摘要 :本文阐述了光子晶体的基本原理，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子带隙结构，从而由光子带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。还介绍了一些光子晶体的制作方法和应用前景，光子晶体的制备方法很多，这里简单介绍了半导体产业加工技术、钻孔法、嵌段聚合物自组法、单分散的颗粒堆积法、亚微米尺度上的三维全息光刻。光子晶体有着良好的应用前景，是新科技时代的主导者，关于光子晶体的应用，本文例举了高能性反射镜、光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜、光子晶体偏振荡。其实，光子晶体的应用远不止这些，有关其他的应用本文点到为止，不作详细介绍。最后，指出了光子晶体在发展过程中存在的一些问题。
关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，蛋白石结构
引言
光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，因为光子技术具有高传输速度、高密度及高容错性等优点。然而，由于子不像电子一样易于控制，长期以来，光信息技术仅仅在信息传输(光通信)中得到应用，而且是最基本的信息功能。而信息处理的核心部分则依然依赖微电子技术。
光子晶体的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。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。
迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。
一、光子晶体基本原理
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[1]。
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[1]。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。
光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在，而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的[2]。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（Band Gap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应[3]。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。
如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。这对光子晶体来说是一个最重要的特性。而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生[4]。这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。
二、光子晶体的制备方法
针对光子晶体特殊的结构要求，在实验室当中我们主要采取以下几种方法：
1、半导体产业的加工技术。由于Si以及SiO2的加工工艺已经很成熟了，而Si的折射率又比较高，所以利用他们来制备光子晶体是理所当然的。如有小组在刻蚀成条状的Si波导上用反应离子刻蚀的方法刻上了等间距的空洞，这就是一维光子晶体。如果控制刻蚀的区域，同样可以得到在Si基底上规则排列的空洞列阵，这也就是前面提到的二维光子晶体。利用紫外光、电子束或者X光，在Si基底上进行光刻，留出数道彼此平行的Si长条，然后利用火焰水解等方法将Si条之间的区域用SiO2填充满，再用多晶Si淀积的办法在已刻好的一层上铺上一层Si，以便刻蚀与下面垂直的第二层。待达到所需的层数之后，便可腐蚀掉SiO2，得到的就是Si组成的“木柴垛结构”的三维光子晶体（）的优点是可以与现有的半导体产业的技术方便地结合起来，便于生产。缺点是成本依然太高，到现在为止还不能大规模生产，用作实验研究过于昂贵。
2、利用微机械在高介电常数的材料上钻孔，形成有序排列的孔道列阵[5]。这也就是Yablonovitch等人制备“Yablonovitch石”采用的方法。概言之就是在精确控制的机械上，直接在高折射率材料上钻孔，以便得到有序排列的空气/介质结构。这种方法制备二维光子晶体应该说有其独到的优势。这种方法一个明显的缺点就是孔的尺度还有孔的间距无法降到可见光波长的量级，我们无法以这种方法得到可见光波长范围内的光子晶体以实用化。
3、嵌段聚合物（Diblock Copolymer）在选择性溶液中自组形成有序排列的三维孔结构[7]。嵌段聚合物作为一种具有2亲性的大分子，在一定的温度、浓度下，在选择性溶剂中将会自组织，形成一端朝外、一端朝内的球状结构。当条件控制得当时，球状结构的大小为um的量级，且大小比较均匀。然后缓慢蒸发掉溶剂，使球状结构堆积起来，加温使结构固化，并使得朝内的一端被气化，这样就得到了以高分子材料为骨架的“反蛋白石结构“的三维光子晶体。其优点是可以通过修饰嵌段聚合物上的有机基团，使得有功能的基团能参与组成最后形成的光子晶体，从而使得光子晶体具有某种特定的功能。这种方法的缺点是嵌段聚合物不容易制备，且反应的条件不易掌握。得到的聚合物的折射率也不够大，很难形成完全的光子禁带。
4、单分散的胶体颗粒密堆积后，在空隙中填充高折射率才了制作所谓“反蛋白石”结构的光子晶体[7]。先制备大小均一的颗粒球（材料不限于SiO2，可以选择折射率更大的材料，如TiO2），接着利用各种方法使其按fcc或bcc结构密堆积起来，最后固化得到具有宏观大小、一定的机械强度的“合成蛋白石”。在“合成蛋白石”材料的孔隙中加入高折射率材料，留出空气球，最后得到“反蛋白石结构”的三维晶体。
5、亚微米尺度上的三维全息光刻[7]。这是一种比较新的方法，其原理就是利用了全息照相能形成空间排列有序 的衍射光斑的性质，得到了空间有序的折射率分布。这种方法的优点是可以通过调整物象的方法，比较简单地引入“杂质”或者“缺陷”，其缺点是对实验条件的要求太高。
三、光子晶体的应用
基于其独特的光学带隙性质，光子晶体拥有许多方面的应用。下面我们简单的介绍一些。
1、高性能反射镜。频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为100%。这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和光学波段有较大的吸收。这种光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线。普通的平面天线由于衬底的透射等原因，发射向空间的能量有很多损失；如果用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部发射向空间。这是一种性能非常高的天线，美国军方对此表现出极大的兴趣。以前人们一直认为一维光子晶体不能作为全方位反射镜，因为随着入射光偏离正入射，总有光会透射出来。但最近MIT研究人员的理论和实验表明，选择适当的介电材料，即使是一维光子晶体也可以作为全方位反射镜，引起了很大的轰动[6]。
2、光子晶体波导。传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的传播性。
3、光子晶体微腔。在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异的多。最近MIT 研究人员制成了位于红外波段的微腔，具有很高的品质因子。
4、光子晶体光纤。在传统的光纤中，光在中心的氧化硅核传播。通常，为了提高其折射系数采取掺杂的办法以增加传输效率。但不同的掺杂物只能对一种频率的光有效。英国Bath大学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结而形成。直径约40微米。蜂窝结构的亚微米空气孔就形成了[6]。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道，示。与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔中而非氧化硅中，可导波的范围很大。
5、光子晶体超棱镜 。常规的棱镜的对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000倍，体积只有常规的百分之一大小。如对波长为1.0微米和0.9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到60度。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。
6、光子晶体偏振器。常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较大，不容易实现光学集成。最近，我们发现可以用二维光子晶体来制作偏振器。这种光子晶体偏振器有传统的偏振器所没有的优点：可以在很大的频率范围工作，体积很小，很容易在Si片上集成或直接在Si基上制成。
光子晶体还有其它许多应用背景，如无阈值激光器、光开关、光放大、滤波器等新型器件。光子晶体带来许多新的物理现象，随着对这些新现象了解的深入和光子晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会发现。
四、光子晶体存在的问题
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。
2）解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题。
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、广泛用于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。
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: Molding the Flow of Light (Princeton Univ. Press, NJ, 1995).
[4] Photonic Band Gap Materials，NATO, ASI, edited by C. M. Soukoulis (Kluwer, 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) :
Abstract : This article elaborated the basic principle of photon crystal ， the structure of photon band gap in the photon crystal was produce by the light refractive index periodic variation, the light movement in photon crystal was controlled by the structure of rhoton band gap. Also，the text introduced some methods to manufacture photon crystals and the application prospect of photon ctystal, there are many methods to produce photon crystal, This text introduced simply :the technology of semiconductor industry processing, the technology of drill hole law, the technology of inlaid the section polymer in the pellet method of piling, the Asian micron criterion three dimensional total information photos etching which from the group law, only dispersed. The photon crystal who is the leadership of new technical time has a good application prospect. what are about the photon crystal application, this article example lifted seven application : the high energy reflector, the photon crystal wave guide, the photon crystal micro cavity, the photon crystal optical fiber, the photon crystal ultra prism, the photon crystal vibrates. Actually, the applications of photon crystal are more than these. This article spots arrives up to other application, does not make the detailed introduction. Finally, the text pointed out some questions which existed in the developing process of the photon crystal.
Key words: Photon crystal , Photon energy band , Photon band gap ,Opal structure
