Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 光子晶体研究进展(三）
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr 25 20:05:55 2003) , 转信

 

5．光子晶体的理论方法简介
　
光在光子晶体中传播服从Maxwell方程组，经过运算可以得到运动方程
这个方程类似电子的薛定谔方程，是线性本征值问题，其解完全由空间变化的介电常数
决定。如果介电常数在空间周期性变化，则会形成光子能带。
能带计算常用的是平面波展开的方法 [3-5,19-21]，即将介电常数和电场或磁场用平面
波展开，最后得到本征值方程。解本征方程即可得到光子能带。光子晶体的能带计算可
以套用电子能带的方法，如缀加平面波方法 [67]，紧束缚法 [68]等。在处理杂质情况
时，若采用平面波方法，则要用超原胞，需要很大数目的平面波。紧束缚法可以克服这
个困难。Pendry等引入了传输矩阵法 [69]，不仅可以计算能带，而且能得到传输率。这
个方法对处理有杂质的情况很有效。经常用到的方法还有有限差分时域法 [70-72]，对
计算能带和处理杂质问题效果很好。对于某些特殊问题，多重散射法效果也不错 [73-7
5]。
　
6、展望
　
光子晶体是一门正在蓬勃发展的、很有前途的新学科，它吸引了包括经典电磁学、固体
能带论、半导体器件物理、量子光学、纳米结构和材料科学等领域的科学家，论文数目
呈指数增长。光子晶体从八十年代末提出发展至今，取得很大的成就。如今，人们对波
受到周期性调制的研究已超越光子晶体，声波 [76-79]、等离子体波 [80-82]、磁子波
 [83]等受到周期调制后出现带隙和新现象。其它的波，如极化子、自旋波、水波等都值
得研究，会出现新物理现象，有可能发现新的应用。
去年底美国《科学》杂志在预计1999年的研究热点时，将光子晶体列为所有学科中的六
大热点之一。由于光子晶体特殊的性质，有新物理，更有应用前景，国外目前越来越多
的研究人员进入这个研究领域。据作者所知，与光子晶体有关的国外专利已有近百个。
国内在这方面只有中科院物理所、南京大学、同济大学和复旦大学等单位一些零星的研
究工作。特别是实验制作方面投入的力量太小。因此，希望国内能重视光子晶体这个有
前途的领域。
　
参考文献：
[1] E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[2] S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[3] J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals: Mold
ing the Flow of Light (Princeton Univ. Press, NJ, 1995).
[4] Photonic Band Gap Materials，NATO, ASI, edited by C. M. Soukoulis (Kluwe
r, Dordrecht, 1996).
[5] Photonic Band Gaps and Localization, NATO ARW, edited by C. M. Soukoulis
 (Plenum, New York, 1993).
[6] E. M. Purcell, Phys. Rev. 69, 681 (1964).
[7] S. John, Physics Today 32, 33 (1991).
[8] Scattering and Localization of Classical Waves in Random Media, edited b
y P. Shen (Wrold Scientific, Singapore, 1990).
[9] J. M. Drake and A. Z. Genack, Phys. Rev. Lett. 63, 259 (1989).
[10] S. L. McCall, P. M. Platzman, R. Dalichaouch, D. Smith, and S. Schultz,
 Nature 354, 53 (1991).
[11] D. S. Wiersma, P. Bartolini, Ad. Lagendijk, and R. Righini, Nature 390,
 671 (1997).
[12] S. John and J. Wang, Phys. Rev. Lett. 64, 2418 (1990).
[13] C. A. Condat and T. R.. Kirpatrick, Phys. Rev. B36, 6783 (1987).
[14] J. Martorell and N. M. Lawandy, Phys. Rev. Lett. 65, 1877 (1990).
[15] G. Kurizki, B. Sherman, and A. Kadyshevitch, J. Opt. Soc. Am. B10, 346
(1993).
[16] E. Yablonovitch and T. J. Gmiter, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989).
[17] S. Satpathy, Z. Zhang, and M. R. Salehpour, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (
1990).
[18] K. M. Leung and Y. F. Liu, Phys. Rev. B41, 10188 (1990).
[19] K. M. Leung and Y. F. Liu, Phys. Rev. Lett. 65, 2646 (1990).
[20] Z. Zhang and S. Satpathy, Phys. Rev. Lett. 65, 2650 (1990).
[21] K. M. Ho, C. T. Chan, and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (1
990).
[22] E. Yablonovitch, T. J. Gmitter, and K. M. Leung, Phys. Rev. Lett. 67, 2
295 (1991); E. Yablonovitch and K. M. Leung, Nature 351, 278 (1991).
[23] K. M. Ho, C. T. Chan, C. M. Soukoulis, R. Biswas, and M. Sigalas, Solid
 State Commun. 89, 413 (1994)
[24] E. Ozbay, A. Abeyta, G. Tuttle, ringides, R. Biswas, M. Sigalas, C. M.
Soukoulis, C. T. Chan, and K. M. Ho, Phys. Rev. B50, 1945 (1994).
[25] H. Sozuer and J. Dowling, J. Mod. Opt. 41, 231 (1994).
[26] S. Fan, P. Villeneuve, R. Meade, and J. Joannoupolis, Appl. Phys. Lett.
 65, 1466 (1994).
[27] M. Wanke, O. Lehmann, K. Muller, Q. Z. Wen, and M. Stuke, Science 275,
1284 (1997).
[28] S. Y. Lin, J. G. Fleming, D. L. Hetherington, B. K. Smith, R. Biswas, K
. M. Ho, M. M. Sigalas, W. Zubrzycki, S. R. Kurtz, and J. Bur, Nature 394, 2
51 (1998).
[29] Workshop on Electromagnetic Crystal Structres: Design, Synthesis and Ap
plications, Laguna Beach, CA, USA, Jan. 6-8, 1999.
[30] N. A. Clark, A. J. Hurd, and B. J. Ackerson, Nature 281, 57 (1979).
[31] P. Pieranski, Contemp. Phys. 24, 25 (1983).
[32] R. J. Hunter, Foundations of Colliod Science (Clarendon, Oxford, 1992).

[33] P. N. Pusey and W. Van Megen, Nature 320, 340 (1986).
[34] A. van Blaaderen and A. Vrij, Langmuir 8, 2921 (1992).
[35] I. I. Tarhan and G. H. Watson, Phys. Rev. Lett. 76, 315 (1996).
[36] S. G. Romanov et al., Phys. Stat. Sol. 164, 169 (1997).
[37] V. N. Bogomolov et al., Phys. Rev. E55, 7619 (1997).
[38] W. L. Vos, R. Sprik, A. Van Blaaderen, A. Imhof, A. Lagendijk, and G. H
. Bogomolov, Phys. Rev. B53, 16231 (1996); ibid. 55, 1903(E) (1997).
[39] B. T. Holland, C. F. Blanford, and A. Stein, Science 281, 538 (1998).
[40] J. E. G. J. Wijnhoven and W. L. Vos, Science 281, 802 (1998).
[41] A. A. Zakhidov, R. H. Baughman, Z. Iqbal, C. Cui, I. Khayrullin, S. O.
Dantas, J. Marti, and V. G. Ralchenko, Science 282, 897 (1998).
[42] H. S. Sozuer, J. W. Haus, R. Inguva, Phys. Rev. B45, 13962 (1992).
[43] S. L. McCall, P. M. Platzman, R. Dalichaouch, D. Smith, and S. Schultz,
 Phys. Rev. Lett. 67, 2017 (1991).
[44] W. M. Robertson, G. Arjavalingam, R. D. Meade, K. D. Brommer, A. M. Rap
pe, and J. D. Joannopoulis, Phys. Rev. Lett. 68, 2023 (1992); ibid., J. Opt.
 Soc. Am. B10, 322 (1993).
[45] R. D. Meade, K. D. Brommer, A. M. Rappe, and J. D. Joannopoulis, Appl.
Phys. Lett. 61, 495 (1992).
[46] U. Gruning et al., Appl. Phys. Lett. 66, 3254 (1995); U. Gruning et al.
, Appl. Phys. Lett. 68, 747 (1996).
[47] D. Cassagne, C. Jouanin, and D. Bertho, Phys. Rev. Lett. 75, 2217 (1995
); ibid., Phys. Rev. B 52, R2217 (1995); ibid., Appl. Phys. Lett. 70, 289 (1
997); A. Barra, D. Cassagne, and C. Jouanin, Appl. Phys. Lett. 72, 627 (1998
).
[48] K. Inoue et al., J. Appl. Phys. 33, L1463 (1994); K. Inoue et al., Phys
. Rev. B53, 1010 (1996).
[49] T. F. Krauss, R. M. De La Rue, and S. Brand, Nature 283, 699 (1996); T.
 F. Krauss and R. M. De La Rue, Appl. Phys. Lett. 68, 1613 (1996).
[50] Y. Chen, G. Faini, H. Launois, and J. Etrillard, Superlatt. & Microstru
ct. 22, 109 (1997).
[51] E. R. Brown, C. D. Parker, and E. Yabnolovitch, J. Opt. Soc. Am. B10, 4
04 (1993).
[52] Y. Fink, J. N. Winn, S. Fan, C. Chen, J. Michel, J. D. Joannopoous, and
 E. L. Thomas, Science 282, 1679 (1998).
[53] A. Mekis et al., Phys. Rev. Lett. 77, 3787 (1996).
[54] J. D. Joannopoulis, P. R. Villeneuve, and S. Fan, Nature 386, 143 (1997
).
[55] S.-Y. Lin, E. Chow, V. Hietala, P. R. Villeneuve, and J. D. Joannopoulo
s, Science 282, 274 (1998).
[56] I. Abram, and G. Bourdon, Phys. Rev. A54, 3476 (1996).
[57] G. S. Agrwal and S. D. Gupta, Phys. Rev. A57, 667 (1998).
[58] S.-Y. Lin et al., Appl. Phys. Lett. 68, 3233 (1996).
[59] J. S. Foresi, P. R. Villeneuve, J. Ferrera, E. R. Thoen, G. Steinmeyer,
 S. Fan, J. D. Joannopolous, L. C. Kimerling, H. I. Smith, and E. P. Ippen,
Nature 390, 143 (1997).
[60] J. C. Knight, J. Broeng, T. A. Birks, and P. St. J. Russell, Science 28
2, 1476 (1998).
[61] S. Y. Lin, V. M. Hietala, L. Wang et al., Opt. Lett. 21, 1771 (1996).
[49] T. F. Krauss, R. M. De La Rue, and S. Brand, Nature 283, 699 (1996); T.
 F. Krauss and R. M. De La Rue, Appl. Phys. Lett. 68, 1613 (1996).
[50] Y. Chen, G. Faini, H. Launois, and J. Etrillard, Superlatt. & Microstru
ct. 22, 109 (1997).
[51] E. R. Brown, C. D. Parker, and E. Yabnolovitch, J. Opt. Soc. Am. B10, 4
04 (1993).
[52] Y. Fink, J. N. Winn, S. Fan, C. Chen, J. Michel, J. D. Joannopoous, and
 E. L. Thomas, Science 282, 1679 (1998).
[53] A. Mekis et al., Phys. Rev. Lett. 77, 3787 (1996).
[54] J. D. Joannopoulis, P. R. Villeneuve, and S. Fan, Nature 386, 143 (1997
).
[55] S.-Y. Lin, E. Chow, V. Hietala, P. R. Villeneuve, and J. D. Joannopoulo
s, Science 282, 274 (1998).
[56] I. Abram, and G. Bourdon, Phys. Rev. A54, 3476 (1996).
[57] G. S. Agrwal and S. D. Gupta, Phys. Rev. A57, 667 (1998).
[58] S.-Y. Lin et al., Appl. Phys. Lett. 68, 3233 (1996).
[59] J. S. Foresi, P. R. Villeneuve, J. Ferrera, E. R. Thoen, G. Steinmeyer,
 S. Fan, J. D. Joannopolous, L. C. Kimerling, H. I. Smith, and E. P. Ippen,
Nature 390, 143 (1997).
[60] J. C. Knight, J. Broeng, T. A. Birks, and P. St. J. Russell, Science 28
2, 1476 (1998).
[61] S. Y. Lin, V. M. Hietala, L. Wang et al., Opt. Lett. 21, 1771 (1996).
[62] H. Kosaka et al., Phys. Rev. B58, R10096 (1998).
[63] 资剑、张淳、万钧，专利申请中；C. Zhang, J. Wan, and J. Zi, IEEE Trans.
Microw. Theo. Tech., special issue, to be published.
[64] S. John, Physica B: Condens. Matt. 175, 87 (1991); S. John and T. Quang
, Phys. Rev. A52, 4083 (1995); ibid., Phys. Rev. Lett. 74, 3419 (1995); ibid
. 76, 1320 (1996); ibid. 76, 2484 (1996); ibid. 78, 1888 (1997).
[65] S. -Y. Zhu, H. Chen, and H. Huang, Phys. Rev. Lett. 79, 205 (1997).
[66] G. Kurizki and A. A. Genack, Phys. Rev. Lett. 61, 2269 (1988).
[67] W. C. Sailor, F. M. Mueller, and P. R. Villeneuve, Phys. Rev B57, 8819
(1998).
[68] E. Lidorikis, M. M. Sigalas, E. N. Economou, and C. M. Soukoulis, Phys.
 Rev. Lett. 81, 1405 (1998).
[69] J. B. Pendrym and A. MacKinnon, Phys. Rev. Lett. 69, 2772 (1992); J. B.
 Pendry, J. Mod. Optics 41, 209 (1993); P. M. Bell, J. B. Pendry, and A. J.
Ward, Comp. Phys. Comm. 85, 306 (1995).
[70] K. S. Yee, IEEE Trans. Antennas Proga. 14, 302 (1966).
[71] C. T. Chan, Q. L. Yu, and K. M. Ho, Phys. Rev. B51, 16635 (1995).
[72] A. J. Ward and J. B. Pendry Phys. Rev. B58, 7252 (1998).
[73] W. H. Butler, Phys. Rev. B14, 468 (1976).
[74] K. M. Leung and Y. Qiu, Phys. Rev. B48, 7767 (1993).
[75] L. M. Li and Z. Q. Zhang, Phys. Rev. B58, 9587 (1998).
[76] R. M. Hornreich, M. Kugler, S. Shtrikman, and C. Sommers , J. Phys. 17,
 509 (1997).
[77] M. S. Kushwaha et al., Phys. Rev. Lett. 71, 2022 (1993); ibid., Phys. R
ev. B49, 2313 (1994).
[78] N. A. Nicorovici, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Phys. Rev. Lett.75
, 1507 (1995).
[79] M. M. Sigalas and E. N. Economou, Phys. Rev. Lett. 75, 3580 (1995).
[80] F. Pincemin and J. J. Greffet, J. Opt. Soc. Am. B13, 1499 (1996).
[81] W. L. Barnes et al., Phys. Rev. B54, 6227 (1996).
[82] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, J. Phys.:
 Condens. Matt. 10, 4785 (1998).
[83] J. O. Vasseur, L. Dobrzynski, and B. DjafariRouhani, Phys. Rev. B54, 10
43 (1996).
 




--

※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]