摘要 :本文闡述了光子晶體(ti) 的基本原理，在光子晶體(ti) 中是由光的折射率指數的周期性變化產(chan) 生了光子帶隙結構，從(cong) 而由光子帶隙結構控製著光在光子晶體(ti) 中的運動。還介紹了一些光子晶體(ti) 的製作方法和應用前景，光子晶體(ti) 的製備方法很多，這裏簡單介紹了半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 加工技術、鑽孔法、嵌段聚合物自組法、單分散的顆粒堆積法、亞(ya) 微米尺度上的三維全息光刻。光子晶體(ti) 有著良好的應用前景，是新科技時代的主導者，關(guan) 於(yu) 光子晶體(ti) 的應用，本文例舉(ju) 了高能性反射鏡、光子晶體(ti) 波導、光子晶體(ti) 微腔、光子晶體(ti) 光纖、光子晶體(ti) 超棱鏡、光子晶體(ti) 偏振蕩。其實，光子晶體(ti) 的應用遠不止這些，有關(guan) 其他的應用本文點到為(wei) 止，不作詳細介紹。最後，指出了光子晶體(ti) 在發展過程中存在的一些問題。

關(guan) 鍵詞：光子晶體(ti) ，光子能帶，光子帶隙，蛋白石結構

引言

光子晶體(ti) 是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得異常迅猛的發展，是一門正在蓬勃發展的有前途的新學科。光子晶體(ti) 不僅(jin) 具有理論價(jia) 值，更具有非常廣闊的應用前景，這個(ge) 領域已經成為(wei) 國際學術界的研究熱點。光子代替電子作為(wei) 信息的載體(ti) 是長期以來人們(men) 的一個(ge) 共識，因為(wei) 光子技術具有高傳(chuan) 輸速度、高密度及高容錯性等優(you) 點。然而，由於(yu) 子不像電子一樣易於(yu) 控製，長期以來，光信息技術僅(jin) 僅(jin) 在信息傳(chuan) 輸(光通信)中得到應用，而且是最基本的信息功能。而信息處理的核心部分則依然依賴微電子技術。

　　光子晶體(ti) 的出現，使人們(men) 操縱和控製光子的夢想成為(wei) 可能。光子晶體(ti) 和半導體(ti) 在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們(men) 可以通過設計和製造光子晶體(ti) 及其器件，達到控製光子運動的目的。

　　迄今為(wei) 止，已有多種基於(yu) 光子晶體(ti) 的全新光子學器件被相繼提出，包括無閾值的激光器，無損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質因子的光學微腔，低驅動能量的非線性開關(guan) 和放大器，波長分辨率極高而體(ti) 積極小的超棱鏡，具有色散補償(chang) 作用的光子晶體(ti) 光纖，以及提高效率的發光二極管等。光子晶體(ti) 的出現使信息處理技術的“全光子化”和光子技術的微型化與(yu) 集成化成為(wei) 可能，它可能在未來導致信息技術的一次革命，其影響可能與(yu) 當年半導體(ti) 技術相提並論。

一、光子晶體(ti) 基本原理

很多的研究都是起源於(yu) 對自然界不同領域存在類似現象的假設開始的。因為(wei) 宇宙萬(wan) 物遵循著相同的規律，即使外表再怎樣的千變萬(wan) 化，而內(nei) 在的規則卻是有著高度一致性。這正是宇宙的神奇之處，也是人類難解的秘密。光子晶體(ti) 的產(chan) 生亦是如此，它是科學家們(men) 在假設光子也可以具有類似於(yu) 電子在普通晶體(ti) 中傳(chuan) 播的規律的基礎上發展出來的。

　　從(cong) 晶體(ti) 結構圖中，我們(men) 可以看出晶體(ti) 內(nei) 部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢場的存在，使得運動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從(cong) 而形成能帶結構，帶與(yu) 帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無法繼續傳(chuan) 播。其實，不論是電磁波，還是其它波如光波等，隻要受到周期性調製，都有能帶結構，也都有可能出現帶隙。而能量落在帶隙中的波同樣不能傳(chuan) 播[1]。

　　簡言之，半導體(ti) 中離子的周期性排列產(chan) 生了能帶結構，而能帶又控製著載流子（半導體(ti) 中的電子或者空穴）在半導體(ti) 中的運動[1]。相似的，在光子晶體(ti) 中是由光的折射率指數的周期性變化產(chan) 生了光帶隙結構，從(cong) 而由光帶隙結構控製著光在光子晶體(ti) 中的運動。

　　光子晶體(ti) 的結構可以這樣理解，正如半導體(ti) 材料在晶格結點（各個(ge) 原子所在位點）周期性的出現離子一樣，光子晶體(ti) 是在高折射率材料的某些位置周期性的出現低折射率（如人工造成的空氣空穴）的材料。如圖1所示的光子晶體(ti) 材料從(cong) 一維到三維的結構，可以明顯看出周期性的存在，而且三維光子晶體(ti) 的結構圖與(yu) 普通的矽晶體(ti) 單從(cong) 結構是很相似的[2]。高低折射率的材料交替排列形成周期性結構就可以產(chan) 生光子晶體(ti) 帶隙（Band Gap，類似於(yu) 半導體(ti) 中的禁帶）。而周期排列的低折射率位點的之間的距離大小不同，導致了一定距離大小的光子晶體(ti) 隻對一定頻率的光波產(chan) 生能帶效應[3]。也就是隻有某種頻率的光才會(hui) 在某種周期距離一定的光子晶體(ti) 中被完全禁止傳(chuan) 播。#p#分頁標題#e#

　　如果隻在一個(ge) 方向上存在周期性結構，那麽(me) 光子帶隙隻能出現在這個(ge) 方向。如果在三個(ge) 方向上都存在周期結構，那麽(me) 可以出現全方位的光子帶隙，特定頻率的光進入光子晶體(ti) 後將在各個(ge) 方向都禁止傳(chuan) 播。這對光子晶體(ti) 來說是一個(ge) 最重要的特性。而且實際上，這種三維光子晶體(ti) 也是最先被製造出來的。例如，如果我們(men) 考慮引入一種光輻射層，該層產(chan) 生的光和光子晶體(ti) 中的光子帶隙頻率相同，那麽(me) 由於(yu) 光的頻率和帶隙一致則禁止光出現在該帶隙中這個(ge) 原則就可以避免光輻射的產(chan) 生[4]。這就使我們(men) 可以控製以前不可避免的自發輻射。

二、光子晶體(ti) 的製備方法

針對光子晶體(ti) 特殊的結構要求，在實驗室當中我們(men) 主要采取以下幾種方法：

1、半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 的加工技術。由於(yu) Si以及SiO2的加工工藝已經很成熟了，而Si的折射率又比較高，所以利用他們(men) 來製備光子晶體(ti) 是理所當然的。如有小組在刻蝕成條狀的Si波導上用反應離子刻蝕的方法刻上了等間距的空洞，這就是一維光子晶體(ti) 。如果控製刻蝕的區域，同樣可以得到在Si基底上規則排列的空洞列陣，這也就是前麵提到的二維光子晶體(ti) 。利用紫外光、電子束或者X光，在Si基底上進行光刻，留出數道彼此平行的Si長條，然後利用火焰水解等方法將Si條之間的區域用SiO2填充滿，再用多晶Si澱積的辦法在已刻好的一層上鋪上一層Si，以便刻蝕與(yu) 下麵垂直的第二層。待達到所需的層數之後，便可腐蝕掉SiO2，得到的就是Si組成的“木柴垛結構”的三維光子晶體(ti) （如圖2）的優(you) 點是可以與(yu) 現有的半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 的技術方便地結合起來，便於(yu) 生產(chan) 。缺點是成本依然太高，到現在為(wei) 止還不能大規模生產(chan) ，用作實驗研究過於(yu) 昂貴。