光子晶体的特点、制备与应用（哈尔滨工业大学，黑龙江省哈尔滨150090）摘要：光子晶体是20世纪80年代末提出的具有光子能带及能隙的新概念和新材料,由于光子晶体具有光子带隙、光子局域和控制光子态密度等特性, 所以它具有广阔的应用前景。

本文简述了光子晶体的主要特征, 重点介绍了其制备方法、进展以及现有应用和发展前景。

关键词：光子晶体；光子晶体的制备；光子晶体的应用；Characteristics, preparation and application of thephotonic crystalAbstract:Photonic crystal is a new concept and new material with photonic band and energy gap at the end of the 1980 s. Because photonic crystal has the properties of photonic band gap, photon localization and control the photon density of states, it has peculiar properties and vast application prospect. This essay briefly introduce the main features of photonic crystal, emphasis introduce the preparation methods, progress and the existing application and development prospect.Keywords: Photonic crystal, the preparation of photonic crystals,the application of the photonic crystal1引言光子晶体是电介质材料周期性排列形成的人造晶体，电磁波在其中的色散关系可以用类似于表征电子在半导体中运动的能带结构来描述称之为光子带结构。

在光子晶体中可能存在的带隙称之为光子带隙。

人们从各个角度展开了对它的理论和实验研究, 取得了迅速的发展, 尤其是介电常数呈三维周期性排列的光子晶体的理论研究和实验制作更受到高度重视。

[1]由于光子带隙的存在，产生了许多崭新的物理性质, 如光子禁带、光子局域、光的超棱镜效应和负折射效应等, 这些特性使得抑制自发辐射、无阈值激射和直角光波导、镜像折射等都可能在光子晶体中实现, 这无疑开辟了凝聚态物理和量子电动力学新的研究领域由于光子晶体在集成光电子学、量子光学等领域的重要应用前景, 而得到科研人员愈来愈广泛而深入地研究。

2光子晶体的特性在电子晶体中, 由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制作用。

原子的布拉格散射, 在波矢空间中和在布里渊区分界面上,能级发生突变，变得不连续, 离散能级间的间隙称为电子带隙或禁带。

禁带中运动电子不能存在。

[2]类似于电子晶体, 光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用, 所以也会形成光波的带状分布, 出现不连续的光子能带, 能带的间隙称之为光子禁带，在光子禁带中对应频率的光波不能被传播。

光子晶体的另一主要特征是光子局域。

John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中光子呈现出很强的局域，称为Anderson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，一旦其偏离缺陷处就将迅速衰减。

同时，当单色激光束通过胶体晶体组成的光子晶体时, 由于其Bragg 衍射的散射光呈各向异性。

沿着Bragg 衍射锥面传播的光束将被衍射。

这样，在透射谱中存在着暗环，称之为Kossel 线。

另外，在低于光子带隙频率范围，实验中还发现很多比石英等各向异性晶体的双折射大的多双折射现象。

[3]总的来说，奇特的光学效应为光子晶体的应用开辟了广阔的领域。

3光子晶体的制备3.1 二维光子晶体的制备二维光子晶体的制备工艺研究中,镀膜工艺制备一维光子晶体使用最广泛的方法，可以制备出具有完全带隙的结构。

在毫米波至微波波段,二维光子晶体的制备可以使用精密机械加工的方法,而对于远红外至近紫外波段,目前制备技术正处于研发阶段,出现了很多新型的制备方法"，例如:电化学刻蚀法,等离子体化学反应刻蚀法，光子晶体用纳米颗粒的制备改性自组装及其光学性能扫描电镜排列方法等。

研究人员充分利用各种纳米制备技术, 尤其是借鉴成熟的半导体加工工艺技术, 制备工作在可见光区和近红外区的光子晶体。

首先他们利用电子束直写的单点曝光技术在电子胶上定义了二维光子晶体结构图形, 经过显影, 得到在电子胶上的二维图形. 然后利用反应离子束刻蚀技术将图形最终转移到AlGaAs 薄膜上。

[4]这种技术的好处是可以大大节省电子束直写系统定义图形的时间。

图一制备的三维光子晶体的扫描电镜图除了利用电子束直写方法定义光子晶体, 最近也发展了利用深紫外曝光技术来复制二维光子晶体, 再利用反应离子束刻蚀技术将图形转移到光子晶体层的方法。

3.2 三维光子晶体的制备制备方法总结起来有3类：自上而下法，自下而上法和模板辅助法。

自上而下法就是从宏观体相材料出发,用物理或是机械的方法使材料的尺度减小到所需要的纳米或是微米尺度。

自上而下法主要包括机械钻孔法、光刻蚀法和电子束刻蚀法等。

分为钻孔法，层层堆叠法，自复制法，光刻蚀法和倾斜角沉积技术。

自下而上法分为单分散胶体微球自组装法和人工组装法。

单分散胶体微球自组装法：单分散的球形胶体颗粒是组装法得到光子晶体的关键。

相同大小的胶体球颗粒能降低组装过程中产生缺陷的几率,得到规整的胶体晶体,也保证了光子带隙的完整。

人工组装法：指以人为外加电场、力场、磁场等方法使得胶体粒子组装形成有序结构。

静电力作用范围与粒子半径相当,得到由体积分数和电场强度共同决定的三维相图。

模板辅助法的使用，是因为很多时候得到的三维有序周期性结构由于材料的折光指数对比度较小,使得光子带隙过窄或是不能得到完全的光子带隙,不利于光子晶体在实际中的应用。

研究人员通常以这些结构为模板得到其反结构或是填充一些高折光指数的材料以增加材料的折光对比度。

3.3 胶体自组织法制备光子晶体胶体自组织法是指由分散胶体粒子形成的三维有序周期结构，是目前制备光子晶体常用的手段之一。

单分散胶体粒子的稀分散溶液在弱的离子强度情况下, 颗粒间在短程静电作用及长程范德华力作用下可以自发排列形成面心立方和体心立方等有序结构。

蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体, 其独有的颜色由可见光的布拉格衍射产生。

[5]人们认识到利用胶体颗粒自组织制备光子晶体是可行的。

胶体颗粒自组装光子晶体可分为两种: 类蛋白石结构和反蛋白石结构。

进行后续烘烤可以提高材料的介电系数配比, 利用二氧化硅、聚苯乙烯等生长出的胶体晶体作为模板, 再往其空隙中填充高折射率材料的有机或无机材料,多次填充后通过高温煅烧或刻蚀除去模板, 留下反蛋白石三维周期结构。

4 光子晶体的应用由于光子晶体能够控制光在其中的传播，所以自从它诞生以来，科学工作者们就给予了高度关注。

下面介绍几点应用。

4.1 光子晶体光纤激光器双包层掺镜光子晶体光纤基本原理是:内包层采用小占空比的空气微孔点阵,实现纤芯的单模传输,既能够实现较大的模场面积,减小高功率激光传输形成的非线性效应,又能够实现高光束质量的激光输出。

双包层掺镜光子晶体光纤的诞生,可以解决大有效面积与单模传输的矛盾,它可以根据激光器件的要求,设计制造纤芯掺杂浓度高，模场面积大。

内包层数值孔径大,同时维持纤芯单模传输的高要求。

4.2 掺稀土光子晶体光纤为了使毛细管熔体在拉丝过程中能够保持良好的形状,并维持空气孔阵列的形状不变,我们研究出了合适的拉丝温度，进棒速度，拉丝速度，毛细管内压,和外压等。

为了更好地控制空气孔点阵在拉丝过程中的结构,需要建立微结构光纤拉丝精密控制技术,因此选择毛细管内外压力作为调控因子, 通过压力传感器监测预制棒中毛细管系统压力,将监测数据反馈到控制器,控制器根据反馈信息控制质量流量计的动作,从而控制气体的补偿量,从而控制系统的压力,进而控制预制棒的拉丝工艺压力。

4.3 光子晶体高反射镜、滤波器选择几乎无吸收的由介电材料制成的光子晶体, 由于光子禁带效应可以反射从任何方向来的入射光, 理论上几乎为全反射。

[6]设置合适的禁带范围可以使电磁波完全不能透过基底, 能量全部被反射, 由此可大大提高天线的工作效率和性能。

光滤波器是光子技术的基本元件之一, 在光通信和光学信息处理方面有着广泛的应用。

利用金属材料制作的光子晶体在某一频率之下全是禁带区,是理想的高通滤波器。

在由二氧化硅和氮化硅制备的光子晶体结构中引入缺陷可以导致禁带内出现很窄的透射峰, 用来窄带滤波,这种光子晶体窄带滤波器的光波损耗非常小, 而且带阻边缘陡峭度高, 通过对禁带频段还可以发展超窄带多通道滤波, 可广泛用于DWDM通讯系统以及光学精密测量等。

结语光子晶体经过20年的发展,已经取得了丰硕的成果。

光子与电子相比，具有速度快，彼此之间不存在干扰的优点，几乎是个理想完美的载体。

一旦实现以光子替代电子传递信息，则可大大提高信息传输的速度和质量。

光子晶体是新一代光子器件的基础，它的研究会给今后的电子工业和信息产业带来深远影响。

目前国内对光子晶体的研究水平无论是在理论上还是在试验条件上与国外相比都还存在着差距。

但是随着对其研究投入的增加, 相信这种差距可以克服，希望未来的几年光子晶体的研究将会取得更大的进步。

参考文献:[1] 李夏，光子晶体的制备方法及其应用，光学技术，2006年11月，第三十二卷第六期[2] 郭红霞, 范吉军, 赵晓鹏，光子晶体及其制备方法研究进展，功能材料，2003年第一期[3] 倪培根，光子晶体制备技术和应用研究进展，物理学报，2010 年1 月，第59 卷第1 期[4] 李会玲¹王京霞，宋延林，光子晶体的制备与应用研究，自然杂志，31 卷第3 期[5] 丁涛，刘占芳，宋恺，三维光子晶体的制备，化学进展， 2008年9月，第20卷第9期[6] 廖先炳，光子晶体技术——光子晶体光纤，半导体光电，2003 年，第24 卷第2 期。