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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
。
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