第33卷第9-10期 中国材料进展 Val.33Na.9-10 2014年10月 MATERIALS CHINA 0ct.2014 光子晶体应用研究进展 间刚印'，王继刚2 (1.西藏民族学院西藏光信息处理与可视化技术重点实验室，陕西咸阳712082) (2.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京211189) 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，其概念提出比较早，距今已经过了30年。由 于光子品体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工 技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等其他多个学科中也得到 广泛应用。本文从理论上详细综述了光子晶体的各种奇异特性，并从各种特性出发，详细介绍近 年来光子品体在光子品体光纤、反射镜、滤波器、波导、低阀值激光器、多功能传感器、腔量子 电动力学、偏振器、量子信息处理等领域的应用研究，并与传统的器件进行性能比较得出光子品 体器件具有无可比拟的优势。最后提出，随若3D打印制造技术的成熟，光子晶体材料必然会推动 信息技术的新一轮革命， 关键词：光子晶体光子带隙：非线性效应 可刚印 中图分类号：TB321文献标识码：A文章编号：1674-3962(2014)09-0630-06 Research Progress of Application of Photonic Crystals YAN Gangyin',WANG Jigang (1.Tibet Optical Information Processing and Visualization Technology Key Laboratory. Abstract:Photonic t has be 20 cen projected tals have the main ys acteristics of photonic crystals are introduced in detail.In addition,research progress and application of photonic crystals in the photonic crystal fiber,mirrors,filters,waveguide.low threshold,multifunctional sensor,cavity quantum electrody- other fields are reviewed in detail. er pen ebelieve that phot crystals will promote a new evotion y,we 1前言 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 l987年，Yabnolovitch在讨论如何抑制自发辐射时 可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介 提出了光子品体这一新概念。几乎同时，John在讨论 电结构就是光子品体，或叫做光子带隙材料，也有人把 光子局域时也独立提出了这一概念回。如果将不同介电 它叫做电磁品体。 常数的介电材料按照一定的规则周期性排列，电磁波在 对于光子晶体来说，许多固体物理中的概念，如倒 格子、布里渊区、色散关系、Bloch函数、Van Hove奇 收稿日期：2014-07-07 点等都可以运用。不过有一点我们需要明白，光子品体 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0119): 毕竞是人工设计的品体，其与常规的品体（从某种意义 西藏民族学院校内项目(13mY14) 上也可以称之为电子品体)有许多相同的地方，但同时 第一作者及通讯作者：自刚印，男，1982年生。讲师，博士. vin1982@163.com 也有本质的不同)，如：光波在光子品体中传播时要服 D010.75024n1674-3962.2014.09.14 从Maxwell方程，而电子在固体中传播时要服从薛定调 1994-2015 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
第 33 卷 第 9 － 10 期 2014 年 10 月 中国材料进展 MATEＲIALS CHINA Vol. 33 No. 9 － 10 Oct. 2014 收稿日期: 2014 － 07 － 07 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划( NCET － 12 － 0119) ; 西藏民族学院校内项目( 13mY14) 第一作 者 及 通 讯 作 者: 闫 刚 印，男，1982 年 生，讲 师，博 士， Email: yangangyin1982@ 163. com DOI: 10. 7502 /j. issn. 1674 － 3962. 2014. 09. 14 光子晶体应用研究进展 闫刚印1 ，王继刚1，2 ( 1． 西藏民族学院 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室，陕西 咸阳 712082) ( 2． 东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189) 闫刚印 摘 要: 光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，其概念提出比较早，距今已经过了 30 年。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工 技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等其他多个学科中也得到 广泛应用。本文从理论上详细综述了光子晶体的各种奇异特性，并从各种特性出发，详细介绍近 年来光子晶体在光子晶体光纤、反射镜、滤波器、波导、低阈值激光器、多功能传感器、腔量子 电动力学、偏振器、量子信息处理等领域的应用研究，并与传统的器件进行性能比较得出光子晶 体器件具有无可比拟的优势。最后提出，随着 3D 打印制造技术的成熟，光子晶体材料必然会推动 信息技术的新一轮革命。 关键词: 光子晶体; 光子带隙; 非线性效应 中图分类号: TB321 文献标识码: A 文章编号: 1674 － 3962( 2014) 09 － 0630 － 06 Ｒesearch Progress of Application of Photonic Crystals YAN Gangyin1 ，WANG Jigang1，2 ( 1． Tibet Optical Information Processing and Visualization Technology Key Laboratory， Tibet University for Nationalities，Xianyang 712082，China) ( 2． School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China) Abstract: Photonic crystal is a new kind of materials with photonic band gap． Although the concept has been projected about 30 years，photonic crystals have potential applications in micro-nano photonics and quantum optics． Photonic crystals have also been widely used in information optics，multifunctional sensor and other fields． In this paper，the main characteristics of photonic crystals are introduced in detail． In addition，research progress and application of photonic crystals in the photonic crystal fiber，mirrors，filters，waveguide，low threshold，multifunctional sensor，cavity quantum electrodynamics，polarizer，quantum information processing and other fields are reviewed in detail． They are compared with the traditional devices and confirmed higher performance． Finally，we believe that photonic crystals will promote a new revolution of information technology with the improvement of 3D print manufacturing technology． Key words: photonic crystal; photonic band gap; nonlinear effect 1 前 言 1987 年，Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时 提出了光子晶体这一新概念［1］。几乎同时，John 在讨论 光子局域时也独立提出了这一概念［2］。如果将不同介电 常数的介电材料按照一定的规则周期性排列，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。具有光子带隙的周期性介 电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把 它叫做电磁晶体。 对于光子晶体来说，许多固体物理中的概念，如倒 格子、布里渊区、色散关系、Bloch 函数、Van Hove 奇 点等都可以运用。不过有一点我们需要明白，光子晶体 毕竟是人工设计的晶体，其与常规的晶体( 从某种意义 上也可以称之为电子晶体) 有许多相同的地方，但同时 也有本质的不同［3］，如: 光波在光子晶体中传播时要服 从 Maxwell 方程，而电子在固体中传播时要服从薛定谔
第9-10期 闫刚印等：光子晶体应用研究进展 631 方程：光波具有电场分量和磁场分量，是一种矢量波 在这些研究当中，光子晶体光纤是研究最多也是发展最 而电子波是一种标量波，只与电子密度有关：电子作为 快的领域-圆，光子品体光纤框念最初由BsⅡ等人 自旋为12的带米子它们之间存在很强的相互作用 于1991年提出（其研究工作未发表），其最初的设想包 而光子作为自旋为1的玻色子，几乎不存在相互作用 摆街个半辩 不穆杂单一石英材料和利用光子带阳 光子品体许多新领效应及其应用是光子品体领域最富话 效应导光。1996年Russell和Knieht等人首次制各了 力、研究内涵十分丰富的学科 2光子晶体特性 纤芯的水王品体光纤.研究表男用意种光于品 体纤芯周围的包层不具有光子带隙 反射原理相似。尽管未能实现利用光子带限效应导光的 光子品体实际上就是一种介质在另一种介质中周期 设想，但证明了它可以使传输光损失明显降低。199 排列组成的 工晶 该排列周期为波长量级 年他们又制备出了第1根具有无截止单模特性的光子品 与其品格常数相比拟的电磁波在该方向传播时会受到布 体光纤面。1998年，Knight终于成功制备出了第1根 拉格散射，其光子能带之间就可能有带隙出现，导致落 直正音义上的光子带脖效藏光子品体光纤可，1999年 在光子带隙中的电磁波不能传播。这是光子品体具有的 Cegn制备出第】根基于光子带隙效应的空气纤芯光子 光毛带體效应。光千品体且右抑制和增混白发辐即 品体光纤四。随后，空气纤芯光子品体光纤引起了大 控制自发辐射的现象，被称为Pur心e效应。通过调 图L是 .D sl 节光子品体缺略的结构、大小来控制缺路使缺路态能级 组制作的 即通过光子品 处在光子带隙之中，从而可以实现光子局域效应。光 体光纤可以 实现空气纤芯导光 大大降低在光传输 中的能耗：其次，传统光纤在弯曲处往往会不能满足全 反射角度条件而导致光线溢出，损失能量，而光子品体 200 年麻省理工学院的Cubukeu和Parimi分别闸述了电 光纤通过合理的设置，可以实现大角度的弯折。 磁波在二维光子品体中的负折射效应 ,负折射介质 最引人注目的是它能够放大违波，从而实现“超透镜效 应”，可极大地提高诱倍成像的分辑率。 光子品体具有与传统物质不同的色散关系，具有很 多奇异的非线性效应，这些非线性效应吸引了大量科学 工作者的兴趣，成为近年来的 个研究热点。1993 S研究了光子品体中的带隙孤子 M等人研究 1998年Berger V研究了光子品体中光学诺波的产生 2000年Hache A等人研究了光子品体中克尔非线性 图1空气纤芯光子品体光纤SEM像 南京大学祝世宁教授将诺贝尔奖获得者Blocmbe吧cn提 出的准相位匹配理论应用于微结构品体中光的散射与行 光子品体光纤除了其有隆低能耗的优点外，还其有 附研究，利用准相位匹配的光参量过程来放大光的散射 其它代于传续光纤的结件，诸如无雄止单德、不同的色 信号，采用图案极化方法制备出具有六方对称的二维非 度色散、极好的非线性效应、双折射效应、较高的入射 性光子品体 利用光的散射信号和入射光束的非线性 功率、易于实现多芯传输等等，相信这些优良特性会使 相互作用 使通常很弱的散射信 通过光的 其在未来的光通信领域有更为广阔的应用前量。 到显著增强 3.2高性能反射 3 光子晶体的应用 甘镜在红外波段和可见光波段有较大 的吸收 禁 元 由于光子品体具有控制自发辐射效应、光子禁带效 品体来说 应、光子局城效应 可以反 从任何方向来自 定 奉的入 负折射效 因此 光子品体在光纤、反射镜、滤波器、波导等方面有广阔 ”提出一维光子 的应用前景。 品体反射镜能够对入射到表面的某一颊段波全反射，当 3.1光子晶体光纤 入射角度发生变化时，仍然可以反射，这与多层介质反 目前，人们对光子品体的应用做了很多相关研究， 射镜有所不同。这种光子品体反射镜在实际应用中，有 1004.2015chi nal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
第 9 － 10 期 闫刚印等: 光子晶体应用研究进展 方程; 光波具有电场分量和磁场分量，是一种矢量波， 而电子波是一种标量波，只与电子密度有关; 电子作为 自旋为 1 /2 的费米子，它们之间存在很强的相互作用， 而光子作为自旋为 1 的玻色子，几乎不存在相互作用。 光子晶体许多新颖效应及其应用是光子晶体领域最富活 力、研究内涵十分丰富的学科。 2 光子晶体特性 光子晶体实际上就是一种介质在另一种介质中周期 排列组成的人工晶体，该排列周期为波长量级［4］。波长 与其晶格常数相比拟的电磁波在该方向传播时会受到布 拉格散射，其光子能带之间就可能有带隙出现，导致落 在光子带隙中的电磁波不能传播，这是光子晶体具有的 光子带隙效应［3］。光子晶体具有抑制和增强自发辐射即 控制自发辐射的现象，被称为 Purcell 效应［5］。通过调 节光子晶体缺陷的结构、大小来控制缺陷使缺陷态能级 处在光子带隙之中，从而可以实现光子局域效应［6］。光 子晶体还具有 Veselago 于 1968 年首次提出的负折射效 应［7］，即入射光线和折射光线会出现在法线的同 侧， 2003 年麻省理工学院的 Cubukcu 和 Parimi 分别阐述了电 磁波在二维光子晶体中的负折射效应［8 － 9］。负折射介质 最引人注目的是它能够放大逝波，从而实现“超透镜效 应”，可极大地提高透镜成像的分辨率。 光子晶体具有与传统物质不同的色散关系，具有很 多奇异的非线性效应，这些非线性效应吸引了大量科学 工作者的兴趣，成为近年来的一个研究热点［10］。1993 年，John S 研究了光子晶体中的带隙孤子［11］，1994 年 Scalora M 等人研究了光子晶体中的 光 限 制效应［12］， 1998 年 Berger V 研究了光子晶体中光学谐波的产生［13］， 2000 年 Hache A 等人研究了光子晶体中克尔非线性［14］。 南京大学祝世宁教授将诺贝尔奖获得者 Bloembergen 提 出的准相位匹配理论应用于微结构晶体中光的散射与衍 射研究，利用准相位匹配的光参量过程来放大光的散射 信号，采用图案极化方法制备出具有六方对称的二维非 线性光子晶体，利用光的散射信号和入射光束的非线性 相互作用，使通常很弱的散射信号通过光的参量过程得 到显著增强［15］。 3 光子晶体的应用 由于光子晶体具有控制自发辐射效应、光子禁带效 应、光子局域效应、负折射效应和非线性效应。因此， 光子晶体在光纤、反射镜、滤波器、波导等方面有广阔 的应用前景。 3. 1 光子晶体光纤 目前，人们对光子晶体的应用做了很多相关研究， 在这些研究当中，光子晶体光纤是研究最多也是发展最 快的领域［16 － 18］。光子晶体光纤概念最初由 Ｒussell 等人 于 1991 年提出( 其研究工作未发表) ，其最初的设想包 括两个关键点———不掺杂单一石英材料和利用光子带隙 效应导光。1996 年，Ｒussell 和 Knight 等人首次制备了 固态纤芯的光子晶体光纤［19］。研究表明，这种光子晶 体纤芯周围的包层不具有光子带隙，其应用原理仍与全 反射原理相似。尽管未能实现利用光子带隙效应导光的 设想，但证明了它可以使传输光损失明显降低。1997 年他们又制备出了第 1 根具有无截止单模特性的光子晶 体光纤［20］。1998 年，Knight 终于成功制备出了第 1 根 真正意义上的光子带隙效应光子晶体光纤［21］。1999 年 Cregan 制备出第 1 根基于光子带隙效应的空气纤芯光子 晶体光纤［22］。随后，空气纤芯光子晶体光纤引起了大 量科学工作者的关注。图 1 是 Jonathan D. Shephard 研究 小组制作的空气纤芯光子晶体光纤［23］，即通过光子晶 体光纤可以实现空气纤芯导光，大大降低在光传输过程 中的能耗; 其次，传统光纤在弯曲处往往会不能满足全 反射角度条件而导致光线溢出，损失能量，而光子晶体 光纤通过合理的设置，可以实现大角度的弯折。 图 1 空气纤芯光子晶体光纤 SEM 像 Fig. 1 SEM image of hollow core photonic crystal fibers 光子晶体光纤除了具有降低能耗的优点外，还具有 其它优于传统光纤的特性，诸如无截止单模、不同的色 度色散、极好的非线性效应、双折射效应、较高的入射 功率、易于实现多芯传输等等，相信这些优良特性会使 其在未来的光通信领域有更为广阔的应用前景。 3. 2 高性能反射镜 传统的金属反射镜在红外波段和可见光波段有较大 的吸收。光子晶体存在光子禁带，对于完全带隙的光子 晶体来说，可以反射从任何方向来的一定频率的入射 光，如果入射光的频率落入光子晶体的带隙中，其理论 反射率几乎可以达到 100% 。Fink 等人［24］提出一维光子 晶体反射镜能够对入射到表面的某一频段波全反射，当 入射角度发生变化时，仍然可以反射，这与多层介质反 射镜有所不同。这种光子晶体反射镜在实际应用中，有 136
632 中国材料进展 第33卷 很好的效果，例如将光子晶体反射镜耦合到微波天线的 到的光子品体我们称之为非线性光子品体，这一概念是 基底做反时面，只要微波天线发时的申磁被顿率完全落 由Be里er在其他科学工作者的研究某础上于1998年首 在光子品体的禁带范围内，则电磁波将完全不能透过基 次提出的别。由于非线性光子品体具有强而快的非线 底，能量全部被反射，据此便可以大大提高天线的工作 性光学响应，并且创造了产生和观察非线性局域光子榄 放密和性轴 的理想条件，进而产生独特的非线性效应，如二次谐 3.3光子品体滤波器 子品体存在光子带，如果光子的率刚 产生准相位区配学。并在许多城具有广江的 的光被 因出 近年来 些科学工作者在非线性 不能有 该光子 品体器件领域进行了 系列的研究.TmT研究小到 体中进行传播。因此光子晶体本身就无 一个自然的带 己经在实验上观测到了在非线性光子品体中产生二次谐 滤波器，如果在光子品体中人为地引入 波的现象 。除此之外，在非线性光子品体器件方面 以达到窄带滤波的目的，因而光子品体具有很好的滤波 如限幅器、光子开关以及光波分割与合成等方面也开展 性能。其相对于传统滤波器有显著优点：其滤波性 了一些工作”。在目前阶段。尽管这方面的研究工作 能异常优越，阻带区对透光的抻制甚至可以达到0B 还处于初步阶段，但由于非线性介质的光学特性，使非 以上，并且光子品体滤波赛的带阳边沿的硅销度可以接 线性光子品体的研究前量十分广阔。 近90°，其次，由于光子品体材料通常由对光波无损耗 3.6低通值激光器 的介质做成。其对所通过波段的光波的损耗很小。目 随着元器件尺寸的减小，传统的半导体激光器由于 前，光子品体法波器的研究主要集中在以下几个方而： 体积相对大 :材粗光子品体可调多径道波波器 维光子品体信 抑制自发辐射的功 不能满足葡 于光 半导体物质的绍 消分出迪波器。光子品体调波器等 射频处于光子品体光子带隙中日 就会抑制盖光器 3.4 光子品体波导 自发辐射。将带有波导缺路的光子品体引入激光器，如 传统的 电 可以支持直线传播的光 但在拐 果省形成的被导与激光器光的出射方问成 一定的角 处会损失能量 光子品体波写 可以改变这种情况 度，自发辐射的能量就会几平全部用于激光的发射，从 品体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效 而很大程度地隆低激光摆的冠伯，1999年，Painter驾 同时光子晶体波导还可以产生慢光效应 通过 在二维光子品体结构中引入一点缺路形成一光能量阱 种精密的制备手段在三维光子品体中引入各种样式的块 利用光线驱动激光器工作，从而实现了光动光子品体 省，可以随意地低能耗地控制光线传输。在光子品体被 激光器，2000年，7u研究小组制备了以电流驱动 导中，光线且有如此高效的传播能力使得人们不得不对 的光子品体激光器，其驱动电流阀值仅为30 其另眼相看，因此对光子晶体波导的研究也成为光子品 长为0 光子品体激光器具有低 传统的半 体应用研究的一个主要领域，图2是一些科学工作者采 体积小 损耗小 用TPp技术在Silicon-air反相蛋白石结构中制条出的复 模式易控制等优片 杂光子品体的SEM像圆。其显著特点是处于禁带频南 3.7 多功能传感器 范围的光波可以沿着图中所 能量几乎 除了在光子器件方而的大量应用，光子品体还被议 有损 是传统波 计为传感器件，用以探测温度变化、金属含量、H值 离子强度、血糖浓度等，其主要工作原理在于所探测的 伯发生改变时，光子品体空隙的折射系数也会随之发生 改疹，讲面伸拆系数出伯生够化。比光子带油位留 随之发生一定的位移，通过与实验值作对比，进而得知 该处化学物质的种类、浓度或其它方面的信息。多功能 光子品体传感器相对于传统传感器 般结构紧凑， 来的 感器技术 的研究热点 图2带有被导缺的光子晶体SE 面有可能在物联网领城大显身手 Fig 2 SEM image stal with w 3.8光子品体微脏 3.5非线性光子晶体 在光子品体结构中引入点缺陷或线缺陷，可以得到 将非钱性介电材料在空间范围内进行周期性排列得 高品质因子微谐振腔。由于光子品体微谐振腔在低园 1994-2015 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved http: www.cnki.ne
中国材料进展 第 33 卷 很好的效果，例如将光子晶体反射镜耦合到微波天线的 基底做反射面，只要微波天线发射的电磁波频率完全落 在光子晶体的禁带范围内，则电磁波将完全不能透过基 底，能量全部被反射，据此便可以大大提高天线的工作 效率和性能。 3. 3 光子晶体滤波器 由于光子晶体存在光子带隙，如果光子的频率刚好 落在光子晶体禁带内，该频率的光波将不能在该光子晶 体中进行传播。因此光子晶体本身就是一个自然的带阻 滤波器，如果在光子晶体中人为地引入一些缺陷，便可 以达到窄带滤波的目的，因而光子晶体具有很好的滤波 性能［25］。其相对于传统滤波器有显著优点: 其滤波性 能异常优越，阻带区对透光的抑制甚至可以达到 30 dB 以上，并且光子晶体滤波器的带阻边沿的陡峭度可以接 近 90°，其次，由于光子晶体材料通常由对光波无损耗 的介质做成，其对所通过波段的光波的损耗很小。目 前，光子晶体滤波器的研究主要集中在以下几个方面: Si 材料光子晶体可调谐多径道滤波器、二维光子晶体信 道分出滤波器、光子晶体调谐滤波器等。 3. 4 光子晶体波导 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。光子 晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率， 同时光子晶体波导还可以产生慢光效应［26 － 27］。通过各 种精密的制备手段在三维光子晶体中引入各种样式的缺 陷，可以随意地低能耗地控制光线传输。在光子晶体波 导中，光线具有如此高效的传播能力使得人们不得不对 其另眼相看，因此对光子晶体波导的研究也成为光子晶 体应用研究的一个主要领域。图 2 是一些科学工作者采 用 TPP 技术在 Silicon-air 反相蛋白石结构中制备出的复 杂光子晶体的 SEM 像［28］。其显著特点是处于禁带频率 范围的光波可以沿着图中所示曲线缺陷传播，能量几乎 没有损失，这些特点都是传统波导所不具备的。 图 2 带有波导缺陷的光子晶体 SEM 像 Fig. 2 SEM image of photonic crystal with waveguide faults 3. 5 非线性光子晶体 将非线性介电材料在空间范围内进行周期性排列得 到的光子晶体我们称之为非线性光子晶体。这一概念是 由 Berger 在其他科学工作者的研究基础上于 1998 年首 次提出的［29］。由于非线性光子晶体具有强而快的非线 性光学响应，并且创造了产生和观察非线性局域光子模 的理想条件，进而产生独特的非线性效应，如二次谐波 产生、准相位匹配等，并在许多领域具有广泛的应用前 景［30 － 31］。因此，近年来，一些科学工作者在非线性光 子晶体器件领域进行了一系列的研究。Trull T 研究小组 已经在实验上观测到了在非线性光子晶体中产生二次谐 波的现象［32］。除此之外，在非线性光子晶体器件方面， 如限幅器、光子开关以及光波分割与合成等方面也开展 了一些工作［33］。在目前阶段，尽管这方面的研究工作 还处于初步阶段，但由于非线性介质的光学特性，使非 线性光子晶体的研究前景十分广阔。 3. 6 低阈值激光器 随着元器件尺寸的减小，传统的半导体激光器由于 体积相对庞大，已经逐渐不能满足需要。由于光子晶体 具有抑制自发辐射的功能，如果激光器半导体物质的辐 射频率处于光子晶体光子带隙中时，就会抑制激光器的 自发辐射。将带有波导缺陷的光子晶体引入激光器，如 果缺陷形成的波导与激光器激光的出射方向成一定的角 度，自发辐射的能量就会几乎全部用于激光的发射，从 而很大程度地降低激光器的阈值。1999 年，Painter 等 在二维光子晶体结构中引入一点缺陷形成一光能量阱， 利用光线驱动激光器工作，从而实现了光驱动光子晶体 激光器［34］。2000 年，Zhou 研究小组制备了以电流驱动 的光子晶体激光器［35］，其驱动电流阈值仅为 300 μA， 产生了波长为 931 nm 的激光。与传统的半导体激光器 相比，光子晶体激光器具有低阈值、体积小、损耗小、 模式易控制等优点。 3. 7 多功能传感器［36 - 39］ 除了在光子器件方面的大量应用，光子晶体还被设 计为传感器件，用以探测温度变化、金属含量、pH 值、 离子强度、血糖浓度等。其主要工作原理在于所探测的 值发生改变时，光子晶体空隙的折射系数也会随之发生 改变，进而使折射系数比值发生变化，其光子带隙位置 随之发生一定的位移，通过与实验值作对比，进而得知 该处化学物质的种类、浓度或其它方面的信息。多功能 光子晶体传感器相对于传统传感器一般结构紧凑，便于 传感器的微型化和便携化，因此，在未来的一段时间内 光子晶体传感器将成为传感器技术领域的研究热点，进 而有可能在物联网领域大显身手。 3. 8 光子晶体微腔 在光子晶体结构中引入点缺陷或线缺陷，可以得到 高品质因子微谐振腔。由于光子晶体微谐振腔在低阈 236
第9-10期 闫刚印等：光子晶体应用研究进展 633 值、高效激光器领域有很重要的应用，科学工作者一直 (Transverse Magnetic)偏振波只能通过全反射方式米来实 致力于这方面的研究。微谐振腔在光集成领域有很重要 现完全封闭，因而制备三维完全光子带隙品体微腔成为 的应用，而传统的金属谐振腔制作工艺尺寸小的微谐拔 近年来的一个研究热点，2011年，东京大学的Akwa 驼存在很大的局明性、在光波的频段。这种传统金属进 研究小组采用微加工制各工艺在三维CA、光子品体结 振腔能量损耗特别大，品质因子0值也很低。而光子品 构中构适一个点缺陷结构(1.15μm×1.15m)作为 本微振腔只要困期件排列完好，根据激光器发射 个微谐振腔，在微腔中植入三层nA量子点层作为 光频率的要求， 定的 活层 如图3所 或线缺陷可y 制备工艺引入合适的点缺陷 Q 者在型 图3是G 是三推光子品休结示意 样中三层nA 剖面的 板型光子晶体结构 其Q值的 是微AF照片 与图3分别是试样的5 ,在实验上已经取得Q值为4500 侧视与顶视图。用激发激光照射该三维光子晶体诺 腔，波长为1.2μm的光被封闭于三维光子品体微腔中 最早人们在二维平板型光子品体制备过程中，通过 实现了激光的振荡，该三维光子品体微谐振腔的Q值这 引入缺陷制备微谐报腔，其Q值虽然可以达到很高，但 到了38500，在三维光子品体结构中为目前最高值，因 是二维光子品体由于不具备完全光子带隙，只是在光的 为三维光子品体微谐振腔理论上可封闭所有模式的光， TE(Transverse Electrie)偏拔波实现完全封闭，而对TM 因此，其对光的封闭性能要远远高于二维光子品体， Lower layer 图3G三雅光子体微整：(a三维光子晶体结构示意图.()Ga试样中三层量子点剂 Fig 3 而的A照片，（⊙和（山分别是试样的侧视和项视的sE像 mal AFM i 3.9腔量子电动力学领域的应用 光子品体微腔具有传统光学微腔所不及的光限制能 腔量子申动力学是研究来与原子相互作用的一门学 力，高的Q值，使得光子品体微腔在腔量子电动力学领 科。光子与原子在狭小的微腔中表现出与在自由空间完 城有很重 的应用 光子品体结构中 个点缺陷可以定 2与 子作用的 子晶体 定率的 动力学过程 并揭示出 系列的量 控 能逃 腔体 系 力学能够深入地解释光与物质作用的基本向，是光学 微腔的理论基瑞，同时光学微腔又能为腔量子电动力学 能够更深入地了解 ,如甲 提供最好的实验验证， 子激光器光谱、量子点嵌入光子品体微腔、低阑值激光 1994-2015 China Academic nal Electronic Publishing House.All rights re /www.cnki.ne
第 9 － 10 期 闫刚印等: 光子晶体应用研究进展 值、高效激光器领域有很重要的应用，科学工作者一直 致力于这方面的研究。微谐振腔在光集成领域有很重要 的应用，而传统的金属谐振腔制作工艺尺寸小的微谐振 腔存在很大的局限性，在光波的频段，这种传统金属谐 振腔能量损耗特别大，品质因子 Q 值也很低。而光子晶 体微谐振腔，只要其周期性排列完好，根据激光器发射 光频率的要求，通过一定的制备工艺引入合适的点缺陷 或线缺陷可以得到高 Q 值的微谐振腔。目前有学者在平 板型光子晶体结构中设计出的微腔结构［40］，其 Q 值的 理论计算值大于 107 。在实验上已经取得 Q 值为 45 000 的微腔［41］。 最早人们在二维平板型光子晶体制备过程中，通过 引入缺陷制备微谐振腔，其 Q 值虽然可以达到很高，但 是二维光子晶体由于不具备完全光子带隙，只是在光的 TE( Transverse Electric) 偏振波实现完全封闭，而对 TM ( Transverse Magnetic) 偏振波只能通过全反射方式来实 现完全封闭，因而制备三维完全光子带隙晶体微腔成为 近年来的一个研究热点。2011 年，东京大学的 Arakawa 研究小组采用微加工制备工艺在三维 GaAs 光子晶体结 构中构造一个点缺陷结构( 1. 15 μm × 1. 15 μm) 作为一 个微谐振腔［42］，在微腔中植入三层 InAs 量子点层作为 激活层，如图 3 所示，图 3a 是三维光子晶体结构示意 图，图 3b 是 GaAs 试样中三层 InAs 量子点剖面的原子 力显微镜( AFM) 照片，图 3c 与图 3d 分别是试样的 SEM 侧视与顶视图。用激发激光照射该三维光子晶体微谐振 腔，波长为 1. 2 μm 的光被封闭于三维光子晶体微腔中， 实现了激光的振荡。该三维光子晶体微谐振腔的 Q 值达 到了38 500，在三维光子晶体结构中为目前最高值。因 为三维光子晶体微谐振腔理论上可封闭所有模式的光， 因此，其对光的封闭性能要远远高于二维光子晶体。 图 3 GaAs 三维光子晶体微腔: ( a) 三维光子晶体结构示意图，( b) GaAs 试样中三层 InAs 量子点剖 面的 AFM 照片，( c) 和 ( d) 分别是试样的侧视和顶视的 SEM 像 Fig. 3 3-D GaAs photonic crystal micro-cavity: ( a) schematic diagram of 3-D photonic crystal structural，( b) sectional AFM image of three layers InAs quantum points，and ( c，d) SEM images of lateral and top view of sample，respectively 3. 9 腔量子电动力学领域的应用 腔量子电动力学是研究光与原子相互作用的一门学 科。光子与原子在狭小的微腔中表现出与在自由空间完 全不同的基本行为，能从根本上揭示原子与光子作用的 动力学过程，并揭示出一系列的量子本性。腔量子电动 力学能够深入地解释光与物质作用的基本问题，是光学 微腔的理论基础，同时光学微腔又能为腔量子电动力学 提供最好的实验验证。 光子晶体微腔具有传统光学微腔所不及的光限制能 力，高的 Q 值，使得光子晶体微腔在腔量子电动力学领 域有很重要的应用。光子晶体结构中一个点缺陷可以定 义为一个光子晶体微腔，注入微腔中特定频率的光子不 能逃离腔体。光子晶体微腔与植入腔体的量子系统有很 强的耦合。研究量子系统与光子晶体微腔的耦合作用， 能够更深入地了解一些腔体量子电动问题［43］，如单原 子激光器光谱、量子点嵌入光子晶体微腔、低阈值激光 336
634 中国材料进展 第33卷 器、强非线性光学问题等。 的步伐，使光子晶体材料大规模走向实际应用。以上问 3.10光子晶体偏振器 题都是光子品体在应用领域大规模应用所必须解决的技 当二维光子品体中TETM模式光子能带结构不同 术难题· 并且其光子带隙的位置互相错开时，光子品体可以用作 参考文献Re ences 小的频率 入射角度范围有 1 in Solid-st 其体积也相对比较大 不容易实现光学 and Electnmics Physiral Rie Lttes,1987 集成。 然而采 维光子品体来制作的偏振器可以在 (58:2059-2062 s in Cen 大的须率范内工们 并且其体积很小，很容易在S 1987(58) 片上集成或直接在S基上制成，因而光子品体偏振器 也引起了科学家们的广泛关注 3.11量子信息处理方面的应用 剑，4d.电子体系与光子体系】.%yi(物理)，2002 如组光子对(Etaneled photon pairs)在量子信息处理 (9)：558-56 领域有极其重要的地位。如何产生纠缠光子引起了大量 科学工作者的关注。在非线性品体(B-Barium Borate BBO)中讨白发参量下转换P etric Down Conve g红外与藏光工榴，200433)：320-322. Purell E M. iom产生光子对，是 一种品为成装 的产生纠缠光子 1946(69)：681-681. 方法 上述方法 在理论和实 实现了两光 [6 纠缠和多光 尽管该方法从实验上已经被证实 种成熟有效的方法 但是如何提高产生效率并比较力 999271 268-299 f1 便地实现光学芯片集成仍然是一个很大的挑战 近来。科学工作者提出了通过光子品体高效率产生 10) 纠轴光子对的方法周。该方案与利用周期性极化材 509-514 中诵过四相匹配产生到缠光子的方案右本两上的不同 将二阶非线性磁化率材料（如GaAs或GaP加入光子品 4231.604-605 体周期性结构中，这些半导体材料一方面很容易实现光 91 Parimi P V.Lu W T,Vodo P.et al.Negative Refracti 住成更重要的是它们的二阶非线性极化率比传统BBO Left- in M ave Pho 品体要高两个数最级。因此 非线子品体能 Phy 00492):127 1-4 高效率地产生光子对并很有希望成为重要 f Ph 。理论上预言 非线性光子品 [l.Nm.20034241:817-823 体的到缠 [11] John S.Akozbek N.Non r Optical Solitary Waves in ,因此 非线性光子品体能够在量了 ricw Letters.1993(71) 信息领域发挥重要作用， 12 4结语 Gap M rials []Physical Rerior Leters,1994(73):1 368 尽管光子晶体的研究还处于起步阶段，光子晶体的 -1371 制备还受制于半导体制备工艺的限制人为引入特定缺 路手段方法还比较单 ,但相信随着现代制造工艺特别 是3D打印制造技术的发展，光子晶体制备技术会越米 越精湛 子 本设 会得到很大的 77:4089-4091 传感器的应用 使其有可能应用于无线传感网路 进 Ji S H.Zhu S N.a al.Conical Second Har 推动物联网的发展，掀起信息技术的革命。今后的研牙 Gen 应着重以下两点 ①提高光子品体传感器的重复使用 率，器件灵敏度以及对环境参数的响应能力，②拓展光 04g31,13304-133007 子品体的应用领域，使光子品体应用研究跟上理论研究 [161 Mafi A.Moloney I V.Bcam Ouality of Photonic-Crystal Fiber 1994-2015 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
中国材料进展 第 33 卷 器、强非线性光学问题等。 3. 10 光子晶体偏振器 当二维光子晶体中 TE /TM 模式光子能带结构不同， 并且其光子带隙的位置互相错开时，光子晶体可以用作 偏振器［44］。传统的偏振器由于其自身的局限性———一 方面，只能对很小的频率范围或某一入射角度范围有 效; 另一方面，其体积也相对比较大，不容易实现光学 集成。然而采用二维光子晶体来制作的偏振器可以在很 大的频率范围内工作，并且其体积很小，很容易在 Si 片上集成或直接在 Si 基上制成，因而光子晶体偏振器 也引起了科学家们的广泛关注。 3. 11 量子信息处理方面的应用 纠缠光子对( Etangled Photon Pairs) 在量子信息处理 领域有极其重要的地位，如何产生纠缠光子引起了大量 科学工 作 者 的 关 注。在 非 线 性 晶 体 ( β-Barium-Borate， BBO) 中通过自发参量下转换( Parametric Down Conversion) 产生光子对，是一种最为成熟的产生纠缠光子的 方法。基于上述方法，在理论和实验上，实现了两光子 纠缠和多光子纠缠。尽管该方法从实验上已经被证实是 一种成熟有效的方法，但是如何提高产生效率并比较方 便地实现光学芯片集成仍然是一个很大的挑战。 近来，科学工作者提出了通过光子晶体高效率产生 纠缠光子对的方法［45］。该方案与利用周期性极化材料 中通过四相匹配产生纠缠光子的方案有本质上的不同。 将二阶非线性磁化率材料( 如 GaAs 或 GaP) 加入光子晶 体周期性结构中，这些半导体材料一方面很容易实现光 集成，更重要的是它们的二阶非线性极化率比传统 BBO 晶体要高两个数量级［46］。因此，非线性光子晶体能够 高效率地产生光子对并很有希望成为重要的纠缠光子源 ( Sources of Photon Pairs) 。理论上预言，非线性光子晶 体的纠缠光子对产生率要比传统非线性块体材料增强几 百到几千倍［45，47］。因此，非线性光子晶体能够在量子 信息领域发挥重要作用。 4 结 语 尽管光子晶体的研究还处于起步阶段，光子晶体的 制备还受制于半导体制备工艺的限制，人为引入特定缺 陷手段方法还比较单一，但相信随着现代制造工艺特别 是 3D 打印制造技术的发展，光子晶体制备技术会越来 越精湛，光子晶体设计会得到很大的发展。光子晶体在 传感器的应用，使其有可能应用于无线传感网络，进而 推动物联网的发展，掀起信息技术的革命。今后的研究 应着重以下两点: ①提高光子晶体传感器的重复使用 率，器件灵敏度以及对环境参数的响应能力。②拓展光 子晶体的应用领域，使光子晶体应用研究跟上理论研究 的步伐，使光子晶体材料大规模走向实际应用。以上问 题都是光子晶体在应用领域大规模应用所必须解决的技 术难题。 参考文献 References ［1］ Yablonovitch E． Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics［J］． Physical Ｒeview Letters，1987 ( 58) : 2 059 － 2 062． ［2］ John S． Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattics［J］． Physical Ｒeview Letters，1987( 58) : 2 486 － 2 489． ［3］ Xu Shaohui( 徐 少 辉) ，Ding Xunmin ( 丁 训 民) ，Zi Jian ( 资 剑) ，et al． 电子体系与光子体系［J］． Physics( 物理) ，2002 ( 9) : 558 － 567． ［4］ Zhang Youjun ( 张友 俊) ，Ji Bo ( 姬 波) ，Wang Xiangqian ( 王向前) ，et al． 光子晶体及其应用［J］． Infrared and Laser Engineering( 红外与激光工程) ，2004( 33) : 320 － 322． ［5］ Purcell E M． Spontaneous Emission Probabilities at Ｒadio Frequencies［J］． Physical Ｒeview，1946( 69) : 681 － 681． ［6］ Leclair A． Eigenstates of the Atom Field Interaction and the Binding of Light in Photonic Crystals［J］． Annals of Physic， 1999( 271) : 268 － 293． ［7］ Veselago V G． Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ［J］． Soviet Physics USPEKHI，1968 ( 10) : 509 － 514． ［8］ Cubukcu E，Aydin K，Ozbay E，et al． Electromagnetic Waves: Negative Ｒefraction by Photonic Crystals［J］． Nature，2003 ( 423) : 604 － 605． ［9］ Parimi P V，Lu W T，Vodo P，et al． Negative Ｒefraction and Left-Handed Electromagnetism in Microwave Photonic Crystals ［J］． Physical Ｒeview Letters，2004( 92) : 127 401 － 1 － 4． ［10］ Christodoulides D N，Lederer F，Silberberg Y． Discretizing Light Behavior in Linear and Nonlinear Waveguide Lattices ［J］． Nature，2003( 424) : 817 － 823． ［11］ John S，Akozbek N． Nonlinear Optical Solitary Waves in a Photonic Band Gap［J］． Physical Ｒeview Letters，1993 ( 71 ) : 1 168 － 1 171． ［12］ Scalora M，Dowling J P，Bowden C M，et al． Optical Limiting and Switching of Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials［J］． Physical Ｒeview Letters，1994( 73) : 1 368 － 1 371． ［13］ Berger V． Nonlinar Photonic Crystal［J］． Physical Ｒeview Letters，1998( 81) : 4 136 － 4 139． ［14］ Hache A，Bourgeois M． Ultrafast All-Optical Switching in a Silicon-Based Photonic Crystal［J］． Applied Physics Letters，2000 ( 77) : 4 089 － 4 091． ［15］ Xu P，Ji S H，Zhu S N，et al． Conical Second Harmonic Generation in a Two-Dimensional χ( 2) Photonic Crystal: A Hexagonally Poled LiTaO3 Crystal［J］． Physical Ｒeview Letters， 2004( 93) : 133 904 － 133 907． ［16］ Mafi A，Moloney J V． Beam Quality of Photonic-Crystal Fibers 436