光子晶体研究进展 2

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4．光子晶体的应用

光子晶体具有重要的应用背景。由于其特性，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性

能器件。

高性能反射镜。频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择没

有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为100%。这

与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在

红外和光学波段有较大的吸收。这种光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面

天线 [51]。普通的平面天线由于衬底的透射等原因，发射向空间的能量有很多损失；如果

用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部发射向空间。这是一种

性能非常高的天线，美国军方对此表现出极大的兴趣。以前人们一直认为一维光子晶体不

能作为全方位反射镜，因为随着入射光偏离正入射，总有光会透射出来。但最近MIT研究人

员的理论和实验表明，选择适当的介电材料，即使是一维光子晶体也可以作为全方位反射

镜 [52]，引起了很大的轰动。

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。理论计

算表明，光子晶体波导可以改变这种情况 [3,53,54]。光子晶体波导不仅对直线路径 [3]

而且对转角 [53,54]都有很高的效率，如图10所示。最近的实验证实了理论预言 [55]。



光子晶体微腔 [56-59]。在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷

态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异的多。最

近MIT 研究人员制成了位于红外波段的微腔，具有很高的品质因子 [59]。

光子晶体光纤。在传统的光纤中，光在中心的氧化硅核传播。通常，为了提高其折射系数

采取掺杂的办法以增加传输效率。但不同的掺杂物只能对一种频率的光有效。英国Bath大

学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤 [60]：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅

毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结而形成。直径约40微米。蜂窝结

构的亚微米空气孔就形成了。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气

孔就是导光通道，如图12所示。与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔中而非

氧化硅中，可导波的范围很大。

光子晶体超棱镜 [61,62]。常规的棱镜的对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做

成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000倍，体积只有常规的百分之一大小。如对波

长为1.0微米和0.9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱

镜后可以将它们分开到60度 [62]。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。

光子晶体偏振器。常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比

较大，不容易实现光学集成。最近，我们发现可以用二维光子晶体来制作偏振器 [63]。这

种光子晶体偏振器有传统的偏振器所没有的优点：可以在很大的频率范围工作，体积很小

，很容易在Si片上集成或直接在Si基上制成。

光子晶体还有其它许多应用背景，如无阈值激光器、光开关、光放大、滤波器等新型器件

[3-5]。光子晶体带来许多新的物理现象 [12-15,63-66]。随着对这些新现象了解的深入

和光子晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会发现。

　

5．光子晶体的理论方法简介

　

光在光子晶体中传播服从Maxwell方程组，经过运算可以得到运动方程

这个方程类似电子的薛定谔方程，是线性本征值问题，其解完全由空间变化的介电常数决

定。如果介电常数在空间周期性变化，则会形成光子能带。

能带计算常用的是平面波展开的方法 [3-5,19-21]，即将介电常数和电场或磁场用平面波

展开，最后得到本征值方程。解本征方程即可得到光子能带。光子晶体的能带计算可以套

用电子能带的方法，如缀加平面波方法 [67]，紧束缚法 [68]等。在处理杂质情况时，若

采用平面波方法，则要用超原胞，需要很大数目的平面波。紧束缚法可以克服这个困难。

Pendry等引入了传输矩阵法 [69]，不仅可以计算能带，而且能得到传输率。这个方法对处

理有杂质的情况很有效。经常用到的方法还有有限差分时域法 [70-72]，对计算能带和处

理杂质问题效果很好。对于某些特殊问题，多重散射法效果也不错 [73-75]。

　

6、展望

　

光子晶体是一门正在蓬勃发展的、很有前途的新学科，它吸引了包括经典电磁学、固体能

带论、半导体器件物理、量子光学、纳米结构和材料科学等领域的科学家，论文数目呈指

数增长。光子晶体从八十年代末提出发展至今，取得很大的成就。如今，人们对波受到周

期性调制的研究已超越光子晶体，声波 [76-79]、等离子体波 [80-82]、磁子波 [83]等受

到周期调制后出现带隙和新现象。其它的波，如极化子、自旋波、水波等都值得研究，会

出现新物理现象，有可能发现新的应用。

去年底美国《科学》杂志在预计1999年的研究热点时，将光子晶体列为所有学科中的六大

热点之一。由于光子晶体特殊的性质，有新物理，更有应用前景，国外目前越来越多的研

究人员进入这个研究领域。据作者所知，与光子晶体有关的国外专利已有近百个。国内在

这方面只有中科院物理所、南京大学、同济大学和复旦大学等单位一些零星的研究工作。

特别是实验制作方面投入的力量太小。因此，希望国内能重视光子晶体这个有前途的领域

。

　

参考文献：

[1] E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[2] S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).

[3] J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals: Moldin

g the Flow of Light (Princeton Univ. Press, NJ, 1995).

[4] Photonic Band Gap Materials，NATO, ASI, edited by C. M. Soukoulis (Kluwer,

Dordrecht, 1996).

[5] Photonic Band Gaps and Localization, NATO ARW, edited by C. M. Soukoulis (

Plenum, New York, 1993).

[6] E. M. Purcell, Phys. Rev. 69, 681 (1964).  

[7] S. John, Physics Today 32, 33 (1991).

[8] Scattering and Localization of Classical Waves in Random Media, edited by  

P. Shen (Wrold Scientific, Singapore, 1990).

[9] J. M. Drake and A. Z. Genack, Phys. Rev. Lett. 63, 259 (1989).

[10] S. L. McCall, P. M. Platzman, R. Dalichaouch, D. Smith, and S. Schultz, N

ature 354, 53 (1991).  

[11] D. S. Wiersma, P. Bartolini, Ad. Lagendijk, and R. Righini, Nature 390, 6

71 (1997).

[12] S. John and J. Wang, Phys. Rev. Lett. 64, 2418 (1990).

[13] C. A. Condat and T. R.. Kirpatrick, Phys. Rev. B36, 6783 (1987).

[14] J. Martorell and N. M. Lawandy, Phys. Rev. Lett. 65, 1877 (1990).

[15] G. Kurizki, B. Sherman, and A. Kadyshevitch, J. Opt. Soc. Am. B10, 346 (1

993).  

[16] E. Yablonovitch and T. J. Gmiter, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989).
[17] S. Satpathy, Z. Zhang, and M. R. Salehpour, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (19

90).

[18] K. M. Leung and Y. F. Liu, Phys. Rev. B41, 10188 (1990).

[19] K. M. Leung and Y. F. Liu, Phys. Rev. Lett. 65, 2646 (1990).

[20] Z. Zhang and S. Satpathy, Phys. Rev. Lett. 65, 2650 (1990).

[21] K. M. Ho, C. T. Chan, and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (199

0).

[22] E. Yablonovitch, T. J. Gmitter, and K. M. Leung, Phys. Rev. Lett. 67, 229

5 (1991); E. Yablonovitch and K. M. Leung, Nature 351, 278 (1991).

[23] K. M. Ho, C. T. Chan, C. M. Soukoulis, R. Biswas, and M. Sigalas, Solid S

tate Commun. 89, 413 (1994)

[24] E. Ozbay, A. Abeyta, G. Tuttle, ringides, R. Biswas, M. Sigalas, C. M. So

ukoulis, C. T. Chan, and K. M. Ho, Phys. Rev. B50, 1945 (1994).

[25] H. Sozuer and J. Dowling, J. Mod. Opt. 41, 231 (1994).