructurewithkerrnonlineardielectricrodsisintroduced.Bymeansoffinitedifferencetimedomain(FDTD),itcanimplementfundamentallogicalfunction.Keywords：photoniccrystal;all-opticalswitching;no

6、nlinearity;FDTD1、前言全光开关是一种重要的集成光子学器件，完全利用光子与介质的相互作用来实现对光传输状态的控制，在光通信等领域具有广阔的应用前景。光子晶体是一种折射率在空间周期性变化的新型光子学材料，具有独特的光子禁带和光子局域特性1-3，能有效地控制光的传输状态，这是实现全光开关的重要基础。利用光子晶体实现全光开关的思想最早由Scalora在1994年提出4，该思想提出后人们进行了大量的理论探索5-7。龚旗煌、胡小永8介绍了基于光子晶体的全光开关的各种实现方法,并详细论述了超快速光子晶体全光开关的实验研究状况。宋健、孟凡玉等9基于Kerr非线性效应导致的禁带整体移动原理,设计了两种一维光子晶体全光开关结构，并应用时域有限差分对对全光开关进行数值特性分析，并讨论了频率混合效应对全光开关的影响。据美国物理学家组织网XX年5月3日的报道，美国联合量子研究所的科学家最新研制出迄今能耗最低的一款全光开关，该开关能引导光束从一个方向到达另一个方向，整个过程只需耗费120ps(120万亿分之一秒)，而且能耗仅为1*10-18J,是目前能耗最低的全光开关。科学家们使用置于共振光腔内的

7、一个量子点(相当于一个门)制造出了该全光开关该共振光腔是一个拥有很多小洞的光子晶体，只允许少数光波通过晶体。本文首先对光子晶体的概念和物理特性进行了介绍，其次介绍了一种利用一维非线性光子晶体实现全光开关的方法，该方法依赖于光子与非线性光子晶体的相互作用，由非线性效应导致的缺陷态迁移是实现光子晶体全光开关。最后介绍了一种在二维光子晶体内部加入克尔型非线性介质柱，实现非线性光子晶体全光开关结构的方法。2、光子晶体简介光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，从大约20年前光子晶体的概念提出以来，光子晶体的研究在光学物理、凝聚态物理、电磁波、信息技术、声学等领域引起了广泛关注。光子晶体的概念从硅晶体的概念类比得来，硅晶体的开发利用在20世纪引起了一场技术革命，有人大胆预言光子晶体的研究有可能在21世纪推动信息技术产生新的突破10-11。光子晶体也称光子带隙材料，是高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间呈周期排列的人造晶体，其晶格常数与工作波长处于同一个数量级。频率落入光子带隙中的电磁波，由于光子晶体的强烈的布拉格散射效应，将被光子晶体全反射回来而不能在光子晶体中传播，因而光子带隙中的光子态

8、密度为零。光子晶体的光子带隙出现在布里渊区的边界上，它不仅与光子的能量有关，还与光子的传播方向有关。如果光子晶体在空间的所有传播方向上都有带隙，并且每个方向上的带隙都能相互重叠，则称这种光子晶体是完全带隙光子晶体。如果光子晶体在空间不同方向上的带隙并不完全重叠，或者只在特定的方向上具有带隙，则称之为不完全带隙光子晶体或鹰带隙光子晶体。根据光子晶体的周期特点可将其分为一维光子晶体(1-DPC)、二维光子晶体(2-DPC)和三维光子晶体(3-DPC)。绝大多数光子晶体都是人工设计制造出来的，但是自然界也存在光子晶体的例子，如蛋白石、蝴蝶翅膀等。光子晶体实现全光开关有多种途径，如通过光子带隙迁移、通过缺陷模式迁移、通过非线性频率转换等等。3、一维非线性光子晶体全光开关一维非线性光子晶体全光开关的实现，主要依赖光子与非线性光子晶体的相互作用，由非线性效应导致的缺陷态迁移是实现光子晶体全光开关的一种重要原理。全光开关的结构设计在光子晶体周期性结构中引入杂质或缺陷层，禁带内会出现相应的缺陷态12。本文选择光子晶体(HL)2(D)4(LH)2结构，如图1所示，介质的高、低折射率及缺陷层折射率分别为n

9、、n、n。图1含缺陷层结构的一维光子晶体选择固体光学介质氟化钠作为低折射率层，nL?；硫化锌作为高折射率层,nH?；设缺陷层折射率nL?nH?，基片折射率为1。采用四分之一波长厚度的高低折射率间隔层，这样整个缺陷层厚度d?4*(?0/4nH)?0/nH。设光通信低损耗传输窗口的工作波长?0?1550nm为光子晶体的中心入射波长。在缺陷层掺入Kerr介质，满足关系式13-14：?En?1z?1?nDz(i)(i)?rD?(3)A?z?z和D?z满足关系：D?E,E式中Ezr0z?z?；设三阶非线z,D2性系数?(3)?；A为光强，?rD?nD为缺陷层的相对介电常量。该结构的禁带较宽，缺陷态较窄，且缺陷态透射峰值接近于1，满足实现全光开关传输特性的基本要求。全光开关的工作原理采用频率、幅值各异的信号光和泵浦光作用于光子晶体。由泵浦强光与非线性Kerr介质相互作用，改变光子晶体禁带结构，从而控制信号光的“开”、“关”两种状态。Esource?E0cos(2?fsn?t)?Kcos(2?fpn?t)E0为信号光幅值，fs为信号光频率，K为泵浦光幅值,fp为泵浦光频率，n?t为离散时间。信号光频率取在禁带内缺陷态透射峰所对应的位置，泵浦光频率选择在禁带外部透射率较大且相对稳定的位置没有泵浦光作用时。信号光能够透过光子晶体，实现全光开关的“开”状态；有泵浦强光作用时，发生Kerr非线性效应，改变介质折射率从而改变禁带结构，缺陷态透射峰迁移，信号光频率落入禁带不能通过光子晶体，实现全光开关的“关”状态。4、二维非线性光子晶体全光开关根据二维光子晶体的特点，利用光波几乎可以无损耗地通过90弯曲的光子晶体波导这一特性，通

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