[科普中國]-光子晶體

光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap，簡稱為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時也稱為PBG光子晶體結(jié)構(gòu)。所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。

這一概念最初是在光學(xué)領(lǐng)域提出的，其研究范圍已擴展到微波與聲波波段。由于這種結(jié)構(gòu)的周期尺寸與“禁帶”的中心頻率對應(yīng)的波長可比擬，所以這種結(jié)構(gòu)在微波波段比在光波波段更容易實現(xiàn)。

基本介紹簡介光子晶體（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分別獨立提出，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波---當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設(shè)計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。光子晶體（又稱光子禁帶材料）的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。

簡單地說，光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其它波長的光通過其中。

此外值得注意的是，蝴蝶翅膀的顏色在很大程度上與光子晶體有關(guān)1，然而這并不意味著蝴蝶翅膀是無色的2。

背景微波波段的逞隙常稱為電磁帶隙（ElectromagneticBand-Gap,簡稱為EBG），光子晶體的引入為微波領(lǐng)域提供了新的研究方向。光子晶體完全依靠自身結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)帶阻濾波，且結(jié)構(gòu)比較簡單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。國外在這一方面的研究已經(jīng)取得了很多成果，而國內(nèi)的研究才剛剛起步，所以從事光子晶體的研究具有重要的意義。光子晶體是指具有光子帶隙（Photonic Band-Gap，簡稱為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時也稱為PBG結(jié)構(gòu)，其的研究范圍已擴展到微波與聲波波段。由于這種結(jié)構(gòu)的周期尺寸與“禁帶”的中心頻率對應(yīng)的波長可比擬，所以這種結(jié)構(gòu)在微波波段比在光波波段更容易實現(xiàn)。

分類按照光子晶體的光子禁帶在空間中所存在的維數(shù)，可以將其分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體，如圖。

基本原理眾所周知，很多的研究都是起源于對自然界不同領(lǐng)域存在類似現(xiàn)象的假設(shè)開始的。因為宇宙萬物遵循著相同的規(guī)律，即使外表再怎樣的千變?nèi)f化，而內(nèi)在的規(guī)則卻是有著高度一致性。這正是宇宙的神奇之處，也是人類難解的秘密。光子晶體的產(chǎn)生亦是如此，它是科學(xué)家們在假設(shè)光子也可以具有類似于電子在普通晶體中傳播的規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。

從晶體結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看出晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢場的存在，使得運動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。其實，不論是電磁波，還是其它波如光波等，只要受到周期性調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能出現(xiàn)帶隙。而能量落在帶隙中的波同樣不能傳播。

簡言之，半導(dǎo)體中離子的周期性排列產(chǎn)生了能帶結(jié)構(gòu)，而能帶又控制著載流子（半導(dǎo)體中的電子或者空穴）在半導(dǎo)體中的運動。相似的，在光子晶體中是由光的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu)，從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運動。

結(jié)構(gòu)光子晶體的結(jié)構(gòu)可以這樣理解，正如半導(dǎo)體材料在晶格結(jié)點（各個原子所在位點）周期性的出現(xiàn)離子一樣，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率（如人工造成的空氣空穴）的材料。如下圖所示的光子晶體材料從一維到三維的結(jié)構(gòu)，可以明顯看出周期性的存在，而且三維光子晶體的結(jié)構(gòu)圖與普通的硅晶體單從結(jié)構(gòu)是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙（BandGap，類似于半導(dǎo)體中的禁帶）。而周期排列的低折射率位點的之間的距離大小相同，導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)。也就是只有某種頻率的光才會在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。

如果只在一個方向上存在周期性結(jié)構(gòu)，那么光子帶隙只能出現(xiàn)于這個方向。如果在三個方向上都存在周期結(jié)構(gòu)，那么可以出現(xiàn)全方位的光子帶隙，特定頻率的光進入光子晶體后將在各個方向都禁止傳播。這對光子晶體來說是一個最重要的特性。而且實際上，這種三維光子晶體也是最先被制造出來的。

因為光被禁止出現(xiàn)于光子晶體帶隙中，所以我們可以預(yù)見到我們能夠自由控制光的行為。例如，如果我們考慮引入一種光輻射層，該層產(chǎn)生的光和光子晶體中的光子帶隙頻率相同，那么由于光的頻率和帶隙一致則禁止光出現(xiàn)于該帶隙中這個原則就可以避免光輻射的產(chǎn)生。這就使我們可以控制以前不可避免的自發(fā)輻射。

而如果我們通過引入缺陷破壞光子晶體的周期結(jié)構(gòu)特性，那么在光子帶隙中將形成相應(yīng)的缺陷能級。將僅僅有特定頻率的光可在這個缺陷能級中出現(xiàn)。這就可以用來制造單模發(fā)光二極管和零域值激光發(fā)射器（詳見光子晶體應(yīng)用）。而如果產(chǎn)生了缺陷條紋--即沿著一定的路線引入缺陷，那么就可以形成一條光的通路，類似于電流在導(dǎo)線中傳播一樣，只有沿著“光子導(dǎo)線”（即缺陷條紋）傳播的光子得以順利傳播，其它任何試圖脫離導(dǎo)線的光子都將被完全禁止。理想狀態(tài)下我們已經(jīng)實現(xiàn)了一條無任何損耗的光通路。這種光通路甚至比光纖更有效。

未來研究方向近年來，光子晶體得到了越來越多的關(guān)注和推崇。科學(xué)家們從各個方面來尋求開發(fā)應(yīng)用光子晶體的途徑。然而，光子晶體得到廣泛應(yīng)用，還需要解決以下幾個問題：

（1）制作可以對波長在可見光范圍內(nèi)的光產(chǎn)生BandGap的光子晶體還有很大的困難特別是三維光子晶體（具體內(nèi)容請參看光子晶體制造方法介紹）；

（2）解決隨意在任意位置引入需要的缺陷的問題--上文已經(jīng)提到這種缺陷意義；

（3）制作高效率光子傳導(dǎo)材料的技術(shù)問題；

（4）如何將已有的電流和電壓加到光子晶體上的問題。晶體結(jié)構(gòu)可在外加電場和磁場控制下進行轉(zhuǎn)換從而成為可調(diào)節(jié)的光子晶體。該種可調(diào)節(jié)晶體結(jié)構(gòu)的光子晶體可用來制作體積微小、廣泛用於遙距通訊和衛(wèi)星通訊的遠紅外激光器，亦有助研究激發(fā)態(tài)分子的化學(xué)反應(yīng)，對化工生產(chǎn)、藥物研制及生物科技都十分重要。

固體物理與光子晶體的聯(lián)系與區(qū)別：

固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如光子服從的是麥克斯韋（Maxwell）方程，電子服從的是薛定諤方程；光子波是矢量波，而電子波是標量波；電子是自旋為1/2的費米子，光子是自旋為1的玻色子；電子之間有很強的相互作用，而光子之間沒有。

研究與應(yīng)用應(yīng)用迄今為止，已有多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件被相繼提出，包括無閾值的激光器，無損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，低驅(qū)動能量的非線性開關(guān)和放大器，波長分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補償作用的光子晶體光纖，以及提高效率的發(fā)光二極管等。光子晶體的出現(xiàn)使信息處理技術(shù)的“全光子化”和光子技術(shù)的微型化與集成化成為可能，它可能在未來導(dǎo)致信息技術(shù)的一次革命，其影響可能與當年半導(dǎo)體技術(shù)相提并論。

光子晶體近期在國際上的應(yīng)用進一步深化，具體表現(xiàn)為：

（1）與納米技術(shù)相結(jié)合，用于制造微米級的激光，硅基激光；

（2）與量子點結(jié)合，使得原子和光子的相互作用影響材料的性質(zhì)，從而達到減小光速、減小吸收等作用；

（3）光子晶體光纖應(yīng)用：隨著社會的發(fā)展，顯赫一時的半導(dǎo)體器件已經(jīng)不能滿足信息技術(shù)發(fā)展的需要，必須尋找信息傳輸速率更高，效率更高的新材料。普遍認為，光子技術(shù)將續(xù)寫電子技術(shù)的輝煌，光子晶體將成為未來所依賴的新材料；

（5）狄拉克錐在光子晶體中的實現(xiàn)。

制備光子晶體的制備有一定的難度，因為光子晶體的晶格尺度和光的波長具有相同的數(shù)量級，如：對于光通信波段（波長1.55μm），要求光子晶體的晶格在 0.5μm左右。近些年來，在人們不斷探索和試驗的過程中，出現(xiàn)了許多可行的人工制備方法，如：介質(zhì)棒堆積、精密機械鉆孔、膠體顆粒自組織生長、膠體溶液自組織生長和半導(dǎo)體工藝等。用這些方法，通過人工地控制光子晶體中介電材料之間介電常數(shù)的配比和光子晶體的微周期性結(jié)構(gòu)，可以制備出帶有各種帶隙的光子晶體。

理論研究光子晶體的理論研究始于上世紀80年代末期。雖然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶體的概念，但直到1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在實驗上證實三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在，物理界才開始大舉投入這方面的理論研究。由于光子晶體有類似電子晶體的結(jié)構(gòu)，人們通常采用分析電子晶體的方法結(jié)構(gòu)電磁理論來分析光子晶體的特性，并取得了和試驗一致的結(jié)果。主要的方法有：平面波展開法（planewaveexpansionmethod簡稱：PWM）、傳輸矩陣法（transfermatrixmethod簡稱：TMM）、有限差分時域法（finitedifferencetimedomain簡稱：FDTD）和散射矩陣法（scatteringmatrixmethod簡稱：SMM）等。

平面波展開法是比較常用的一種方法，它的基本思想是：將電磁場以平面波的形式展開，可以將麥克斯韋方程組化成一個本征方程，求解該方程的本征值便得到傳播光子的本征頻率。這種方法的不足之處是當光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜或處理有缺陷的體系時，可能因為計算能力的限制而不能計算或者難以準確計算。而且如果介電常數(shù)不是常數(shù)而是隨頻率變化，就沒有一個確定的本征方程形式，這種情況下根本無法求解。

傳輸矩陣法是將磁場在實空間的格點位置展開，將麥克斯韋方程組化成傳輸矩陣形式，同樣變成本征值求解問題。傳輸矩陣表示一層（面）格點的場強與緊鄰的另一層（面）格點場強的關(guān)系，它假設(shè)在構(gòu)成的空間中在同一個格點層（面）上有相同的態(tài)和相同的頻率，這樣可以利用麥克斯韋方程組將場從一個位置外推到整個晶體空間。這種方法對介電常數(shù)隨頻率變化我金屬系統(tǒng)特別有效，而且由于傳輸矩陣小，矩陣元少，運算量小，同時在計算傳輸光譜時也是十分方便的。但是用該方法求解電磁場的分布較為麻煩，效率不是很高，因此對于光子晶體物理特性的理解沒有太大的幫助。

有限差分時域法是電磁場數(shù)值計算的經(jīng)典方法之一。在這里將一個單位原跑劃分成許多網(wǎng)狀小格，列出網(wǎng)上每個結(jié)點的有限差分議程，利用布里淵區(qū)邊界的周斯條件，同樣將麥克斯韋方程組化成矩陣形式的特征方程，這個矩陣是準對角化的，其中只有少量的一些非零矩陣元，計算最小。但是由于有限差分時域法沒有考慮晶格的具體形狀，在遇到特殊形狀晶格的光子晶體時，很難精確求解。

散射矩陣法假定光子晶體由各向同性的介質(zhì)組成，其中充滿了各種開頭和尺寸的沒有重疊的光學(xué)散射中心。通過對所有的散射中心的散射場應(yīng)用傅立葉－貝塞爾展開來求解亥姆霍茲方程，從而計算出在光子晶體中傳輸?shù)膱龇植?。?yīng)用這種方法對于求解場分布和傳輸光譜都是可行的，但是由于這種方法需要較長的運算時間，在有些情形下實際上是不可行的。

實際理論分析中，還有很多其他的方法，如：有限元法、N階法等。這些方法各有優(yōu)缺點，在應(yīng)用時要根據(jù)實際場合合理地選用。在光子晶體的研究中這些分析方法是十分重要的，由于光子晶體的制備非常困難，通常是先應(yīng)用這些方法分析得出光子晶體的一些特性，再由試驗來驗證這些結(jié)論。

未來發(fā)展預(yù)言總是很難實現(xiàn)。但是，光子晶體電路和裝置的未來看起來卻是確信無疑的。五年之內(nèi)，許多光子晶體的基本應(yīng)用將會在市場上出現(xiàn)。在這些應(yīng)用中，將會有高效光子晶體激光發(fā)射器和高亮度的發(fā)光二極管。

而當每個家庭都連接到一個光纖網(wǎng)絡(luò)的時候，與如今"視頂盒"類似的解碼信號設(shè)備將使用光子晶體電路和裝置而不是笨重的光纖和硅回路。

在五到十年的范圍內(nèi)，我們應(yīng)該制造出第一個光子晶體"二極管"和"晶體管"；在十到十五年里，我們能制造出第一個光子晶體邏輯電路并使之占有主要地位；在接下來的二十五年內(nèi)，由光子晶體驅(qū)動的光子計算機應(yīng)該可以制造出來。令人驚奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠寶和藝術(shù)品市場上找到生存環(huán)境；并且光子晶體薄膜能貼在信用卡上作為防偽標志。

如果我們的預(yù)言只是完全不可能實現(xiàn)的對未來的歪曲，我們希望大部分人會忘記我們曾經(jīng)這樣說過。然而，光子晶體的未來看起來還是充滿光明的。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大學(xué)