光子晶体综述

光子晶体综述摘 要在这篇综述中，我们首先阐述光子晶体的基本的物理概念，并在一维情形下解释光子带隙的形成机制。接着从理论计算，实验制备，应用前景几个方面进行分别介绍。一 基本概念的简述11 光子晶体的提出人类对半导体材料电性能的认识，催生了对电子运动的控制，将人类带入了计算机和信息社会对合金和陶瓷的电气性能的研究，发现了高温超导现象基于相同的目,人类在材料光学性能的研究中，提出了相似的问题：材料的自发辐射是否可以控制？从而产生生了光子晶体的概念.在研究一维纳米透镜链情况的工作中，首次提出可利用光子禁带结构抑制其中的自发辐射。光子晶体概念的具体的提出是和S.Jhon在各自工作中分别完成的。当时在研究如何抑制材料的自发辐射特性,而则在探讨光子在无序介质里的光的局域化效应。在他们的文献中都谈到研制折射率空间周期调制的三维光子晶体，来达到控制光子的目的。12 电子能带和光子能带光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似,因此光子晶体中介电函数的周期性变化能产生光子能带结构.当电磁波在周期性排列的介电材料中传播时,由于在不同介质交界面处介质对电磁波的布拉格散射,电磁波将受到调制而形成能带结构,并导致在带与带之间光子能隙的出现.光子能隙不仅与光子能量有关,而且与光波的传播方向有关.光子能隙可分为两种:一种不完全能隙,能隙只出现在某些特定的方向上;另一种是完全能隙,即在各个方向上都有能隙存在.如果光子落在完全能隙内,则此频率的光在该光子晶体中沿任何方向都不能传播,这就是所谓的光子禁带.由于光子禁带的存在,光子晶体可以抑制自发辐射.我们知道,自发辐射的几率是与光子所在频率的态的数目成正比.当原子被放在一个光子晶体里面,而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时,由于该频率的光子的态的数目为零,自发辐射也就被抑制.反过来,光子晶体也可增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可实现.如在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可实现自发辐射的增强。 下面从具体的方程的相似性来说明。由电子的能带理论知道,当把电子的运动近似地看成单个电子在一个等效的周期性势场中运动时,电子的波函数满足薛定谔方程,即 （1） （2）其中为普朗克常数,为电子能量,式(2)表示位能具有周期性,其周期为晶格矢量；另一方面,一束频率为的光在不均匀的无损耗介质中传播时,它的电矢量E所满足的麦克斯韦方程可写成 （3）其中介质的平均介电常数;是扰动介电常数,c为真空中的光速。而当光子是在一个介电常数作周期性变化的介质中传播时,令为变化的周期,则 (4)比较式(1)和式(3),可以看出它们的形式有某种相似之处,从而建立如下的类比关系：即介电常数的变化相当于位能的变化。相当于电子的能量本征值。从光子及电子运动方程的可类比性得出:在一个折射率周期变化的结构中,光子的运动将类似于在周期性势能变化下电子的运动。因此,折射率周期变化的结构应具有光子的能带结构及相应的光子能隙。所谓能带、能隙是指光子的频率与波矢k的某种关系,如图1所示。由此可见,光子是线性的,电子是抛物线型的。这里可用描述电子能带结构的布里渊区来描述光子的能带结构。布里渊区是在波矢空间中的一些特定区域,在每个布里渊区内部,频率随波矢连续变化,属于一个布里渊区的能级构成一个能带。在布里渊区的边界上频率作为波矢的函数发生突变,即出现能隙。这样对于存在光子能隙的介质来说,不是所有频率的光都能在其中传播的,相应于光子能隙区域的那些频率的光将不能通过介质,而是被全部反射出去。光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分。所谓完全能隙，是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能相互重叠；不完全能隙，相应于空问各个方向上的能隙并不完全重叠，或只在特定的方向上有能隙。由于能隙产生于布里渊区的边界处，原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。对一些简单结构的分析知道，FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构（见图1）图2表示FCC结构中的光在两个不同传播方向上的能隙，L方向上能隙的中心频率比X方向上能隙的中心频率小14因此，必须在每个方向上的能隙足够大，才能使它们相互重叠，产生完全光子能隙。13 光子晶体中的缺陷能级半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂，禁带中会产生相应的杂质能级，从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地，可以向光子晶体中引入杂质和缺陷，如图3所示，在光子能隙中将产生相应的缺陷能级当缺陷是由引入额外的高介电材料所致，如图右，其特性类似干半导体掺杂中的施主原子，相应的缺陷能级起始于空气带底，并随缺陷尺寸的变化而移向介电带。当缺陷是由移去部分高介电材料所至（图3左），其特性类似于半导体掺杂中的受主原子，相应的缺陷能级起始于介带顶，并随缺陷尺寸的变化而移向空气带因此，可以通过调节缺陷的结构、大小来控制缺陷能级在光子带隙中的位置由介电带顶到空气带底，相应干此能级频率的光将只能够存在于缺陷处。而不能向空间传播14 光子局域有缺陷的光子晶体中光子晶体的另一个主要特征是光子局域.于1987年提出:在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格(相当于现在所称的光子晶体)中,光子呈现出很强的 局域.如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷,和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置,一旦其偏离缺陷处光就将迅速衰减.当光子晶体理想无缺陷时,根据其边界条件的周期性要求,不存在光的衰减模式.但是,一旦晶体原有的对称性被破坏,在光子晶体的禁带中央就可能出现频宽极窄的缺陷态（如右图）。光子晶体有点缺陷和线缺陷.在垂直于线缺陷的平面上,光被局域在线缺陷位置,只能沿线缺陷方向传播.点缺陷仿佛是被全反射墙完全包裹起来.利用点缺陷可以将光“俘获”在某一个特定的位置,光就无法从任何一个方向向外传播,这相当于微腔.15 光子晶体中的自发辐射光子晶体中自发辐射简介当原子处于激发态时,如果不受外界影响,它们会自发地回到基态,从而放出光子,我们把这样一过程称为自发辐射过程.自发辐射过程并不是物质的固有性质,而是物质与场相互作用的结果,也就是说它本质上是电磁振荡为零时的受激辐射,即所谓的电磁真空.在自由空间中,自发辐射随时间按指数衰减规律变化,自发辐射的速率遵循规则.自发辐射过程的自发性将导致被发射光子在特性上的随机性.如自发辐射的时间、光子的初位相、光子的传播方向和光子的振动方向等都是随机的,亦即不同原子的自发辐射光子之间,或同一原子不同时刻发射的光子之间都没有任何依赖关系.等人研究发现,在光子晶体中,由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止而形成光的局域态,原子自发辐射所发出的光子就会被限制在原子周围,而不是以光速传播,原子与辐射场之间仍存在能量交换,这样,辐射场对原子进行修饰而形成光子原子束缚态.当原子共振跃迁的频率靠近能隙边缘甚至处于能带中时,由于辐射场中部分能量被限制在原子周围,原子与光子的共振耦合将导致原子能级的分裂,从而出现异常的兰姆位移,使一个能级处于能隙中,而另一能级则离开能隙而进入能带,相应的光子原子束缚态与准缀饰态之间的量子干涉引起能级占据数的准周期性振荡衰减,同时仍有部分稳态原子居于激发态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发辐射具有不同于真空中指数衰减的性质,因此,对光子晶体中原子自发辐射性质的研究,为研制新型的低噪音,高相干性的激发,寻找奇异的光学材料等都具有十分重要的意义.二 一维光子晶体中的带隙 以一维光子晶体结构为例.设有两种相对介电常数(，)的薄层交替构成一维人工周期结构材料,如图1所示,其周期为=+,其中、分别为材料的厚度和材料的厚度. 若一束频率为的光正入射到图1所示的材料中,则电矢量所满足的麦克斯韦方程为: （1）式中:0为介质的平均介电常数,()为扰动介电常数. 在图1所示的周期性介质中,有图1 一维周期性介质材料 (2) 对于图1所示的一维周期性介电结构材料,则(1)式可简化为 （3） 其中介电常数具有周期性，由布洛赫定理,上式的解可写为（5）式中K为布洛赫波矢.由边界条件和介电常数()的周期性可得到:（6）其中：因，所以，当时，（6）式不能成立，表明对应频率的入射光不能在介质中传播， 所有的入射光都被反射回来。类似于固体能带理论中Kronig-Penny模型的分析，可以得到在处能量E发生分裂，形成光不能在介质中传播的区域，即“禁带”，如图2所示。三 光子晶体中的数值计算 计算方法在设计和分析光子晶体时,人们最关心的是它的透射系数随入射波长的变化,这就涉及到分析光子晶体的能隙结构,最早使用的方法是标量波法,虽然它能推算出能带结构,但它不能很好地解释实验现象:面心立方结构的光子晶体具有光子带隙.随后,人们意识到光波是矢量波,它应该满足麦克斯韦方程.因此出现了矢量波法.随着研究的深入,运用的方法也越来越多,它们的核心都是解麦克斯韦方程.其中,介电常数是周期性变化的,且下面介绍几种最常用的计算方法.平面波方法这是在光子晶体能带研究中用得比较早和用得最多的一种方法，主要是将电磁场以平面波的形式展开,何启明等人在预言光子禁带的存在的文章中便是用的这种方法.电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开,可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程,求解本征值便得到传播的光子的本征频率.但是,这种方法有明显的缺点:计算量与平面波的波数有很大关系,几乎正比于所用波数的立方,因此会受到较严格的约束,对某些情况显得无能为力.如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时,需要大量平面波,可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算.如果介电常数不是恒值而是随频率变化,就没有一个确定的本征方程形式,而且有可能在展开中出现发散,导致根本无法求解.转移矩阵方法 由磁场在实空间格点位置展开,将麦克斯韦方程组化成转移矩阵形式,同样变成本征值求解问题.转移矩阵表示一层(面)格点的场强与紧邻的另一层(面)格点场强的关系,它假设在构成的空间中在同一个格点层(面)上有相同的态和相同的频率,这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间.这种方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效,由于转移矩阵小,矩阵元少,计算量较前者大大降低,只与实空间格点数的平方成正比,精确度也非常好.而且还可以计算反射系数及透射系数. 时域法 此方程是解麦克斯韦方程的时域形式。 FDTD(finite-difference-time-domain)时域有限差分法是1966年Yee首先提出的.其基本做法是:将空间沿3个坐标轴分成很多网格单元(x,y,z),用中心有限差分式来表示函数对空间和时间的偏导数,然后带入麦克斯韦方程,再利用边界条件,求出结果.在执行FDTD算法时,随着时间的增长,保证算法的稳定性是一个重要问题,应选择t=min(xmin,ymin,zmin)/2c。最后化为求解矩阵形式的特征方程,这个矩阵是准对角化的,其中只有为数不多的一些非零矩阵元,明显地减少了计算量,节省了计算机内存.但是,有限差分法没有考虑晶格格点的形状,遇到具有特殊形状格点的光子晶体时,要求得精确解就比较困难.阶( )法这是引自电子能带理论的紧束缚近似中的一种方法,是由在1966年提出的时域有限差分法()发展来的.基本思想是:我们从定义的初始时间的一组场强出发,根据布里渊区的边界条件,利用麦克斯韦方程组可以求得场强随时间的变化,从而最终解得系统的能带结构.具体作法:通过傅里叶变换先将麦克斯韦方程组变换到倒空间,用差分形式约简方程组,然后再作傅里叶变换,又将其变换回到实空间,得到一组被简化了的时间域的有限差分方程,这样,原方程可以通过一系列在空间和时间上都离散的格点之间的关系来描述,计算量大大降低,只与组成系统的独立分量的数目成正比.但是在处理局域和光子禁带中的缺陷态等问题时,计算量剧增,这种情况下用转移矩阵方法比较方便.引入缺陷的光子晶体在激光或光学回路中有广泛的应用,计算有单点缺陷、多点缺陷、线缺陷以至表面态的光子晶体能带可以用超元胞法进行平面波展开9,16;当混有多种缺陷时,可采用格林函数法.上述的理论计算方法只是在给定光子晶体的结构组成后才能定量定性地得出准确的结论.虽然我们知道有几个参数(如介电常数比、填充比、晶格结构等)对光子禁带有影响,但“到底是什么物理机制在光子禁带的形成中起了决定作用?”,也就是“怎样从物理上定性、定量或者半定量地分析和设计光子禁带?”尚没有明确的答案.例如,如果要得到一定频率范围的光子禁带,我们该找什么样的光子晶体结构组成呢?由于这方面的研究迄今不过十余年,所以还有大量的工作需要人们去做.四 光子晶体的应用：由光子晶体的能带结构分析可知,光子晶体中存在着光子能隙,正是由于这种光子能隙的出现,能产生许多新奇的物理现象,光子晶体带来了广阔的应用前景.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。普通的平面天线由于衬底的透射等原因,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,能量几乎全部射向空间。这是一种性能非常高的天线,人们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,引起了很大的轰动。低阈值的光子晶体激光器和高性能的光子晶体激光二极 光子晶体的另一个主要优点是在光子带隙内抑制自发辐射.这是由于在光子带隙内不存在允许模式传播,如果把发光介质的空间周期调制到使其自发辐射的频率落入光子带隙中,则自发辐射将被抑制.把这个系统应用到激光器中,当光子晶体的光子带隙频率与激光器工作物质的自发辐射频率一致时,激光器中的自发辐射被抑制,激发态原子的能量将全部转换为激光输出,从而产生所谓的零阈值激光.如果将发光二极管的发光中心用光子晶体包围,并设计成该发光中心的自发辐射频率与光子晶体的光子带隙重合,则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中,而会沿着指定的方向辐射到外面去,这样极大地减小了二极管发光的反射损耗,提高了发光效率.此外,如果再适当破坏光子晶体的周期性或对称性,光子带隙中将出现频率极窄的缺陷态,自发辐射光波频率位于缺陷位置的光子可以毫无损失地从二极管中出射,出射光带宽极小,具有类似激光的良好相干性,并且发光效率也会得到大大提高.实验表明,采用光子晶体包围以后,发光二极管的效率从10%左右提高到90%以上。2001年，报道了一种三维理想的光子激光器（表面发射激光二极管）。在三维光子带隙结构的中央，引入载有光发射激活物质的缺陷层来产生激光。缺陷层对自发辐射的限制只在很小的角度之内，因此，通过将激活区域辐射频率调到缺陷能级，可以使受激发射和自发辐射限制在很小的角度内。图二显示PBGG激光和传统表面发射激光器的输入电流和输出能量的关系。X最近，兰卡报道了通过在InGaAsP上刻蚀而制备的光子晶体激光器，在常温下工作显示了高品质，低阈值的特性。发光体积只有3.9立方微米，当入射的功率仅仅为220微瓦时激光产生，这个功率比其他的量子阱激光器低很多。（注：其中使用两维光子晶体，PPC） 光子晶体滤波器 基于在1987年提出光子晶体的另一主要特征光子局域.在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格中,光子呈现出很强的局域.通过在光子晶体中引入缺陷,使得光子禁带中产生频率极窄的缺陷,一旦其偏离缺陷处光就将迅速衰减,这样可以制造高性能的光子晶体光过滤器,同样利用光子晶体的光子带隙特性,可以实现宽带滤波.金刚石结构的光子晶体的滤波带宽可以做到中心工作频率的20%,而由S.Gupta等人所提出的金属-介质复合型光子晶体可以将从低频(频率接近0)直到红外波段的电磁波完全滤掉. 集成光学展望集成光学的发展对器件提出了严格的要求，包括能高效地传导，调制，检测。理想的器件应有小的体积，并且能和目前的半导体处理技术兼容。光子晶体，结构上有着周期性的介电差，可以在传输特定波长方面可调，所以是满足上面所有要求的最有前景的材料。集成光学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。集成光学光子晶体微腔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优异得多。最近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。这种光子晶体微腔可以用来制作激光器,体积可以非常小。在点缺陷微腔中可以获得高品质因子和极低的模体积，这使得光子晶体对于微腔的量子电动学的研究极有吸引力，并且也可能用于量子信息技术【10】。 光子晶体光纤(英文名字: holey fibres,microstructured fibres, photonic crystal fibres (PCFs),to photonic bandgap (PBG) fibres. )首先从概念上阐述清楚，现在研究热点的光子晶体光纤分为两类，一类是利用折射率差来导波的，其中既有传统的掺杂的光纤，也有最近提出的包层为孔结构光纤（内层为纯硅），第二类是利用空气孔导波，利用的是包层存在光子带隙。光纤具有传输信息量大，低损耗的特性，如今，它的发展却遇到几个难题，一是由于热兼容的原因，内层和外层的折射率差不能足够的大；二是硅芯的非线性的响应制约着光纤的传输。而最近提出的光子晶体由于结构和功能方面的新颖特点极有可能解决这些问题。下图是制备光子晶体光纤的方法示意图。下图是光传导的三种形式，后两种是光子晶体光纤的两种形式。Guiding light. (Top) A hollow capillary refracts light at all angles of incidence. There is no angle at which light can be trapped in the hollow core, so capillaries cannot guide light under any circumstances. (Middle) A hollow-core photonic crystal fiber with an appropriately formed cladding (see scanning electron micrograph on the right) can guide light at angles of incidence where a photonic band gap operates (left), but otherwise refracts like a hollow-core capillary. (Bottom) A solid-core photonic crystal fiber (see scanning electron micrograph on the right) refracts light at steep angles of incidence on the core-cladding boundary (left). When the angle is shallow enough, light is trapped in the core and guided along the fiber.1995年，T. A. Birks首先预言，由于在光子晶体光纤中存在带隙，使得光能在阵列包围的空气孔传输。随后Bath大学的研究人员在实验上证实，在光子晶体光纤中，光可以限制于空的内芯中（很大的空气孔）。在光纤中只有某些波段的光可以被限制并可以传输，这些波段对应外层光子晶体的完全两维带隙。单模真空波导有着很多优点。因为贯穿整个空芯相位保持常数，所以有利于光耦合进入纤芯中。菲涅耳反射在很多光纤器件是需要克服的，当需要从光纤中提取光，调制和放大后在耦合进光纤时，但在真空导波光纤中却是异常的小，因为外部环境和光纤模式之间折射率的跳跃是微乎其微的。另一个和其他光纤相比，显著的优点是很少限制于光波和纤芯之间的相互作用（包括吸收或是非线性）。这将允许传输在传统光纤中不可能的光频和能量级别，也将导致收集拉曼散射，布里渊散射的阈值功率大大提高。另一方面，如果在空芯中充入气体，水蒸气，或低密度的液体，在光波物质之间可能发生很强的相互作用。这也许会用于气体的传感和检测，通过非线性过程生成更多的波长，更多在增强非线性光学中。光纤的窄波段性能表明，它可能在光谱滤波器件中有用。在真空通道中，形成单传输模，这为原子操作和小分子的激光传送提高可能。 目前，对于以来光子带隙的光子晶体光纤来说，结构缺陷导致的光学损耗比较大，目前见到的报道中典型的值为几个db/m，所以在实际商业应用中收到很大限制。但是，在科学研究中却是很有用的。据报道，在空心光纤中，传导的激光束成功实现作为5微米的聚苯乙烯分子的光通道。【4】另外，F.Benabid,J.C.Knight.et【5】在HCPCF中填充氢气，来进行受激拉曼散射（如下图），其中光纤长为一米，芯径为15微米，实验的结果令人振奋，产生散射的泵浦功率比以前任何报道的数值几乎低两个数量级，把基于气体的非线性光学推入了前所未有的高密度和长距离作用的领域，也将可能引起很多以前无法想象的领域。导光的纤芯也可以通过制作高折射系数局域，举个例子，通过在光子微结构中填充硅固体（见上图底部的图案）。这样的光纤传导光的方式类似于全内反射。就我们所知，目前最好实验结构是1.55 m波长处是 1dB/km ， 1.3 m 波长处 2dB/km，而且因为不存在基本的障碍，所以损耗还有可能减小。这种光纤和以前发展的微结构光纤有很多类似的地方，但从光子晶体的角度来设计，会提高比以前光纤更多的优点。硅芯光子晶体光纤，由于外层两维结构的特性，拥有不同于普通光纤的特征。具体来说，有下列的优点；它可以有很大的芯径，这样就能比传统光纤更多的能量，可以存在很多大折射率差，使得像宽频的超连续浦的产生等很多非线性效应成为可能，这也可能导致一种新的高精密光频测量的产生。光子晶体光纤也阻止外面的光进入芯中，这也可能给光纤器件和传感器带来新的机遇。光子晶体超棱镜常规的棱镜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,而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。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。 超棱镜效应是一种特别的色散特性，能用于波长复用、解复用和色散补偿。应用这种效应，波长和入射角微微改变，入射光就会在光子晶体中在很大角度范围中偏转【1】。（如下图）同时我们也考虑光子晶体的出射端，并且忽略相似的光衍射。根据可逆理论，假如入射和出射端平行，那么入射光和出射光轴应该是平行的。相反，入射端和出射端倾斜，那么出现更大的偏转角，（如下图）在超棱镜效应中，某些频率区域，光线表现出负的折射率。【14】下面是理论计算和实验的快照。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。这种光子晶体偏振器具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,很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。光通信器件 根据光子晶体在光纤中产生的物理效应:波导约束光学非线性增强效应、波导约束上转换激光增强效应、分布反馈、光脉冲展宽或压缩、消色散等,已经研究出或者正在研究许多新型光学元器件:长距离光通信光缆、集成光调制器与光开关、光纤探测头、分布式光纤栅传感器、全光纤集成激光器、放大器、全光纤串级拉曼激光器、光纤滤波器、稳频器、光脉冲压缩器等.其中压缩、消色散效应对孤子通信研究的意义尤为重大.由于这方面的进展很快，范围也很广，这里我主要结合我们组的研究方向，光子晶体用于时分复用系统的进展。在ECOC2002上，报道了使用新研发的高非线性系数的光子晶体光纤制作的NOLM（non-linear optical loop mirror）来解复用80Gb/s的时分复用信号，光纤的长度仅仅为50m。而传统光纤的长度要几百米，性能也会收到外界的干扰，例如声波。光子晶体光纤的应用，会使系统更加稳定。 同样在ECOC2002上，有人提出了基于量子点和光子晶体技术的结合来制作超小超快的全光开光（PC-SMZ）。现在利用非线性光物质的对称MZ的开关时间达到ps量级，而且不受非线性物质的载荷寿命限制。进一步，人们希望减小光开关能量（OSE，Optical Switching Energy）. 基于二维的SMZ类型的全光开关，在加上嵌入的量子点光非线性物质，将是很有希望的开关，因为精心设计基于光子晶体缺陷的波导可能减少OSE，进而获得超快超小的光开关。 下图是设计示意。非线性方面的展望：由非线性电容率材料制备的非线性光子晶体的研究工作也正在开展中.已有一些小组在进行非线性光子晶体限幅器、非线性激光器、光脉冲压缩器、光子开关、光波束分裂与合成等方面的工作.目前这一部分工作还处于初始阶段。五 光子晶体制备的实验方法 光子晶体是一种人造微结构，自然界里不存在它的晶格尺寸与光波的波长相当，是普通意义晶体的晶格尺寸的1000倍目前制备光子晶体的方法主要有以下两种，精密加工法 光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当,因此波长越长的光子晶体越易制造,微波波段的光子晶体晶格常量在毫米量级,用机械加工的办法可实现.把直径为毫米量级的介质柱相互平行排成阵列,或者在介质基底上打孔形成相互平行的空气柱列,当微波在平行于圆柱轴线的平面上传播时,就会形成光子带隙.图2Yablonovitch制备光子晶体的示意图最早的二维和三维光子晶体就是这样制作的.第一个具有完全光子带隙的光子晶体结构是E.Yablonovitch研究小组于1991年设计出来的,他们在特殊制备的面心立方晶体结构中,从一定方向观察到了光子带隙的存在,该光子带隙实际是不完全光子带隙.随后,他们用活性离子束依次从3个相差125的方向在介质基底材料上打出近似椭圆圆柱形的空间空洞,消除了空间对称性引起的能级简并,最终得到了真正具有完全光子带隙的三维光子晶体(如图2所示).Yablonovitch得到的光子带隙的位置处在微波波段,能隙中心频率为1.45GHz. 制造更短的亚毫米和远红外波段的光子晶体，需要采用激光刻蚀、电子束刻蚀、反应离子束刻蚀等先进半导体技术利用这些技术，可以较容易地制作二维光子晶体，甚至到红外和可见光波段然而；受目前刻蚀技术及工艺的局限，制造红外和可见光波段的三维光子晶体，仍存在着很大的困难为此，发明了逐层刻蚀、外延生长法利用这种方法，制造出的三维光子晶体已达到远红外波段 由于是以半导体工业成熟的技术为基础，精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法然而其工艺复杂、造价昂贵；并且受现有半导体技术水平的限制，这种方法在制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面存在着很大的挑战胶体法利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组织特性；可以生长可见光、近红外波段的三维光子晶体，胶体晶体 早在六十年代，人们就已经发现，单分散的聚苯乙烯乳胶球在水中能自发排列成面心立方、体心立方等有序结构，人们把这种胶体体系称为胶体晶体由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米量级，它可望成为制备近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效的途径在溶液中，胶体颗粒小球表面带有电荷，在适当的电荷密度和颗粒浓度下，通过静电力相互作用，小球自组织生长成周期性结构，形成胶体晶体在毛细容器中，利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用，生长出BCC和FCC结构的胶体晶体，晶体的密排面平行于器壁表面通过引入外场对胶体颗粒产生作用，也能制备胶体晶体例如，在重力场或离心力场的作用下，能生长较大尺寸的胶体晶体晶体的密排面垂直于重力方向，然而沿着力场方向，密排面的堆积呈无序排列因此，严格意义上讲，此种方法制备的胶体晶体并非真正意义上的晶体多束激光相干在空间形成的周期为光波尺度的干涉光场，通过光对胶粒的作用使处干悬浮液中的高介电常数的微粒陷在光强最强处；从而按相干图形排列微粒，也能形成周期结构的胶体晶体此外，外加电场可以引发胶粒的有序排列的形成胶体晶体，然而用这种方法生长的晶体尺寸通常很小目前巳经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构，因而并不能产生完全光子带隙为了提高介电比，可以将胶体晶体小心脱水，得到紧密堆积的蛋白石结构卜，有助于改善其光学特性。 反蛋白石结构 反蛋白石结构是指低介电系数的小球（通常是空气小球）以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中，此种结构将有望产生完全能隙为此，发展了模板法，即以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板，向小球间隙填充高介电常数的St、Ge、TIO。等材料，然后通过殿烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去，得到三维空间的周期结构利用这种方法；已成功地制备了可见光和近红外波段的光子晶体现在研究的重点和难点主要集中在模版的选择、填充上。总之，反蛋白石法制备光学波段特别是可见光波段的光子晶体有简单、廉价的优点,比较机械和刻蚀制作的光子晶体,也存在尺寸小、机械强度低的缺点.六 问题和展望光子晶体的研究方向：1 理论上设计完全带隙的光予晶体结构2 实验上实现可见光和近红外波段光子晶体的制备3 探讨光子晶体带隙所产生的物理效应及光与物质的相互作用 4开发光子晶体的实际应用最近研究热点和趋势： 现在光子晶体研究重点明显在二维晶体的结构和所能提供的功能方面，三维晶体的研究虽然取得很大的进展，但侧重在制备方面和如何获得无缺陷结构。然而最近的在三维领域的进展，表明人们开始重视这些方面的研究，并且制备了一些功能器件。 现在人们努力开发的功能包括哪些？许多的团体正讨论光子晶体晶格中的光波导问题，主要基于对集成光学在通信中的应用看好，在这方面应用，耗损和有效带宽是基本的关注点。耦合的腔波导具有有趣的色散性质，而耦合的波导和腔由于具备不止一个功能元素，故可以被看作第一代微光路。将光耦合进微光路的问题也得到人们的重视，比如提出和论证了利用光栅耦合器，并且达到相当高的效率。在两维光子晶体中取得更高的品质因子是另一个受人关注的课题，因为这可能在腔量子电动实验和微型激光器中有用。从实际的应用来说，光子晶体光纤收到人们的广泛关注，虽然现在在损耗方面还是比较大，不过人们普遍认为，损耗还可以继续减小。 如今，人们以极大的热情投入光子晶体的理论，制备，器件的研究，可以说，光子晶体概念的提出，给人一种认识光，控制光的新的视角，必将给光子学的各个领域产生深远的影响。参考文献：【1】 Toshihiko Baba,Member,IEEE,and Masanori Nakamaura,Photonic crystal light deflection devices using the superprism effect,IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,2002,38(7):909【2】 Lijun Wu,Michael Mazilu,Tim Karle,and Thomas F.Kraus.Superprism Phenomena in Planer Photonic Crystals. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,2002,38(7):915【3】 T.M.Monro et al,OFC, 1-3 (2002).【4】 F Benabid et al, Proc. CLEO (2002) 48.【5】 F.Benabid,J.C.Kight,G.Antonopoulos,P.St.Russell. Hydrogen-Filled H