光子晶体

来源：中科院物理所

光子晶体是近年来科学与技术方面的一个新成果，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。

为了明白光子晶体是什么，我们先简单介绍一下晶体。

晶体是由大量微观物质单元（原子、离子、分子等）按一定规则有序排列的周期性结构。晶体在日常生活中经常遇到，如食盐就是氯化钠晶体，雪花也是晶体，而且具有多种不同的形状。

人们非常熟悉且每天都离不开的半导体也是晶体。我们熟知的高性能芯片就是大规模、超大规模的半导体集成电路。半导体能够具有重要的应用价值，是因为半导体这种晶体具有电子的禁带、导带。科学家利用电子的能带结构对电子进行精确的控制。但由于电子是带电的，相邻电子之间有相互作用，这给控制电子带来了困难。尤其是当结构的尺寸非常小时，精确地控制电子变得极为困难。这使得进一步提高芯片的性能也变得极为困难。即存在量子极限的限制。

如何进一步提高芯片的性能呢？这时，人们想到了光子。光子不带电，光子之间没有相互作用。控制光子比控制电子更简单。因此，通过控制光子，可以更容易突破量子极限，从而进一步提高芯片的性能。如何才能精确地控制光子呢？人们发现，如果传导光的材料具有晶体一样的结构，那么，这种材料也会具有光子的禁带、导带。这不就是传导光的晶体吗！光子晶体就这样产生了。人们还发现，可以把在半导体中很多控制电子的现成的方法和技术用到对光子的控制上来。

半导体是带电离子的周期性晶体结构，电子的行为受到周期性的约束和影响。而材料对光传播特性的影响只能通过折射率（介电常数）来实现。因此，光子晶体一定是折射率（介电常数）在空间的周期性排列，以使光子受到周期性的约束和影响。折射率的周期分布可以是一维、二维或三维的，它们分别对应于一维、二维和三维光子晶体。

光子晶体具有光子能带结构。有的能带禁止某些频率的光在其中传播，这些频率（颜色）的光不能在这个带中存在，这就是光子禁带。有的能带允许某些频率的光在其中传播，对于这些频率的光这个能带就是光子的导带。

当光子晶体被白光照射时，其能带对某些频率的光是导带，这些频率的光可以进入材料并在其中传播。而对其他某些频率的光来说，这个能带是禁带，这些频率的光不能进入材料而被完全反射出来。因此，材料就会呈现出不同的色彩。自然界中很多东西有鲜艳的彩色，这其实就与光子晶体有密切关系。如：南美洲有些蝴蝶的翅膀呈现出美丽的色彩，有的蜥蜴类动物也有非常漂亮的颜色，产于澳洲的蛋白石也具有鲜艳的色彩，等等。

蝴蝶翅膀的颜色及其结构

漂亮的蜥蜴类动物

产于澳洲的蛋白石的鲜艳色彩

光子晶体的概念是美国的E. Yablonovitch和加拿大的S.John在1987年提出的。Yablonovitch的研究是为了降低雷达的电力消耗，以及提高雷达的隐身性能。而S.John的工作是光子局域，即，将光子限制在空间的某个范围内。他们的研究目标完全不同，但却分别提出了相同的新概念。他们的文章于1987年在美国《物理评论快报》上先后发表。两人原来并不认识，看到对方的文章后，两人互相联系，决定见一次面。在这次见面中，他们讨论了这个新概念的意义，及今后的进一步研究方向。正是在这次见面会上，经过协商，他们共同为这个新生事物起了一个崭新而响亮的名字—光子晶体（Photonic Crystal）。

光子晶体的概念提出后，引起了全世界科学家的极大兴趣和高度重视。一个光子晶体的研究热潮在世界范围内兴起。

既然光子晶体的最大特点是光子的能带结构，人们自然希望光从各个方向照射时都存在禁带，而不是只在一个方向照射才有禁带，这就是全空间禁带。人们还希望禁带能够宽一些。人们发现，半导体研究中的很多技术可以用到光子晶体中来。纯净的半导体不好用，按照理论设计掺入杂质（掺杂），半导体的性能明显提高。于是，人们就把掺杂技术引入到光子晶体的研究中来，从而大大改善了光子晶体的特性。科学家们在光子晶体研究中，还把一定程度上破坏微观对称性，增加某些宏观的旋转对称性这些半导体研究中的方法移植过来，都获得了非常好的效果。

可以有多种方法制作光子晶体，如物理学中的分子束外延，光刻，离子束刻蚀，晶体生长，光学全息，化学中的自组装等技术。

光子晶体已经在越来越多的领域内得到了应用。光子晶体已经被广泛用于生物成像、光谱学、人脸识别、激光雷达、虚拟现实等众多领域。而到目前为止，光子晶体最成功的应用莫过于光子晶体光纤。通过特殊的设计，用光子晶体材料做成光纤，这个光纤的中心对于通讯频率的光具有导带，光可以在芯中自由传播。而芯的周围对于通讯频率的光却是禁带，不允许这个频率的光存在。因此，光在光纤的芯中传播时没有任何损耗，且不会跑到芯的外部。这使得光纤的性能大幅度提高。光子晶体光纤还具有其他突出的优良性能，因涉及较多的专业知识，这里不详细论述了。最近比较热门的有关隐身衣的研究也要用到光子晶体材料。

在固态物理中，与光子相对应的是频率更低的声子。由此，科学家们把光子晶体引申到声子晶体。而声子的频率更低，波长更长，声子晶体也更容易制作。因此，声子晶体的研究与应用也得到了快速的发展，成为继光子晶体后的一个重要发展方向。

正如前面所述，由于光子之间没有相互作用，对光子可以实现比电子更精确的控制，因此更容易突破量子限制，从而使基于光子晶体的芯片性能能够比现在的半导体芯片有较大的提高。这将为未来的光计算、光学逻辑，光开关，光信息技术领域的发展提供了新的技术基础。