Jourmal of Yan 光子晶体的发展历程与前景 张明理1，李永安12，贺般1 (1,延市广播电视局，陕西延安7160002.而北大学光子学与光子术研究所，陕西西安710069) 要】1987年，一个的念，光子品体的念，震动了世界。 即精成真，具有板其巨大的应用价值和共广的应用前。光子 正处于粉发期 【关葡词】光子体：光于装带：光子局城：光子体光并：然光子体 【中图分类号】TN24 【文献标识码】A 【文章编号】167461982009)03009503 一，历史的唤 一的生 自20世纪50年代开始的电子学革命，对科学技才 美国善名的（物理评论快报）在两个月内相继发表 各个城都产生了深远的影响，以徽电子学为础的信 两篇在科学技术发史上占有重要地位的文章 葡的 革命正以前所未有的速度推动人类社会的进步，电子学 目是：“固体物理学及电子学中自发辐射的物制”，其作者是类目 是建立在半导体材料对电流的精确控制的基础之上的。但 新释西州的贝尔通讯研究中心的Yablor ich,他领导着一个实 由于半导体叠件的速度和集成度已接近极限，以电子为信 验研究小组。另一葡的愿目是“无序介电材料超品格中光子的强 息酸体的信息枝术的发腰将遭调“电子瓶颈”。因此科学 局效性”，作者是普林斯领大学的Jon,他领导着一个理论研究 复们把目米投向了光子。光子有警许多与生俱来的住 小组。这两个研究小组从不同的角度操索普同一个问题，就是周 点，传播速度极快率很高、无相互作用，因而光子器件 期性电介质结构对材料中光传播行为的影响。起韧，他们对对方 有极短的响皮时间较宽的很好的空间相容性和 的工作互不知情在知道了被此的研究工作后 ieh和 很强的抗干扰能力、极强的互连能力和极大的存储能力。 山安挂了一次合午进求语法成了共识 新的令 利用光子作为 植惠截体，将可以实我值息 光子品体摄念据生了 并不等于光子品体 的实现。光于晶体的 人们切希 到 可能结构非常之多，寻找光子品体结构的道路观难面崎，历史 件或材料，像利用半导体控制 样自如地控制光子 重任落在了Y山bh ieh尊人的肩上。因缺乏有效的 型论工具， 半导体对电子的控制依赖于禁 现象。我们知道，半 种结构能产生光子禁带不可能简单地从理论上推导，同时也投 导体是晶体结构材料，晶体的特点是原子在空间中以某 办法测定那种结构具有光子禁带：Y山 th和他的同事常常 规律测期性排列，电子在晶体中的运动可近似地描述为自 凭普对物理学的直凳，一次又一次地研制普各种结构，他们也经历 由电子受到原子的周期性势场的调制作用。这种调制作用 了一次又一次的失败。几年中，他们的机城师使用一台数控打孔 的总体效应就是形成能带结构，出现允带和禁带，能量处 机，在各种地嫌板上打的孔超过了50万个。1989年，Yablomovitch 于允带内的电子将可以通过品体，而熊量处于禁播内的电 等讲行了首次正式当试德在三复化一相块材中装限面心立方 子将被是体所阻止 的排列方式帖了将近八千个蝶状空洞，这些空洞即所调的“原子· 宽么拟晶体结构使材料的介电常教在空间中 形成一个人造的巨现体。但是工业大学和衣阿华州立大学的理 某种周期性， 论物学家稍后的研究表明，他们的面心立方结构只有一个假禁 形成光子禁 带，这使他们倍 的传播呢？光子 研光的 先驱者给出了答案。 ,正所 “山重水复 ,柳暗花明又 收精日期 可阴.活，典尚头4人成电工银华，寺未专9小是，快南州人，无成电市工银华.是华特 【作者葡介 95 199-16 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第23卷第3期 光子益体的发限历程与前景 村”，儿个屋期之后，衣阿华州立大学的理论物理学家得出了 子品体微限技术格集成电路蓝金拓尾到相度带光信号领 金别石结构县有很大光子带壁的结论，借助于技个结论他们 域可进一步推进光电子学的超小冠化。利用这种技术加井 卷土所来世果上第一块且者完全垫带的光子品体缘干石 理工学院的Axel Scherer实验室制作了体积仅为0.O3Lm的 1001年问出Tv. c山小组的光子晶体样品是由在 素米提用 块-陶瓷”底板上打出方向不同的三组直径为6mm的孔阵列 999年，Painter等在二维光子晶体中引人点缺路，实月 构成的。每组孔阵列都与底板的垂直方向咸35角面三个方 了光子愿体澈光器4。在澈光器中加人带缺陷的光子品体 向间的夹角各为120.这样的结构现在被称为Y山 几平可以完全避免自发额射选成的损耗，大大地降低激光器 构它可以图止1316CH,的由膜被的传播国 的侧值。目前光子晶体藏光器的衡值已降到了50A而 三的量 制侧值激光器则是科学家的目标 光子晶体的概一经出 即在世引起了广￥ 到用光子品体还可以制作亮效事的太阳能电池、弯曲性能 个多 板优异的光，宽带带阻被被器和极窄带选颜注被器，以及光 放大器光存储，光限。光频率变换器，偏和光开关等 由于实验上制作光子晶体原为图难，理论上的仿真 应的由 显得格外量要。除 实验 论计算 身也是 子晶体光 体的重要 环对于改良 至设计 纤的可 究光子 光子 林函 时城有限差分祛，传 心，可将光 制在光纤枝心中 方程 为蕃 在不同的 年，英国Ba山大学的R 大提出了光子品 从而确定光子晶体中光 体光纤念 996年 和 的带结构及运动状态。运用有关理论，科学家们已经发现， 制透出世界上 根固体纤芯的光子体光纤，然而，实 仅金刚石四面体结构，而且面心立方结构、“圈木堆结构，以及 发现这第一根光子品体光纤并没有望的光子带效应， 脚手架简单立方结构等，都可以产生光子禁，同时科学家 现光传输的原理仍为全内反射。尽管这样，这种光子品体光 ]还发现，一维和二维光子品体也具有光子禁带效应。 纤仍表现出极为不同的性能。如果将其纤芯尺寸做得足够小 制作光子晶体的关健是实现光被长尺度的折射事变化 这类光纤将表现出非常明显的非线性特征，具有重要价值 ch斜造他门的史无前例的三维光子品体时，使用 1999年Cregan在Knight等人工作的蓄础上，制适出空气 打孔法，但打孔法不能实现可见光被长量级的周期性结构，光 纤芯的光子品体光纤，即光子带黎光纤。 这是直正意义上的光 子带隙处于微被段：在研究光子晶体的过程中，科学家们又精 子品体光纤。此类光纤中的光被限制在空气中传播，因而具有低 张不同的情况和要求发覆了多种制造光子品体的方法包行 报耗，低色胶、低非线性效应等特点，其应用前景十分诱人 有：正层叠加法、微机械技术光学方法、胶体颗粒自组织生长 光子品体光纤有许多独特的特性：无休止的单模传输特 法、立体平板割蚀技术，以及真空镀膜技术，溶胶凝胶技术、分 性，可控的非线性特性、优异的色散特性以及双折射特性等 子外枉技术整箱 等，同时通过光纤物里结构或光纤材料的改变，可以实现光 完关的光子品体具有完全光子禁带然面从应用的角度 鲜的其 一特性的改变或者实现某些特性的特定组合。因而光 不完美的光子品体更具吸引力。我们知道，在传统晶体中塘人 杂质成引人缺路可以限制电子的运动，在光子品体中以其剩 规坏结构的严格周期性也相当于榜杂或引 、缺路和 术声生了重要的影响 态戒杂质态须率相吻合的光子也会被限制在特定位量 英因B大学光电研充中心和丹麦技术大学电藏系是 就是光子局城。光子局的特性由陷的属性决定，点缺可 16年成功制备第一光子品体光纤的大本费在其中开用 以将光“获在特定的位量这相当于 个撒型整，线缺略的 的理论和实验研究工作都获得了巨大成功，以这两所大 行为类但光被导管而平面缺副像 的反射情 导小组为依托分成立的 -bo 禁带效应给了人品国光的能力而米子局城 公司已成为光子体光纤产品市场上的绝代双骄。 们有导引光的可能.对于光 子那体的历 县与 长单 光的名字相连的 运用，使光子晶体在多个城显示了独 这些名字中还应加人一个更响亮的名字 ,另外 天线，可将月 大自然 条件 门的 野中的 人们对光子 1997年麻省理工学院的ShanHui Far等提出的 二维光 现，大自然其实早已通晓光子体的奥愁，并将其传授给 96 1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
延安职业技术学院学报 2009年6月 连生物和非生物，花间飞舞的蝴，其细膀上的色无 光子晶体产生了许多新的物理性质和现象，如光的超 其实是解粉上光子晶体 构选择 性反射日光的结果 飞鸟 镜效应、负折射效应，双折射现象、能量转移，光子压缩态、光 亮的羽毛、游鱼闪光的解片 、花甲虫的美丽外表、海老鼠： 双稳态、光多稳态及光学限制等特性。陆着对这些新现认识 多彩毛发，蓝验山慧的蓝色面孔，也都是自然光子体的价 的深人和光子晶体技术的进步，光子品体更多的用途将会选 品。蛋白石是由二氧化硅纳米球沉积形成的矿物，其色彩缤纷 步被发现 的外观与色素无关，而是由于几间结构上的周期性使其具有 光子晶体是第一种通过微观结构复杂性实现宏观确定性 光子能带结构，在不同的位量和方向，反射光的颜色也不同 的人击系统。光子晶体的本质特性是复杂的微观结构引起的 是光子晶体在玩变色魔术。自然光子品体的发现，使我们对 光的多重放射，这种多重作用的过程和结果具有明显的白组 自然界的多彩多姿和无穷奥妙、无穷魅力，以及我们对自然界 织和协同行征因西光子品体是一种特珠的系统，值得予以深 的了解甚少更加感叹不已。自然光子品体在关于光子品体的 入研究；其研究意义一是有助于创选更多此类系统；二是有时 科学研究方面已经给了人们一些重要的启示，如正在进行中 于更禄地丁解耗破结构的产生机理，有助于生命现象等乘大 的关于可调造光子品体的研究网 科学问题的研究。面关于自然光子品体的研究也将有助于科 人造光子品体可以具有完全禁带，即顾率落在禁带中的光 学技术发展与自然的协调。 子，在任何方向上都不能传输：而在大自燃中还没有发现完全 老文献 梦带光子晶体天然的光子昌体都是非完全禁带型即短离落 在整播中的光子只在其些方向上不能传蟾技到账是大自状 [11 Yablonovitch E.Inhibited s ioid 的一个局限，还是大自然的一种技巧，对此人们还不很明白」 四米明的表安 应用也仅是在实验室中得以实现，但正因为如此，光子品体具 5R2312486-2489 有广阔的发展空间和美好的发腰前景。也正因为如此，它吸引 许多城的科 家的努力 光子品体的 本应用将会很 器件将得 运的米 s0 Lee R K.Scher A,et al.Two din 现 光子 动的光子计算机 542I181 陆 出 子品体将作 真正 [5]Knight J C 城，它提供了人们按自己的需求，以人工 Birks T A.R 方式设计，订作 photo nic cryst 学系统的可能性 自然光子品体也将受到更多关社 各种类丽的自松光 (6]K S J,et al.All-silic 晶体的五卷班端的光影效果，将会为人 英的衣用品，建专 crystal cladding 料增光彩 光蝴 维光子品体的“然控”特性 0 21(191547-1549 将启发人门制壶出适用于沙漠 环境的高效能 [7]Creg Knight J C,et al.Single-mod 温设备，受自然界的非完全排带光 子品体对白光的高效散 bandgap guidance of light in air Science,1999 特性的启发，需要增白的物品如涂料，纸张，甚至化妆品中将 28554331537-1539 出现光子品体的身影。等等这些将对社会的进步和人们的生 周段这利.蓝脸山慧，天下第一客仞知音，2006.23：32-34 活产生重要影响 9]报道.可调光于晶体光与光电子举进展，2005,42(4)：60 Phatanle Crrstel' and Fore Zhang Minali'.Li Yonean'2 HeYi' (1.Yan'n Burau deast and Television.Yan'an 716000 and Phate T ity.Xi'an 710069 :In 1987 the 11.1001.he trol light facile app Keyw ,97 1994-2016 China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne