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動。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，光子晶體的應(yīng)用遠不止這些，有關(guān)其他的應(yīng)用本文點到為止，不作詳細介紹。最后，指出了光子晶體在發(fā)展過程中存在的一些問題。

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值，更具有非常廣闊的應(yīng)用前景，這個領(lǐng)域已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界的研究熱點。光子代替電子作為信息的載體是長期以來人們的一個共識，因為光子技術(shù)具有高傳輸速度、高密度及高容錯性等優(yōu)點。然而，由于子不像電子一樣易于控制，長期以來，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。

　　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。

一、光子晶體基本原理

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[1]。

　　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[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動。

　　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不同，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)[3]。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。#p#分頁標題#e#

　　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)在這個方向。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。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

針對光子晶體特殊的結(jié)構(gòu)要求，在實驗室當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，所以利用他們來制備光子晶體是理所當然的。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基底上進行光刻，留出數(shù)道彼此平行的Si長條，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，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，便于生產(chǎn)。缺點是成本依然太高，到現(xiàn)在為止還不能大規(guī)模生產(chǎn)，用作實驗研究過于昂貴。