光子晶體班級 : 四技光電四甲學生 : 49123028 吳冠葦 49123029 郭俊宏

指導老師 : 鄒文正 老師

摘要

過去 50 年來，半導體的技術訊速發展，為人們的生活帶來極大的方便，隨著積體電路的元件微小化與高度的電路積集化、微電子技術的物理極限被視為限制積體電路發展的重大瓶頸。

元件微小化後，元件間的干擾越來越嚴重，而電子信號也因電路高度積集話化將產生信號延遲，此外還有元件中電子產生的散熱問題。目前科學家正嘗試用光子取代電子作為訊息載體，希望解決此類的問題。

作為訊息載體，光子有一些電子所沒有的優點 :

(1) 光子在介電質中的速度遠大於電子在金屬導線的速度。

(2) 光子是中性粒子，沒有像電子相互干擾的問題。

(3) 光每秒所攜帶的訊息容量也較大，因為介電質材料的頻寬遠大於金屬，以光纖通訊為例，通常其寬頻是 THz ，而電子系統 (如電話 )約只有數百個 KHz 。

雖然用光子攜帶訊息的想法粉早被提出，不過由於是中性粒子，無法像電子容易操作，所以到目前為止，光訊息技術只局限在訊息的傳遞，也就是光通訊，至於訊息處理方面則無法取帶電子技術。此問題由近年來光子晶體 (photonic crystals) 概念的提出，出現了一線希望。

目錄 光子晶體的由來 光子晶體的簡介 光子晶體的基本原理 光子晶體的應用 結論

光子晶體的由來 自 1987 年光子晶體的概念被提出後，光子晶體的發展與應用逐漸受到重視，其學術論文數量增加的速度約每 2年成長一倍，藉由操縱電子的能力，半導體已經促成通訊及電腦上的工業革命，正如半導體操控電子般操控光子，然而是以光的速度。

光子晶體學術論文數量成長圖

在光電子領域中我們通常希望藉由物質改變光的行為，偏光、電激發光、光學導波，而達到對光的應用，如液晶顯示器、發光二極體、光纖通訊等。而大部分的這些特性都是以改變物質分子尺度內在化學結構達成，但光波在物質中的電磁特性也可以藉由在波長尺度上 (100nm~1mm) 特定的物理結構加以改變。

相對於電子在半導體晶體的特性，在這種光子晶體中，也可以製造出一種光子能隙，使具有特性波長的光子無法在此晶體中傳播，形成一種光子的絕緣體。在目前電子工業因為速度與容量關係愈來愈需要使用光波器元件，這種光子晶體在製造光波元件上可能有很大的應用範圍，被視為是相當嶄新且重要的新一代光電材料。

光子晶體簡介

E. Yablonovitch 和 S. John首先指出如果我們在電磁波中製造出具有其波長尺度下週期排列的介質，則類比於電子的物質波 (De-Brogie Wave) 與原子晶格的大小。

電磁波在此巨觀排列的行為將有如電子在晶體中般，被此 排列週期、空間結構、介質的介電常數來控制，不需要改變物質的內在化學結構，我們可以在電磁波的波長尺度下設計並製造出我們想要的光的特性，在光波尺度下這種新的人工晶體被叫做光子晶體 (Photonic Crystal) 。

光子能隙結構 (Photonic Bandgap， PBG)

光子晶體是由 2種以上不同折射率 (或介電常數 )的介電材料，在空間上做週期性變化的結構。依照它在空間上週期性分布的維度，可分一維光子晶體、二維光子晶體、三維光子晶體，如下圖

3 種不同維度光子經體示意圖

光子晶體的基本原理

光子晶體的基本原理為布拉格繞射 (Bragg diffractiom) ，也就是光波會在光子晶體中產生破壞性干涉，造成類似於電子能帶的光子能帶結構，進而產生光子能隙。

完全能隙是完美的光子晶體才可能具有的特性，但另人更感興趣的應用，則出現在不完美的光子晶體。試驗上已證明，在光子晶體中加入或移去一些介電才料，便可產生雜質態。

(a)具有點缺陷的光子晶體的光子晶體示意圖 (b)具有線缺陷的光子晶體示意圖

圖 (a) 為一個具有點缺陷 (point defect) 的的光子晶體示意圖。由於點缺陷四周都是光子晶體形成的光絕緣體，於是光波在空間分怖將會局限在點缺陷附近，亦即光子會在點缺陷中來回振盪。因此相當一個微空腔。

圖 (b) 為一個具有線缺陷 (line defect) 的的光子晶體示意圖。同樣地，光波無法傳遞至周圍的光子晶體，只能沿著線缺陷傳遞，所以相當於一個波導管。

藉由改變缺陷大小或介電常數，可以對雜質態加以調整，只要設計妥當，就可以依需求，製造出具有特定能量或為於特定空間的雜質，這跟半導體藉由掺雜來調整載子性質的原理相似，所以光子晶體又被稱為光學的半導體。

光子晶體的應用

光子晶體光纖(photo crystals fiber,PCF)

實心 Core(核 ) 的光子晶體光纖掃瞄式電子顯微鏡圖

圖(a)

光子晶體光纖結構圖

空心 core(核 ) 的光子晶體光纖之掃瞄式電子顯微鏡圖

圖 (b)

線缺陷二維光子晶體

高效率 LED

高效率 LED結構圖

發光區

二維光子晶體

積體光迴路(Integrated Photonic Circuits)

積體光迴路結構圖

彎曲的光子晶體波導管之掃瞄式電子顯微鏡

圖 (a) 圖 (b)

由光子晶體所構成的積體光迴路之想像圖

結論

光子晶體 (光能隙結構 )可提供許多新型光電元件的製作，

更重要的是可大幅縮小元件的體積，並從事密集的積成。

拜近年來蓬勃發展的奈米技術之賜，光子晶體製作的能帶

應用波段從微波減小到紅外光及可見光，使應用的層面更加廣

泛與實際。雖然二維光子晶體製作簡易，僅需一般半導體的微

影蝕刻製程，但其對於光能量的侷限效應有限且能帶受限於電

磁波方向與偏極化，故三維光子晶體便可能是未來元件實際製

作的基本架構，但其製程卻非常繁複且困難。

END