（同济大学波耳固体物理研究所）

人类经过一个世纪的研究发展，电子学进入到微电子学阶段，电话、电视、电子计算机已成为现代生活不可缺少的组成部分。电子学的工作载体是电子，由于电子具有静止质量以及电子之间的库仑相互作用力，近代微电子技术的进一步发展在速度、容量和空间相容性方面受到了限制，与电子相比较，光子是以光速运动的微观粒子，它的静止质量为零而且具有很好的空间相容性。因此，以光子作为信息及能量的载体有着巨大的优越性：电子器件的响应时间一般为10-9秒，而光子器件可达10-12~10-15秒；光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，在光计算中可以大大提高信息处理能力。目前光子学作为一门新兴的学科正在受到国内外学术界的广泛重视，许多发达国家把它作为重点发展的学科领域，现代微电子学的基础是电子能带及能隙结构，它是电子作为一种波在凝聚态物质中传播的结果。光子和电子一样具有波动性，从波的共性出发人们会自然地问这样一个问题：是否存在一种材料，光子作为一种波在其中传播也会产生光子能带及能隙。近年来，大量的实验及理论表明，确实存在这样一类材料，光子在其中运动会产生光子能带及能隙。我们将这类材料称为光子晶体。最近，国外一些研究小组开始把光子晶体应用到器件的制作中。可以预言，就像半导体之对于电子学一样，光子晶体将会在光子学和光电子学的发展中，发挥重要的作用，甚至具有某种革命性的意义。

人们对固体中电子运动状态的认识，主要建立在固体能带理论的基础上。电子能带理论很好地描述了电子的一些特征，电子能带和能隙解释了晶体中的许多物理特性。现在我们已经知道，在晶体中电子能带的形成来源于原子轨道的交叠和简并性。那么对于光子晶体是否存在与电子晶体相似的特性呢？电子在周期性排列的晶格中运动形成电子能带、能隙。类似的理论分析表明光子在按周期性排列的介质中也将会形成光子能带和光子能隙。频率落在光子能隙中的光不能在晶体中传播，而是被全部反射出去。但是光子能隙与电子能隙又有不同，光子是矢量波，有方向性。E. Yablonovitch对光子晶体进行了大量的实验研究，但他一直未能发现光子能隙的存在。直到1991年，他在特殊制备的面心立方结构的晶体中，从一定方向上观察到光子能隙的存在，我们称它为不完全能隙光子晶体。Yablonovitch通过改进样品加工方法，消除面心结构所带来的能带简并，最终得到了真正具有完全能隙的三维光子晶体。他的样品加工方法是利用数控机床，按一定的周期及对称性要求在介质材料上钻孔。由于机械加工方法的限制，Yablonovitch所得到的光子能隙处于微波波段。能隙的中心频率为14.5 GHz。目前还未能制备出真正的可见光波段的光子晶体，许多研究小组提出了各种新的设计思想，最近已把最高频率提高了500 GHz左右，相信以后能把能隙中心频率做到更高。

光子晶体的发现是电磁波领域的一项革命性突破。就像电子能带结构对近代微电子学所起的关键性作用一样，随着人们对光子能带结构认识的不断深入，光子晶体的应用领域将会被不断地开拓出来。下面我们将简单谈谈光子晶体的应用。

一、完整光子晶体的应用

完整光子晶体的第一个实际应用是在微波天线领域。偶极平面微波天线在军事及民用方面具有很大的应用范围，然而，由于传统的方法是将偶极平面天线直接制备在介质基底上,由于大量的能量被天线的基底所吸收，因而效率很低。例如,对于一般用GaAs介质作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底中，只有2%的能量被发射出去，同时造成基底的发热。光子晶体的发现，给此领域带来了福音。如针对某微波频段可设计出所需的光子晶体，并以此作为天线的基片。那么当发射微波时，由于此微波波段落在光子晶体的禁带中，因此微波不可能被基底所吸收，实现了无损耗的全反射，把能量全部发射到空中。第一个以光子晶体为基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功。

完整光子晶体的另一个应用领域是微波谐振腔。通常的金属谐振腔有很好的反射性，但电磁波频率越高，金属谐振腔的损耗就越大，P. Carr用光子晶体做成谐振腔，在500 GHz下测得谐振腔温度为300 K时，具有高达10000的品质因子，在4.2 K时品质因子达到109量级，这是因为光子晶体的禁带导致全反射造成腔体损耗很小。

对于自由空间，在符合能量-动量守恒的条件下，某一能级上的原子能向空同辐射任意模式的能量。如果原子自发辐射产生的电磁波频率正好落在光子能隙中，由于光子晶体在禁带频段具有全反射的特征，因此这种自发辐射便完全禁戒。即使使用不完全能瞭的光子晶体，亦可使自发辐射的速率发生变化。由于光子晶体抑制了自发辐射，可以想象这将对新型光子器件的研制有深远意义。

上面提到由于电磁波落在光子晶体的禁带中引起了全反射，带来了许多新的应用可能性。如果使感兴趣的频率处在能隙的边缘，因为该处光的能量传输速度接近于零，所以可以用来制作高效的光延迟线。光子能隙不仅与频率有关，而且还与偏振方向有关，从而可以制作偏振器。当然光子晶体还有许多其他应用，这里就不再一一列举。

二、“掺杂”光子晶体的应用

完全光子晶体在禁戒频率范围内没有允许的电磁政模式。然而我们知道对于电子晶体，许多应用都来源于杂质在晶体中引起新的能级而产生的现象，如掺入五价原子引入施主能级，掺入三价原子引入受主能级。与电子的情形相类似，在光子晶体中亦可产生缺陷，即进行掺杂，因而在光子能隙中引入新的电磁波模式。如用高介电材料部分代替低介电材料，那么将产生施主能级，相反把部分高介电材料挖去用低介电材料代替，可得到受主能级。但是与半导体有所区别，在带隙中存在跃迁频率的原子并不能表现出光的自发辐射，因为被释放的光子将在原子附近形成束缚态，这已得到了初步的实验证实。

光子晶体最有意义的应用，可能就是用掺杂光子晶体来制作具有高效的、零阈值的激光器。一般激光器进入激光模式的光子数与发射光子总数的比值β的典型值为10-5到10-6，显然效率很低。那么是否可能使激光器的β值提高到1左右呢？掺杂光子晶体提供了一条可能的途径。光子晶体通过“掺杂”使得在禁带中形成杂质多个能级，光子在能级间跃迁发射单一模式的光。因此发光二极管发出光子晶体所能通过频率的光，通过光子晶体后都进入单一的电磁波模式，具有很好的单色性及方向性。那么单模发光二极管就成了高效（β=1）、零阈值的激光源。在高β激光器中，电子与辐射光子强耦合，在高质量金属薄膜电阻上引起非常小的散粒（效应）噪声，产生所谓的“压缩光”，可以用来传送超低噪音信号。因此利用掺杂光子晶体可以制成高效的激光器。

另外，利用杂质能带还可制成滤波器、频率稳定器、温度传感器、光子开关、电压稳定器等。

到目前为止，国际上许多著名大学、实验室以及军事部门，都投入了大量的人力、物力，进行光子晶体的制备以及各类应用研究。我们相信，在不久的将来，光子晶体将产生许多新的应用，世界可能再一次发生巨大的变化。