摘要 :本文闡述了光子晶體的基本原理，在光子晶體中是由光的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生了光子帶隙結(jié)構(gòu)，從而由光子帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)。還介紹了一些光子晶體的制作方法和應(yīng)用前景，光子晶體的制備方法很多，這里簡(jiǎn)單介紹了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加工技術(shù)、鉆孔法、嵌段聚合物自組法、單分散的顆粒堆積法、亞微米尺度上的三維全息光刻。光子晶體有著良好的應(yīng)用前景，是新科技時(shí)代的主導(dǎo)者，關(guān)于光子晶體的應(yīng)用，本文例舉了高能性反射鏡、光子晶體波導(dǎo)、光子晶體微腔、光子晶體光纖、光子晶體超棱鏡、光子晶體偏振蕩。其實(shí)，光子晶體的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，有關(guān)其他的應(yīng)用本文點(diǎn)到為止，不作詳細(xì)介紹。最后，指出了光子晶體在發(fā)展過(guò)程中存在的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：光子晶體，光子能帶，光子帶隙，蛋白石結(jié)構(gòu)

引言

光子晶體是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得異常迅猛的發(fā)展，是一門(mén)正在蓬勃發(fā)展的有前途的新學(xué)科。光子晶體不僅具有理論價(jià)值，更具有非常廣闊的應(yīng)用前景，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。光子代替電子作為信息的載體是長(zhǎng)期以來(lái)人們的一個(gè)共識(shí)，因?yàn)楣庾蛹夹g(shù)具有高傳輸速度、高密度及高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于子不像電子一樣易于控制，長(zhǎng)期以來(lái)，光信息技術(shù)僅僅在信息傳輸(光通信)中得到應(yīng)用，而且是最基本的信息功能。而信息處理的核心部分則依然依賴(lài)微電子技術(shù)。

　　光子晶體的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成為可能。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(guò)設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的。

　　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(wú)閾值的激光器，無(wú)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(dòng)能量的非線性開(kāi)關(guān)和放大器，波長(zhǎng)分辨率極高而體積極小的超棱鏡，具有色散補(bǔ)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(lái)導(dǎo)致信息技術(shù)的一次革命，其影響可能與當(dāng)年半導(dǎo)體技術(shù)相提并論。

一、光子晶體基本原理

很多的研究都是起源于對(duì)自然界不同領(lǐng)域存在類(lèi)似現(xiàn)象的假設(shè)開(kāi)始的。因?yàn)橛钪嫒f(wàn)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(lèi)難解的秘密。光子晶體的產(chǎn)生亦是如此，它是科學(xué)家們?cè)诩僭O(shè)光子也可以具有類(lèi)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(lái)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(shì)場(chǎng)的存在，使得運(yùn)動(dòng)的電子受到周期勢(shì)場(chǎng)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(wú)法繼續(xù)傳播。其實(shí)，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[1]。

　　簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)[1]。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(yùn)動(dòng)。

　　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(diǎn)（各個(gè)原子所在位點(diǎn)）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。如圖1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[2]。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（Band Gap，類(lèi)似于半導(dǎo)體中的禁帶）。而周期排列的低折射率位點(diǎn)的之間的距離大小不同，導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對(duì)一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)[3]。也就是只有某種頻率的光才會(huì)在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　如果只在一個(gè)方向上存在周期性結(jié)構(gòu)，那么光子帶隙只能出現(xiàn)在這個(gè)方向。如果在三個(gè)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(jìn)入光子晶體后將在各個(gè)方向都禁止傳播。這對(duì)光子晶體來(lái)說(shuō)是一個(gè)最重要的特性。而且實(shí)際上，這種三維光子晶體也是最先被制造出來(lái)的。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)在該帶隙中這個(gè)原則就可以避免光輻射的產(chǎn)生[4]。這就使我們可以控制以前不可避免的自發(fā)輻射。

二、光子晶體的制備方法

針對(duì)光子晶體特殊的結(jié)構(gòu)要求，在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中我們主要采取以下幾種方法：

1、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的加工技術(shù)。由于Si以及SiO2的加工工藝已經(jīng)很成熟了，而Si的折射率又比較高，所以利用他們來(lái)制備光子晶體是理所當(dāng)然的。如有小組在刻蝕成條狀的Si波導(dǎo)上用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻上了等間距的空洞，這就是一維光子晶體。如果控制刻蝕的區(qū)域，同樣可以得到在Si基底上規(guī)則排列的空洞列陣，這也就是前面提到的二維光子晶體。利用紫外光、電子束或者X光，在Si基底上進(jìn)行光刻，留出數(shù)道彼此平行的Si長(zhǎng)條，然后利用火焰水解等方法將Si條之間的區(qū)域用SiO2填充滿(mǎn)，再用多晶Si淀積的辦法在已刻好的一層上鋪上一層Si，以便刻蝕與下面垂直的第二層。待達(dá)到所需的層數(shù)之后，便可腐蝕掉SiO2，得到的就是Si組成的“木柴垛結(jié)構(gòu)”的三維光子晶體（如圖2）的優(yōu)點(diǎn)是可以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)方便地結(jié)合起來(lái)，便于生產(chǎn)。缺點(diǎn)是成本依然太高，到現(xiàn)在為止還不能大規(guī)模生產(chǎn)，用作實(shí)驗(yàn)研究過(guò)于昂貴。