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1、光子晶体简介光子晶体（Photonic Crystal）是在 1987 年由 S.John和 E.Yablonovitch 分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波-当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则
2、上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。背景微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为 EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具
3、有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为 PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。分类按照光子晶体的光子禁带在空间中所存在的维数，可以将其分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体，如下图所示：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -制备光子晶体的制备有一定的难度，因
4、为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：对于光通信波段（波长1.55 m），要求光子晶体的晶格在 0.5 m左右。近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工制备方法，如：介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织生长和半导体工艺等。用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。应用光子晶体被用在各种各样的领域，从增加 LED效率的反射涂层到到激光腔中的反射镜（例如 VCSEL）。在 Bykov 的关于一维光子晶体结构的理论研究中，他第一次研究了在光子晶体中，光子禁带对于镶
5、嵌其中的原子分子的自发辐射的影响。Bykov 还推测了二维以及三维光子晶体对自发发射的影响。但是，他的想法并没有受到重视。如今，二维光子晶体，即半导体的薄片堆层应用在很多领域；如利用全内反射将光限制在晶体中而产生光子晶体效应及控制光的色散。世界上有很多研究围绕在利用光子晶体制作计算机芯片以提高计算机的运行速度。虽然这项技术还远没有达到商业应用，二维光子晶体已经被应用在光纤上。光子晶体光纤最早由Philip Russell在 1998 年制作，它相对于普通光纤有很多先进之处。由于制作上的难度，三维晶体的研究远远落后于二维晶体，即使在半导体工业中也没有可以借鉴的方法来制造三维光子晶体。最近，一些科
6、研组发展出一些有效的方法，不少样品被制作出来。8 例如，通过层层堆积方法制造出木料堆结构。又如，利用自组装方法让大小均一的纳米尺寸微球通过自组装形成三维规则结构。光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。2005 年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。英国的Mesophotonics宣称，该公
7、司于2005年的 Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。未来发展预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。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。而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今 视顶盒 类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。在五到十年的范围内，我们应该制造
8、出第一个光子晶体 二极管 和晶体管 ；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -志。如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上
9、出现。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。而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今 视顶盒 类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体 二极管 和晶体管；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而
10、，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。基本原理众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。从晶体结构图中，我们可以看出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带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如
11、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。简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。未来研究方向近年来，光子晶体得到了越来越多的关注和推崇。科学家们从各个方面来寻求开发应用光子晶体的途径。然而，光子晶体得到广泛应用，还需要解决以下几个问题：1）制作可以对波长在可见光范围内的光产生BandGap的光子晶体还有很大的困难特备是三维光子晶体（具体内容请参看光子晶体制造
12、方法介绍）。2）解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题-上文已经提到这种缺陷意义。3）制作高效率光子传导材料的技术问题。4）如何将现在的电流和电压加到光子晶体上的问题。晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。该种可调节晶体结构的光子晶体可用来制作体积微小、广泛用於遥距通讯和卫星通讯的远红外激光器，亦有助研究激发态分子的化学反应，对化工生产、药物研制及生物科技都十分重要。固体物理与光子晶体的联系与区别固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，而电子波是标量波；电子是自旋为1/2 的费米子，光子是自旋为1 的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -