控制光子流动的晶体：光子晶体

二十世纪五十年代开始的以半导体为代表的电子带隙材料导致了微电子革命，其核心就在于采用这种能够操纵电子流动的电子带隙材料。我们所处的时代从某种意义上说是半导体时代，半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响：大规模集成电路、计算机、信息高速公等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西都是由半导体带来的。几乎所有的半导体器体都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。但集成的极限在可以看到的将来会出现，这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没有的优势：速度更快，没有相互作用。

光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点，即它可以如入所愿地控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新概念材料，也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。

操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求，全球高新技术领域的科学家与企业家都期待着新的带隙材料对光波的操纵。从科学技术的角度可以预言，这一目标一旦实现，将对人类产生不亚于微电子革命所带来的深刻影响。因此，光子晶体也被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”，光子晶体将引发一场二十一世纪的光子技术革命。

从二十世纪九十年代中后期起，光子晶体由于巨大的科学价值和应用前景，受到各国政府、军方、学术机构以及高新技术产业界的高度重视。根据部分资料来看，英国去年投入1250万英镑开展“超快光子学合作计划”;美国国防部高级研究计划局(DARPA)前年投入2490万美元设立“重组天线计划”;欧共体信息社会技术委员会去年启动了“基于光子晶体的光子集成线路计划”;日本国际贸易和工业部下的新能源产业技术综合开发机构立项“可调光子晶体计划”等等。《Science》杂志在1998年底预计未来的六大研究热点之一就有光于晶体(其余为衰老、对付生化武器、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向)。

由于光子晶体的优越特性以及可能产生的深刻影响，光子晶体被认为是未来的半导体，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。当前，一场关于光子晶体的国际竞争正在如火如荼的展开。

众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量落在带隙中，传播是禁止的。其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是不能传播的，电磁波或者光波也不会例外。

光子晶体是不同介电常数的材料周期排列构成的人工微结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即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是禁止传播的。因为带隙中没有任何态存在。光子带隙的存在带来许多新物理和新应用。

光子晶体具有重要的应用背景。由于其特性，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件：

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，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NDr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。

光于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。光子晶体波导可以改变这种情况。光于晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率。

光于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优异得多。最近MDT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。这种光子晶体微腔可以用来制作激光器，体积可以非常小。

光于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研制成新型光纤：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。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。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。

光于晶体超棱镜常规的棱镜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，而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。

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具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，很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。

光子晶体还有其它许多应用背景，如无阂值激光器、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被发现。

光于晶体在国防科技上也有非常重要的应用前景。如光于晶体天线：用光子晶体作为平面天线的基底，天线的发射效率将有极大的改善。光于延迟线：用光子晶体制作的光子延迟线，可以将光的传播速度减小，对于信号处理有重要意义。假目标：可以用光于晶体制作假目标，由于在光子禁带范围的电磁波有特别大的反射率，可以起到诱惑敌人的目的。隐身：如在红外波段，用光子晶体材料覆盖所要隐身之物，由于光子禁带范围的电磁波不能发射出来而达到隐身的目的。

光子晶体现在已进入器件设计和应用时期，大量的高性能新型器件被研制出来，有的已进入实用阶段。预计在不太远的将来，更多的光子晶体器件也将进入实用阶段，并将产生重要的产业价值。

目前国内有多家研究小组在开展相关工作，如清华大学电子工程系黄翊东教授，清华大学材料工程系周济。中科院物理所光子晶体理论研究取得很多成就。