近两年光子晶体研究的进展许文贞 vincent.xu.chn@光子晶体以及光子能带结构等概念早在1987年分别由E. Yablonovitch和S. John分别独立地提出，并且在随后的1990年和1991年分别实现了理论预言和成功实验制备第一个有完整光子带隙的光子三维晶体，发展至今光子晶体在理论、实验和应用研究方面取得了很大的进展。

光子晶体（Photonic Crystals）是一种介电常数（或折射率）周期性排列的有序结构物质，也即一种在高折射率材料的某些位置周期性出现低折射率的材料。

其最根本的特征是正由于那些周期性的折射率结构产生了光子禁带，因此频率处于禁带内的光子将无法传播，就像半导体材料中的电子在周期性势场作用下形成能带结构，因此光子晶体实现了对光子的控制。

光子晶体的应用主要是基于它的两个基本特性：抑制自发辐射和光子局域态。

正由于光子晶体的这两个优势，而且光子与电子相比具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度、更强的互连能力和并行能力、更大的存储量、更低的能量损耗，所以，在半导体器件的进一步小型化和在减小能耗下提高运行速度成为难题后，人们提出了用光子作为信息载体替代电子的设想。

因此当今有关光子晶体的研究得到了广泛的关注，它在零阈值激光器、光波导、发光二极管、偏振片、滤波器等方面显示了巨大的应用价值。

发展至今，光子晶体这研究领域中比较热门的方向有三维光子晶体及薄膜的制备技术、可调光子晶体、光子晶体光纤、纳米光子晶体、磁性光子晶体等。

本文主要集中在对三维光子晶体、光子晶体光纤两方面近两年来进展的介绍。

1. 三维光子晶体光子晶体根据能隙空间分布的特点可分为一维(1D)光子晶体、二维(2D) 光子晶体和三维(3D) 光子晶体。

光子晶体是一种人造晶体，自然界里几乎不存在。

蛋白石是迄今为止发现的唯一的天然光子晶体，它是属于三维光子晶体。

而且三维光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，因此三维光子晶体具有更普遍的实用性，占据了光子晶体研究中很大的份额。

由于天然光子晶体的稀缺，因此在光子晶体的研究中光子晶体的制备是主要的，而且是最难的一方面。

因为对于光子晶体来说，光在晶体中的传输就要求晶体的周期性晶格尺寸达到亚微米量级，因此这给了晶体制备带来了很大的难题，尤其是近红外到可见光波段的三维光子晶体的制备。

目前，一般三维光子晶体的制备的一种简单切实可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备胶体晶体。

这种方法的制备可通过以下几种途径组装制备(4)：重力场下的组装、垂直沉降法、离心力场下的组装、电场下的组装、模板法等。

但是这种晶体生成方法主要还是生成简单媒质简单周期的光子晶体。

经过多年的研究，光子晶体制备技术上以器件化为指导，逐步由简单媒质简单周期向复杂媒质复合周期结构方向发展，由胶体模板自组装等纯化学制备手段向物理化学方法相融合的多元技术扩展，而且应用领域也不断扩宽，由光电子器件、集成光路进一步拓展到光电对抗、光学探测、传感等。

简单周期结构的光子晶体已经无法满足需求后，目前在复合周期结构或者其他结构的光子晶体研究最有代表性的四种是：复合式结构、缺陷结构、金刚石结构、木堆结构等。

（1）复合周期结构是一种多周期叠加的多层新型三维光子晶体结构。

2006年新加坡国立大学的Qingfen Yan 等采用水平分段自组装的方法成功制备出了560nm 有机聚苯乙烯胶体小球和386nm 无机二氧化硅小球组合的双层复合周期结构。

（2）在缺陷结构中，在光子晶体的许多应用领域，仅具有三维光子晶体的周期结构是没有任何意义的，需要引入一些缺陷实现共振腔、选频器、辐射及调节禁带特性等功能，尤其是在调制自发辐射方面作用突出。

日本Kyoto 大学2006年通过两个半结构拼接完成了木堆结构中线缺陷的制备，图1所示，该结构可满足光子晶体波导的应用要求。

我国的国防科大光子晶体研究小组也已经完成了三维Si 反Opal 结构中直角半波导的制备，而且该项目一直在进行中。

（3）金刚石结构的光子晶体的制备目前主要是依靠微观尺度的干涉全息技术实现的，效果图见图2。

我国的中山大学2005年采用四束光干涉全息技术成功地制备出了类金刚石结构适用于19GHz 微波波段的SiO 2TiO 2陶瓷金刚石结构也由日本Osaka 大学通过全息技术及后期填充烧结制备完成。

（4）木堆结构的制备研究开展得很早，但之前只能借助半导体刻蚀技术分层叠加实现。

Ozin 小组于2006年利用激光直写在As 2S 3玻璃上一次成型具有完全带隙的木堆结构三维光子晶体。

综上所述，光子晶体的出现是电磁波领域一个重大突破，其独特的光禁带引起的新现象将促进光子学和光子产业的发展，如同半导体材料的发展极大地推动了电子学和电子产业的发展。

由于光子晶体的发展历史还不长，因此在深入理论研究的基础上，探索新材料和新的简单可行的制备方法是今后研究光子晶体的重要方向之一。

2. 光子晶体光纤1991年，Russell 等提出，如果在二维光子晶体(PC) 中引入线形缺陷，将会使某些频率的光可以受限于线型缺陷中，从而达到传导光的目的。

于是，他们开始对光子晶体光纤(PCFs)进行研究，直到1996年才拉制出首根光子晶体光纤，一些光子晶体光纤光学或SEM 图见图3。

光子晶体光纤导光机制与传统光纤的图1 木堆结构中线缺陷的光子晶体 图2 干涉全息技术制备金刚石结构晶体效果图(1)全内反射导光机制类似，不过光子晶体光纤具有无截止单模传输的特性，而且这种特性并不依赖于包层孔的周期排布。

随后光子晶体光纤的发展迅速，1998年，出现了第一根依靠光子带隙原理而非传统的全反射原理导光的光子晶体光纤，1999年第一根可以在空气芯中传导光的带隙光纤的拉制成功，并将将光子晶体和光子带隙的概念引入光纤光学，使得光纤光学的内容发生了质的变化。

从第一根光子晶体光纤拉制成功至今已经有十年多年，光子晶体光纤也从最初讨论其模式特性的理论分析阶段，开始转向理论研究，而且正由于带隙型光子晶体光纤的独特结构和导模机制以及种种优良特性，给它在光纤通信、气体传感与检测、医学，非线性光学等方面提供了广阔的应用前景。

按照不同的导光机制，射率引导型光子晶体光纤和光子带隙光纤。

折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤的全内反射机制类似。

通过在包层中引入空气孔，降低包层的有效折射率n clad，使得纤芯折射率n core大于包层折射率n clad，其模式折射率n mode满足n core>n mode>n clad。

光子带隙光纤的纤芯折射率n core小于包层等效折射率n clad，不再满足全内反射的条件，但是由于光纤的包层为二维光子图3 一些光子晶体实物图晶体，频率处于光子带隙内的光不能在包层中传播，所以这些频率的光耦合进纤芯后，将被限制在纤芯中，无法泄露出去，从而达到传导光的目的。

1996年，第一根光子晶体光纤是由南安普敦大学的J.C.Knight 等制备出来的见图 3 (a)。

折射率引导型光子晶体光纤的优异特性，使其在科研和生产许多方面都表现出重要的应用价值。

在1999~2001年期间，科研工作者就折射率引导型光子晶体光纤在非线性光学、生物医学、光纤通信、光器件、激光器和放大器光纤传感等方面的应用作了探索。

2002年至今，如何提升基于光子晶体光纤的各种应用和器件的性。

第一根依靠光子带隙原理导光的光纤出现于1998年，其端面如图3 (e)。

通过实验，PaulineRigby等发现光能量主要是集中于芯区附近的石英中，并非在中心的空气孔中。

目前带隙光子晶体光纤在大功率激光的传输、粒子传输、孤子压缩、传感与检测等热门领域中发挥着巨大的作用，而且在这些领域中也实现了很大的技术突破。

带隙型光子晶体光纤的特殊结构带来的特性，在光纤通信、激光加工、激光医疗、和传感器等方面有广泛的应用前景但目前需要做的工作还很多。

如改进制备工艺。

进一步降低传输损耗。

增加拉制长度，降低器件耦合损耗等只有解决这些问题，带隙型光子晶体光纤才能真正发挥其优越的特性，并在其它领域得以更广泛的应用。

光子晶体光纤的奇异特性是一些传统光纤所没有的。

作为传光介质，在光子带隙中传输信息，具有超低损耗、超低非线性、超低色散，是未来光通信的理想材料。

这些性质，同样为生命科学、精细测量技术等带来美好前景。

作为光纤元件，通过对光子晶体光纤的优化设计，还能够制造全新特性的光纤激光器，如超大功率激光器、超快激光器系统等; 还能够制造成光纤放大器、光纤振荡器、波长转换器、光纤光栅、偏振保持器等。

总之，可以制造出现有分立激光系统，通信系统中的所有器件，而且能够实现集成化、超小型化、现代化。

作为特殊载体，不远的将来，可在空芯光子晶体光纤中实现纳米结构光子学研究，实现纳米制造、纳米组装、纳米成型，制备出一系列纳米半导体材料和系统集成。

总之，光子晶体光纤不是孤立的材料和元件，它对信息技术、生命科学、新材料的研究具有重大的推动作用。

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