光子晶体的基本原理

众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。

从晶体结构图中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不能传播。

简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。 光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。如下图所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在，而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。

如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。这对光子晶体来说是一个最重要的特性。而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。

因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。

而如果我们通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器（详见光子晶体应用）。而如果产生了缺陷条纹--即沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着光子导线（即缺陷条纹）传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。理想状态下我们已经实现了一条无任何损耗的光通路。这种光通路甚至比光纤更有效。 近年来，光子晶体得到了越来越多的关注和推崇。科学家们从各个方面来寻求开发应用光子晶体的途径。然而，光子晶体得到广泛应用，还需要解决以下几个问题：

1）制作可以对波长在可见光范围内的光产生BandGap的光子晶体还有很大的困难特备是三维光子晶体（具体内容请参看光子晶体制造方法介绍）。

2）解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题--上文已经提到这种缺陷意义。

3）制作高效率光子传导材料的技术问题。

4）如何将现在的电流和电压加到光子晶体上的问题。晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。该种可调节晶体结构的光子晶体可用来制作体积微小、广泛用於遥距通讯和卫星通讯的远红外激光器，亦有助研究激发态分子的化学反应，对化工生产、药物研制及生物科技都十分重要。

固体物理与光子晶体的联系与区别

固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，而电子波是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。

复享科技光子晶体微区角分辨测量系统

超晶体就是光子晶体

即光子禁带材料,从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们 *** 纵和控制光子的梦想成为可能。

首先说点原理吧，以便讲应用时候你很好理解，这些是我课题论文里面内容：

当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构光子晶体。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。l通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。 而如果沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着“光子导线”（即缺陷条纹）传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。

从原理可以看出，利用光子晶体带隙我们可以控制光，试想一下能控制光是什么概念？

应用：

光子晶体波导：

利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在PBG中形成新的光子态，而在缺陷模周围光子态密度为零。因此，光子晶体波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄漏，基于这种优异的光子局域化特性，可实现光波导的任意弯曲，从而大大减少集成光学器件的体积，实现光路芯片化。

也就是说，弯曲损耗不存在。

光子晶体光纤：类似于单模光纤。

利用光子晶体所具有的光子频率禁带特性，将特定频率的光波强烈地束缚在纤芯内进行传导，光纤弯曲或折叠状态对光波的影响非常小，几乎在所有的传播波长处都能够保持单模运转，且其零色散波长从传统光纤的红外波段移到了可见光波段，可将光通信波段从1.3~1.6um扩展到整个可见光波段。另外，光子晶体光纤具有极强的非线性效应，在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下就可产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光。

光子晶体超棱镜：

光子晶体超棱镜的体积只有常规棱镜的1%左右，但其色散能力比常规棱镜强100~1000倍。对波长相近的光，常规棱镜几乎无法分辨，但光子晶体棱镜却很容易实现。例如，对波长为1.0um和0.9um的两束光，常规棱镜无法将它们分开，但光子晶体超棱镜可将它们分开到60°左右。该特性在光通信信息处理中具有重要的意义。

光子晶体反射镜：

由于光子晶体光子频率禁带范围内不允许光子存在，当一束在此光子频率禁带范围内的光入射到光子晶体中时将被全反射。利用这一原理可以制备高品质的反射镜。特别是在短波长区域，金属对光波的损耗很大，而介质对光波的吸收损耗非常小，因此，介质材料光子晶体反射镜具有极小的损耗。另外，由于金属反射镜对光波的吸收集中于极薄的表层内，这使表层温度很高，容易造成金属反射镜表层变形，使其质量严重下降。光子晶体反射镜对光波的吸收分布在较大的体积内，光子晶体反射面的温度比金属反射面的温度要低得多，这使光子晶体反射镜的表面不容易烧坏。

当然还有光子晶体微带天线等。就不一一赘述了，我想楼主应该大致了解它的应用了吧。

---