光子晶体：光信息时代的“半导体”

光子晶体：光信息时代的“半导体”电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限，以光子代

替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，近年来，我国科

学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究

成果。我国可以将发展新一代集成电路技术与光子晶体技术统筹规划，

实现微电子技术向光子技术的顺利过渡。

光子技术带来信息革命

信息技术是信息化社会的主要技术支撑。目前信息技术的核心是

建立在半导体材料基础之上的微电子技术。由于强烈的需求，微电子

技术以惊人的速度发展。根据“摩尔定律”，半导体元件的集成度以

每18个月翻一番的速度发展，电子和微电子技术正在走向物理上和技

术上的极限(如速度极限、密度极限)，这些不可逾越的技术极限对信

息技术的进一步发展提出了重大挑战。

以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，因

为光子技术具有高传输速度、高密度及高容错性等优点。然而，由于

光子不像电子一样易于控制，长期以来，光信息技术仅仅在信息传输

(光通信)中得到应用，而且是最基本的信息功能。而信息处理的核心

部分则依然依赖微电子技术。

光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的

梦想成为可能。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有

周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函

数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波——

—当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调

制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带

隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和

半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通

过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。

迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，

包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光

学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积

极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的

发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光

子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一

次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。

实现微电子向光子技术顺利过渡

光子禁带理论自1987年被美国科学家提出后，立即引起了美国等

西方国家学术界、产业界和军界的密切关注，各国政府机构和一些跨

国公司纷纷投入开展有关的理论、材料和器件的研究工作。据不完全

统计，与光子晶体有关的技术专利目前已达上千余项。国外一些大公

司已开发出了多种光子晶体器件产品，其中光子晶体光纤等产品已进

入了产业化阶段。

光子晶体的出现，为信息技术新的飞跃提供了一次历史性的机遇。

正如20世纪中叶半导体的发现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响

一样，光子晶体的研究、开发和应用可能为未来若干年世界经济的发

展提供一个新的生长点。

近年来，我国政府和科技界对光子晶体的研究也给予了相当的重

视，光子晶体研究先后得到了国家“973计划”和“863计划”的支持，

我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目

的研究成果，如复旦大学资剑教授课题组首次发现的孔雀羽毛中的光

子带隙结构，中国科学院物理研究所张道中教授提出的准晶结构光子

晶体，以及我们首次提出的基于铁电陶瓷相变和电光效应的可调带隙

光子晶体等均在国际同行中产生了一定的影响。然而，作为一类有重

大应用背景的材料，仅仅停留在学术研究方面是远远不够的。吸取我

国半导体工业发展的经验与教训，我们应该尽早将支持重点转向相关

材料与器件的应用开发上。由于光子晶体的制备需要实现纳米-亚微

米尺度的有序结构，其设备价格非常昂贵，因此相关的加工技术将成

为相关产业的瓶颈。

目前，国外一些大企业正在试图将已有的半导体集成电路工艺用

于光子晶体材料和器件的制造。目前我国大规模集成电路产业正处于

迅速增长阶段，从技术战略上考虑，可以将发展新一代