具有不同介电常数的介质材料在空间上呈周期性变化时,在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构,当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级,且折射率的变化反差较大时,带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子带隙”或光子禁带”。光子晶体的基本特征是具有光子带隙,频率落在带隙中的电磁波被禁止传播。目前光子晶体研究的基本内容主要包括三维光子晶体的制造,尤其是引入可控制的点缺陷或线缺陷,实现对光波的操控以及相关的理论研究和应用探索。
三维光子晶体的制备,尤其是具有足够小的周期结构的光子晶体的制备一直是光子晶体研究的关键课题。目前光子晶体的制备方法主要包括介质棒堆积法、精密机械加工法、半导体微纳米制造法以及胶体晶体自组装法等,但寻找一种制作简易、组成单元维度低结构的制备方法仍然是科学家所追求的目标。点缺陷或线缺陷所带来的杂质态,使导引光波成为可能,因而引入可控制的点缺陷或线缺陷,是光子晶体相关领域的重要研究课题。由于实验上制作光子晶体较为困难,理论方面的模拟计算就显得格外重要。因此各种计算光子能带、透射频谱及电磁场传递的方法研究也是光子晶体的重要研究领域。由于光子晶体可以制作具有全新原理或以前所不能制作的高性能光学及光电器件,因此将光子晶体用于波导、光学微腔、光纤、低阈值激光发射器等领域的应用研究一直是光子晶体研究的热点,但要获得实际应用,尚需要有效地解决以下问题:新的光子晶体制备方法的开发;能在光波长区域内构造完全的光子禁带;能够在光子晶体的任意位置引入任意的缺陷态;以及如何将电流和电压加到光子晶体上,使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。 由于光子晶体对于光的可操控性,以及光子有着电子所没有的优势———速度更快,没有相互作用等,光子晶体被认为是未来的光半导体,对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。如果能够突破光子晶体制备的瓶颈,光子晶体将在高性能反射镜、波导、光学微腔、光纤等光学及光电器件上显示其显著的优势,同时在隐身材料等国防科技上也将有非常重要的应用前景。
1994—2003年,光子晶体领域的SCI论文共计4 129篇。从该领域SCI论文的年代分布来看呈现从少到多,逐年增长的发展态势。2003年的论文数量是1994年的12倍多(表521和封二图5)。在10年的全部论文中,共涉及58个国家和地区,而论文数量最多的TOP20国占了全部论文的92. 8%,可见,光子晶体领域的研究工作主要集中在TOP20国。
