阿不都热苏力
摘要 本文简单阐述了光子晶体的最新进展及其主要特性和应用
关键词 光子晶体，周期性结构，光子禁带
1 光子晶体简介
随着人类科学技术的飞速发展，社会不断进步，人们对认识客观世界的能力提出越来越高的要求，正是这种要求在鞭策人们，特别是科技工作者的努力奋斗，开拓人类认识客观世界的视野，实现着从必然王国向自由王国的飞跃。
我们的社会是一个冷人鼓舞的社会，新思想,新发现层出不穷,科技产品的更新换代周期不断缩短，在短短的一个世纪之内，社会进入了信息时代，电子器件，半导体器件的出现给人类社会带来了一场科技大革命，把人类的生活质量提高一个新的水平。
但是科技的进步是飞速的,社会的发展是无情的，让人们曾经欢欣鼓舞的半导体器件已经不能满足社会发展的需要，人们必须寻找更高速度，更高效率的新材料。
激光的产生，量子电子学和量子电动力学的充分发展以及光子学的产生为光子晶体的产生准备了充分条件，光子的传输特性是电子所无法比拟的，寻找可代替电子材料的光子晶体材料迅速成为人类关注的焦点，就是在这种背景下，光子晶体产生了。有人预言:如果光子晶体一旦走出实验室，走上生产线，将会为人类社会带来又一场科技革命。
光子晶体是一种折射率空间周期变化的新型光学微结构材料，光子晶体的概念最初是由美国贝尔通讯实验室的Eli.Yablonovitch于1987年提出的[1],光子晶体中介质折射率的周期性变化对光的影响与凝聚态物质中周期性势场对电子的影响相类似，大家都知道,在凝聚态半导体材料中电子有能带和能隙的特性，在光子晶体中,光也有光子能带和能隙的特征，只有那些频率对应在光子能带中的光才能在光子晶体中通过,而那些频率在光子带隙的光则会被禁戒。
研究光子晶体的构成及其与光子的相互作用有着基本物理和材料科学上的重要意义，通过研究光子晶体的形成条件,光波在光子晶体中的传播行为,不仅能对光波与物质的相互作用的基本知识有所了解,而且能够探索性地去寻找一类新型材料，这类材料将成为一种新型器件―光子器件的物理基础。
2光子晶体的特性
图1 一维(1D)，二维(2D),三维(3D)光子晶体
光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，光子禁带是指在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是被严格禁止传播的。如图1所示,光子晶体在几何结构上仅具有一维周期性[如图１（1D）],那么它将形成一维光子晶体，光子禁带将出现在此方向上。如果它在二维或三维光子晶体[如图1 (2D,3D)]特别对于三维光子晶体,落在其禁带中的光将严格被禁止向各个方向传播。
光子晶体的另一个重要特性是“光子局域”,在光子晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏，在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷的位置,一旦偏离缺陷位置光就将迅速衰减[2]。
另外,光子晶体和普通光学材料不同,它具有特殊性能。这主要表现为:具有超棱镜效应,超校直效应,超透镜效应,复折射效应以及它有绝缘性,弯曲性等，利用光子晶体的这些特征可以做出尺寸很小而功能很强的光子器件。
3光子晶体的材料和制造
光子晶体的材料有三类:半导体材料,介质材料,有机聚合物材料，在实验室和实际应用中,光子晶体都是认为加工得到的, Eli.Yablonovitch首先利用低损耗电介质制造了由8000个球形原子构成的在微波区的面心立方光子晶体由微波测试系统测定了该光子晶体的光子带结构出现当介电常数反衬度大于3时就能出现光子带隙,即从似金属能带转化为半导体能带,这种光子晶体后来人们称为Yablonovitch型光子晶体。
近来,E.Zobey[3]等，利用微加工和方法在硅基片制造了带隙在100GHz—500GHz的光子晶体,用激光微加工方法在铝基片上制造了光子带隙中心在94.7GHz的光子晶体,但由于现代加工技术的限制,人们还难以制造出光子带隙在可见光区的三维光子晶体。
D.S.Sievenpiper[4]等, 于1995年提出了三维线网状光子晶体,并在微波区制造了光子晶体,发现在光子晶体的光子带结构中不仅出现了光子带隙,而且出现了截止频率，在二维光子晶体的制造和测试方面,已经从微波区延伸到红外和可见光区S.L.McCall等人制造了光子带隙在微波区(8—12GHz)的方形光子晶体,并测量了光子晶体的透视率,验证了光子带隙存在，当移去一个圆柱形原子时,在晶格中产生了一个缺陷,测定了缺陷周围的能量分布。
总体来说,光子晶体制造工艺相对于半导体制造工艺来说是很简单的,工序少,掌握地容易,生产设备数量也少,成品率也高,从这一方面来看,光子晶体的发展,前途无量。
4 光子晶体的应用及其前景
通过十多年来的努力,目前光子晶体在理论,实验和应用上的研究都已取得了很大的进展。 由于光子带隙结构中存在光子带隙的奇异特性,比如频率落在光子带隙内的电磁波（光波）不能在光子晶体内的任何方向传播,在带隙内不存在零点脉冲等,促使人们去研究光子晶体的各种可能的效应。
光子晶体有着广泛的用途:Yablonovitch提出利用光子晶体制造阈值接近于零的半导体激光器,以及如何利用光子晶体改善太阳能电池的光电转换效率[5]，利用光子晶体所特有的光子能隙可以抑制埋葬在光子晶体中的原子,分子的自发辐射[6],压缩激光脉冲[7], 光子晶体材料做成的单模发光二极管具有非常好的时间,空间相干性,相当于一种激光光源[8] ， Brown等用微波波段的光子晶体材料做成小型微波发射天线的基底,可以得到几乎百分之百的发射效率[9]，用光子晶体材料还可以做成光导纤维,它要比现在的光纤传输效率高的多。利用光子晶体的非线性效应可以制造调Q开关[10]，利用光子晶体做光波导，这种光子晶体波导即使拐弯90度也具有很高的效率[9，10]，利用光子晶体还可以做成光开关等器件，在微电子领域发挥作用。
总之,光子晶体是新型光学材料,它的潜能有多大还不清楚,对它的研究还有很多工作要做，但由于光子晶体的优越性能,必将有广泛的应用前景,因此它极有可取代大多数传统的光学器
件,将在光学,光电子学,信息科学中引起革命性变革。
参考文献
[1] Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062
[2] John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489
[3] Ozbay.E.J.Opt.Soc.Am.B.,1996.13
[4] Sievenpiper.D.F. Phys.Rev.Let.80,2829.(1998)
[5] Yablonovitch E,Plenum Press,ＮｅｗYork,1993,207-234
[6] Pertrov.E.P. Phys.Rev.Lett.,81,77(1998)
[7] Koroteev.N.I.Opt.Comm.,159,191(1999)
[8] Nideki Hirayama,Appl.Phys.Lett.,69,791(1996)
[9] Brown.E.R .J.Opt.Soc.Am.B.10,404(1993)
[10] Mark J . Appl.Phys.Lett.72,1676(1998)
作者简历:
姓名: 阿不都热苏力
性别: 男
出生年: 1962年10月
工作单位: 新疆大学物理系
职务: 教师
职称: 副教授
专业领域: 现代光学
主要成就: 本人多年的教学和科研工作当中,主要从事物理教学和现代光学方面的研究,参加几项校级和国家自然科学基金项目，先后发表十多篇科学论文。自从2000年9月开始作为少数民族科技骨干人才在清华大学物理系从事光子晶体方面的研究工作。
邮政编码: 830046
联系电话: 2558283
E-mail地址: abdrusul@263.net
北京的联系地址: 100084，清华大学21号楼505室。 联系电话:010-62776054
