光子晶体概述

量子光子晶体是20世纪80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，即它可以任意地控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通信、微波通信、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。从20世纪90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。Science杂志曾经预计未来的六大研究热点之一就包括光子晶体(其余为衰老、对付生化武器、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向)。

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，形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。光子晶体材料是一种介电常数在光波长量级(μm)呈周期分布的介质。光子晶体对光子的作用机制和以半导体材料为代表的原子晶体对电子的作用机制非常类似。在光子晶体中传播的光子，存在类似于周期势场中电子的带隙结构，频率位于带隙中的光不能在光子晶体中传播，这种带隙结构被称为光子带隙(Photonic Band Gap，PBG)。根据光子能带的空间取向不同，光子晶体又分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。图1.15给出了一维、二维和三维光子晶体的结构。

图1.15 光子晶体空间结构示意图

(a)一维光子晶体;(b)二维光子晶体;(c)三维光子晶体

探究光子晶体的发展历程，E.Yablonovitch［54］和S.John［55］于1987年独立提出光子晶体和光子带隙理论，并预言在二维和三维光子晶体结构中存在光子带隙。1990年，研究人员采用矢量平面波展开方法预言了带隙的存在，不久在三维钻石结构中发现了完整的光子带隙。由于光子晶体独特的调节光子传播状态的功能，使它可以用来制作全新原理或以前无法实现的高性能器件。其中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，光子晶体发光二极管，光子晶体光纤等［56-60］。其中，光子晶体发光二极管是产业化应用中广泛研究的光子晶体材料，如图1.16所示，光子晶体可以提高蓝光芯片的光汲出效率。

光子晶体光纤又叫微结构光纤，是一种引入缺陷的二维光子晶体，是集合光子带隙与光纤传导的一种新型光纤，尽管光子晶体光纤的学术思想源于光子带隙效应，然而光子晶体光纤的研究已经超出了光子带隙理论。