光子晶體完全依靠自身結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)帶阻濾波，且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。
正文
光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap,簡(jiǎn)稱為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時(shí)也稱為PBG結(jié)構(gòu)。所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。這一概念最初是在光學(xué)領(lǐng)域提出的，現(xiàn)在它的研究范圍已擴(kuò)展到微波與聲波波段。由于這種結(jié)構(gòu)的周期尺寸與“禁帶”的中心頻率對(duì)應(yīng)的波一籌莫展可比擬，所以這種結(jié)構(gòu)在微波波段比在光波波段更容易實(shí)現(xiàn)。
簡(jiǎn)介
微波波段的逞隙常稱為電磁帶隙（ElectromagneticBand-Gap,簡(jiǎn)稱為ebg），光子晶體的引入為微波領(lǐng)域提供了新的研究方向。國(guó)外在這一方面的研究已經(jīng)取得了很多成果，而國(guó)內(nèi)的研究才剛剛起步，所以從事光子晶體的研究具有重要的意義。
從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對(duì)
電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波---當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過(guò)設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的。光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成為可能。
應(yīng)用
迄今為止，已有多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件被相繼提出，包括無(wú)閾值的激光器，無(wú)損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，低驅(qū)動(dòng)能量的非線性開(kāi)關(guān)和放大器，波長(zhǎng)分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補(bǔ)償作用的光子晶體光纖，以及提高效率的發(fā)光二極管等。光子晶體的出現(xiàn)使信息處理技術(shù)的"全光子化"和光子技術(shù)的微型化與集成化成為可能，它可能在未來(lái)導(dǎo)致信息技術(shù)的一次革命，其影響可能與當(dāng)年半導(dǎo)體技術(shù)相提并論。
光子晶體的制備和理論分析方法
光子晶體的制備有一定的難度，因?yàn)楣庾泳w的晶格尺度和光的波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)，如：對(duì)于光通信波段（波長(zhǎng)1.55μm），要求光子晶體的晶格在0.5μm左右。近些年來(lái)，在人們不斷探索和試驗(yàn)的過(guò)程中，出現(xiàn)了許多可行的人工制備方法，如：介質(zhì)棒堆積、精密機(jī)械鉆孔、膠體顆粒自組織生長(zhǎng)、膠體溶液自組織長(zhǎng)年和半導(dǎo)體工藝等。用這些方法，通過(guò)人工地控制光子晶體中介電材料之間介電常數(shù)的配比和光子晶體的微周期性結(jié)構(gòu)，可以制備出帶有各種帶隙的光子晶體。
光子晶體的理論研究始于上世紀(jì)80年代末期。雖然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶體的概念，但直到1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在，物理界才開(kāi)始大舉投入這方面的理論研究。由于光子晶體有類似電子晶體的結(jié)構(gòu)，人們通常采用分析電子晶體的方法結(jié)構(gòu)電磁理論來(lái)分析光子晶體的特性，并取得了和試驗(yàn)一致的結(jié)果。主要的方法有：平面波展開(kāi)法（planewaveexpansionmethod簡(jiǎn)稱：PWM）、傳輸矩陣法（transfermatrixmethod簡(jiǎn)稱：TMN）、有限差分時(shí)域法（finitedifferencetimedomain簡(jiǎn)稱：FDTD）和散射矩陣法（scatteringmatrixmethod簡(jiǎn)稱：SMM）等。
平面波展開(kāi)法是比較常用的一種方法，它的基本思想是：將電磁場(chǎng)以平面波的形式展開(kāi)，可以將詹姆斯·麥克斯韋議程組化成一個(gè)本征議程，求解該方程的本征值便得到傳播的光子的本征頻率。這種方法的不足之處是當(dāng)光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜或處理有缺陷的體系時(shí)，可能因?yàn)橛?jì)算能力的限制而不能計(jì)算或者難以準(zhǔn)確計(jì)算。而且如果介電常數(shù)不是常數(shù)而是隨頻率變化，就沒(méi)有一個(gè)確定的本征方程形式，這種情況下根本無(wú)法求解。
傳輸矩陣法是將磁場(chǎng)在實(shí)空間的格點(diǎn)位置展開(kāi)，將麥克斯韋方程組化成傳輸矩陣形式，同樣變成本征值求解問(wèn)題。傳輸矩陣表示一層（面）格點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與緊鄰的另一層（面）格點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，它假設(shè)在構(gòu)成的空間中在同一個(gè)格點(diǎn)層（面）上有相同的態(tài)和相同的頻率，這樣可以利用麥克斯韋方程組將場(chǎng)從一個(gè)位置外推到整個(gè)晶體空間。這種方法對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化我金屬系統(tǒng)特別有效，而且由于傳輸矩陣小，矩陣元少，運(yùn)算量小，同時(shí)在計(jì)算傳輸光譜時(shí)也是十分方便的。但是用該方法求解電磁場(chǎng)的分布較為麻煩，效率不是很高，因此對(duì)于光子晶體物理特性的理解沒(méi)有太大的幫助。
有限差分時(shí)域法是電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的經(jīng)典方法之一。在這里將一個(gè)單位原跑劃分成許多網(wǎng)狀小格，列出網(wǎng)上每個(gè)結(jié)點(diǎn)的有限差分議程，利用布里淵區(qū)邊界的周斯條件，同樣將麥克斯韋方程組化成矩陣形式的特征方程，這個(gè)矩陣是準(zhǔn)對(duì)角化的，其中只有少量的一些非零矩陣元，計(jì)算最小。但是由于有限差分時(shí)域法沒(méi)有考慮晶格的具體形狀，在遇到特殊形狀晶格的光子晶體時(shí)，很難精確求解。
散射矩陣法假定光子晶體由各向同性的介質(zhì)組成，其中充滿了各種開(kāi)頭和尺寸的沒(méi)有重疊的光學(xué)散射中心。通過(guò)對(duì)所有的散射中心的散射場(chǎng)應(yīng)用傅立葉－貝塞爾展開(kāi)來(lái)求解亥姆霍茲方程，從而計(jì)算出在光子晶體中傳輸?shù)膱?chǎng)分布。應(yīng)用這種方法對(duì)于求解場(chǎng)分布和傳輸光譜都是可行的，但是由于這種方法需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間，在有些情形下實(shí)際上是不可行的。
實(shí)際理論分析中，還有很多其他的方法，如：有限元法、N階法等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合合理地選用。在光子晶體的研究中這些分析方法是十分重要的，由于光子晶體的制備非常困難，通常是先應(yīng)用這些方法分析得出光子晶體的一些特性，再由試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些結(jié)論。
未來(lái)展望
預(yù)言總是很難實(shí)現(xiàn)。但是，光子晶體電路和裝置的未來(lái)看起來(lái)卻是確信無(wú)疑的。五年之內(nèi)，許多光子晶體的基本應(yīng)用將會(huì)在市場(chǎng)上出現(xiàn)。在這些應(yīng)用中，將會(huì)有高效光子晶體激光發(fā)射器和高亮度的發(fā)光二極管。
而當(dāng)每個(gè)家庭都連接到一個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，與如今"視頂盒"類似的解碼信號(hào)
設(shè)備將使用光子晶體電路和裝置而不是笨重的光纖和硅回路。
在五到十年的范圍內(nèi)，我們應(yīng)該制造出第一個(gè)光子晶體"二極管"和"晶體管"；在十到十五年里，我們能制造出第一個(gè)光子晶體邏輯電路并使之占有主要地位；在接下來(lái)的二十五年內(nèi)，由光子晶體驅(qū)動(dòng)的光子計(jì)算機(jī)應(yīng)該可以制造出來(lái)。令人驚奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠寶和藝術(shù)品市場(chǎng)上找到生存環(huán)境；并且光子晶體薄膜能貼在信用卡上作為防偽標(biāo)志。
如果我們的預(yù)言只是完全不可能實(shí)現(xiàn)的對(duì)未來(lái)的歪曲，我們希望大部分人會(huì)忘記我們?cè)?jīng)這樣說(shuō)過(guò)。然而，光子晶體的未來(lái)看起來(lái)還是充滿光明的。
光子晶體基本原理
眾所周知，很多的研究都是起源于對(duì)自然界不同領(lǐng)域存在類似現(xiàn)象的假設(shè)開(kāi)始的。因?yàn)?a href="/hebeideji/7893440430145174678.html">宇宙萬(wàn)物遵循著相同的規(guī)律，即使外表再怎樣的千變?nèi)f化，而內(nèi)在的規(guī)則卻是有著高度一致性。這正是宇宙的神奇之處，也是人類難解的秘密。光子晶體的產(chǎn)生亦是如此，它是科學(xué)家們?cè)诩僭O(shè)光子也可以具有類似于電子在普通晶體中傳播的規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。
從晶體結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看出晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢(shì)場(chǎng)的存在，使得運(yùn)動(dòng)的電子受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無(wú)法繼續(xù)傳播。其實(shí)，不論是電磁波，還是其它波如光波等，只要受到周期性調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能出現(xiàn)帶隙。而能量落在帶隙中的波同樣不能傳播。
簡(jiǎn)言之，半導(dǎo)體中離子的周期性排列產(chǎn)生了能帶結(jié)構(gòu)，而能帶又控制著載流子（半導(dǎo)體中的電子或者空穴）在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)。相似的，在光子晶體中是由光的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu)，從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)。
光子晶體的結(jié)構(gòu)可以這樣理解，正如半導(dǎo)體材料在晶格結(jié)點(diǎn)（各個(gè)原子所在位點(diǎn)）周期性的出現(xiàn)離子一樣，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率（如人工造成的空氣空穴）的材料。如下圖所示的光子晶體材料從一維到三維的結(jié)構(gòu)，可以明顯看出周期性的存在，而且三維光子晶體的結(jié)構(gòu)圖與普通的硅晶體單從結(jié)構(gòu)是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙（BandGap，類似于半導(dǎo)體中的禁帶）。而周期排列的低折射率位點(diǎn)的之間的距離大小不同，導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對(duì)一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)。也就是只有某種頻率的光才會(huì)在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。
如果只在一個(gè)方向上存在周期性結(jié)構(gòu)，那么光子帶隙只能出現(xiàn)在這個(gè)方向。如果在三個(gè)方向上都存在周期結(jié)構(gòu)，
那么可以出現(xiàn)全方位的光子帶隙，特定頻率的光進(jìn)入光子晶體后將在各個(gè)方向都禁止傳播。這對(duì)光子晶體來(lái)說(shuō)是一個(gè)最重要的特性。而且實(shí)際上，這種三維光子晶體也是最先被制造出來(lái)的。
因?yàn)楣獗唤钩霈F(xiàn)在光子晶體帶隙中，所以我們可以預(yù)見(jiàn)到我們能夠自由控制光的行為。例如，如果我們考慮引入一種光輻射層，該層產(chǎn)生的光和光子晶體中的光子帶隙頻率相同，那么由于光的頻率和帶隙一致則禁止光出現(xiàn)在該帶隙中這個(gè)原則就可以避免光輻射的產(chǎn)生。這就使我們可以控制以前不可避免的自發(fā)輻射。
而如果我們通過(guò)引入缺陷破壞光子晶體的周期結(jié)構(gòu)特性，那么在光子帶隙中將形成相應(yīng)的缺陷能級(jí)。將僅僅有特定頻率的光可在這個(gè)缺陷能級(jí)中出現(xiàn)。這就可以用來(lái)制造單模發(fā)光二極管和零域值激光發(fā)射器（詳見(jiàn)光子晶體應(yīng)用）。而如果產(chǎn)生了缺陷條紋--即沿著一定的路線引入缺陷，那么就可以形成一條光的通路，類似于電流在導(dǎo)線中傳播一樣，只有沿著"光子導(dǎo)線"（即缺陷條紋）傳播的光子得以順利傳播，其它任何試圖脫離導(dǎo)線的光子都將被完全禁止。理想狀態(tài)下我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一條無(wú)任何損耗的光通路。這種光通路甚至比光纖更有效。
近年來(lái)，光子晶體得到了越來(lái)越多的關(guān)注和推崇。科學(xué)家們從各個(gè)方面來(lái)尋求開(kāi)發(fā)應(yīng)用光子晶體的途徑。然而，光子晶體得到廣泛應(yīng)用，還需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：
1）制作可以對(duì)波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光產(chǎn)生BandGap的光子晶體還有很大的困難（具體內(nèi)容請(qǐng)參看光子晶體制造方法介紹）。
2）解決隨意在任意位置引入需要的缺陷的問(wèn)題--上文已經(jīng)提到這種缺陷意義。
3）制作高效率光子傳導(dǎo)材料的技術(shù)問(wèn)題。
4）如何將現(xiàn)在的電流和電壓加到光子晶體上的問(wèn)題。晶體結(jié)構(gòu)可在外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制下進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而成為可調(diào)節(jié)的光子晶體。該種可調(diào)節(jié)晶體結(jié)構(gòu)的光子晶體可用來(lái)制作體積微小、廣泛用於遙距通訊和衛(wèi)星通訊的遠(yuǎn)紅外激光器，亦有助研究激發(fā)態(tài)分子的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)化工生產(chǎn)、藥物研制及生物科技都十分重要。
固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過(guò)需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如光子服從的是詹姆斯·麥克斯韋（Maxwell）方程，電子服從的是薛定諤方程；光子波是矢量波，而電子波是標(biāo)量波；電子是自旋為1/2的費(fèi)米子，光子是自旋為1的玻色子；電子之間有很強(qiáng)的相互作用，而光子之間沒(méi)有。
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