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相關(guān)專題：
－光子晶體及其在光通信中的應(yīng)用
仇英輝
北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院， 北京，100876
摘要：光子晶體材料的介電系數(shù)在空間呈周期分布，這種材料存在光子帶隙，引入了缺陷對(duì)光有局域效應(yīng)，為更好的控制光和利用光提供了新的方法。本文討論了光子晶體這種周期性結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展和發(fā)展前景，此外光子晶體的制造工藝也將提及，討論包括基本概念，發(fā)展過程以及器件應(yīng)用，并對(duì)光子晶體在光通信領(lǐng)域的美好的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：光子晶體 光子禁帶 光子晶體光纖 諧振腔 濾波器
1、引言
工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得人們對(duì)光源的高亮度和單色性的要求不斷提高，半導(dǎo)體光發(fā)射器(LED)的內(nèi)部量子效率在光顯示等方面已不能完全滿足需要，光子晶體(Photonic Crystal)概念的提出隨即成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
光子晶體是指具有光子能帶和能隙的一類新材料，其典型特征是折射率的周期性分布，周期一般為光波長(zhǎng)量級(jí)，當(dāng)折射率變化較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類似于電子情況下的光子能帶和能隙。一般認(rèn)為可以通過選擇合適的材料，設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)(即調(diào)整折射率分布)，達(dá)到限制光傳播方向和增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的效果；一些基于光子晶體能隙的器件(如光纖)中引入合適的缺陷可以在能帶中引入一段光頻的導(dǎo)帶，只允許一定頻率的光通過，從而可以起到波長(zhǎng)濾波的作用；一個(gè)非常重要而又富有吸引力的優(yōu)點(diǎn)是：通過設(shè)計(jì)缺陷的形狀，位置和規(guī)格等參數(shù)，可以靈活地改變其帶寬，中心頻率等光學(xué)參數(shù)。近年來又提出利用光子晶體良好的限光特性可以制作光子VLSI，為一直以來由于工藝瓶頸而難以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的集成光學(xué)領(lǐng)域注入一針強(qiáng)心劑。
光子晶體從誕生之日起就受到各國工程師和科學(xué)家的關(guān)注，迄今為止有關(guān)光子晶體的研究層出不窮，在理論計(jì)算，制作工藝和實(shí)驗(yàn)測(cè)試中不斷傳出令人振奮的消息，本文將對(duì)其中的一小部分成果進(jìn)行簡(jiǎn)單的回顧，相信不久的將來必將有更大的突破。
2、 光子晶體的基本原理
2.1概念的提出
光子晶體的概念是1987年分別由S. John和E. Yablonovitch等人提出來的[1]。它具有與半導(dǎo)體材料中的勢(shì)場(chǎng)類似的周期性結(jié)構(gòu)，但晶格常數(shù)比半導(dǎo)體大。其折射率在空間周期性變化，變化周期是光波波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。根據(jù)需要，可以制成在一定波長(zhǎng)間隔內(nèi)某些方向上或全部方向上禁止光傳播的光子禁帶材料。光波的某些頻率被禁止通過，同時(shí)也抑制了頻率落于禁帶中的原子的自發(fā)輻射，通常稱這些被禁止的頻率區(qū)間為“光子頻率禁帶”(Photonic Band Gap，PBG)，一般將具有PBG的材料稱作光子晶體。
由概念上的可類比性，傳統(tǒng)晶體的許多物理概念被引入光子晶體的研究當(dāng)中，如能帶、能隙、能態(tài)密度、缺陷等。實(shí)際制備的光子晶體一般由兩種介電常數(shù)不同的物質(zhì)構(gòu)成，其中低介電物質(zhì)常采用空氣。值得指出的是，由于光子晶體對(duì)周期性分布有較強(qiáng)的要求，制造工藝較為復(fù)雜，是目前制約研究工作的瓶頸。
一般將光子晶體分為1D,2D,3D幾種，下面對(duì)這三種結(jié)構(gòu)的晶體作簡(jiǎn)單描述：
●1D：由兩種介質(zhì)交替疊層而成，這種結(jié)構(gòu)在垂直于介質(zhì)片的方向上介電常數(shù)周期性分布，而在平行介質(zhì)片平面方向上介電常數(shù)均勻分布。
●2D：由一些介質(zhì)柱平行而均勻地排列而成。這種結(jié)構(gòu)的橫向(垂直于介質(zhì)柱)介電常數(shù)在空間周期性排列，縱向的介電常數(shù)均勻分布。橫截面排列的周期性不同，獲得的光子頻率禁帶寬窄也不同。目前廣泛研究的二維光子晶體光纖就是這類光子晶體的一個(gè)代表。
●3D：由許多類似晶格的單位體構(gòu)成的空間周期性結(jié)構(gòu)。這類光子晶體制作工藝較為復(fù)雜，目前研究還處于起步階段，美國貝爾—朗訊研究所制造出世界上第一個(gè)具有完全PBG的3D光子晶體。 近年來，隨著激光全息光刻等先進(jìn)工藝的引入，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光子晶體的制造成為可能。
2.2 基本特征
光子晶體的特征之一是具有光子禁帶(PBG)。它有完全禁帶與不完全禁帶之分。所謂完全禁帶，是指光在整個(gè)空間的所有傳播方向上都有禁帶，且每個(gè)方向上的禁帶能相互重疊；不完全禁帶，相應(yīng)于空間各個(gè)方向上的禁帶并不完全重疊，或只在特定的方向上有禁帶。禁帶的分布會(huì)受到兩種介質(zhì)的介電常數(shù)(或折射率)的差、填充比及晶格結(jié)構(gòu)的影響。光子禁帶使光子晶體可以很好地抑制自發(fā)輻射。光子自發(fā)輻射的幾率與其所在頻率的態(tài)密度成正比，因此當(dāng)原子自發(fā)輻射的光頻率落于PBG中時(shí)自發(fā)輻射被抑制；另一方面，在光子晶體中加入雜質(zhì)可以在光子禁帶中引入品質(zhì)因子非常高的雜質(zhì)態(tài)(導(dǎo)帶)，可以實(shí)現(xiàn)到這一波段內(nèi)的自發(fā)輻射的增強(qiáng)[2]。
光子晶體的另一特征是局域限制，它是與光子晶體中的缺陷能級(jí)緊密相連的。與半導(dǎo)體晶體中摻雜而顯著改變半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)特性類似，在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷，會(huì)在光子禁帶中產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷能級(jí)。和缺陷能級(jí)頻率吻合的光子會(huì)被限制在缺陷位置傳播，一旦其偏離缺陷處光就將迅速衰減，這種性質(zhì)已經(jīng)應(yīng)用于二維光子晶體，通過合理的設(shè)計(jì)制造出適于集成光學(xué)器件的導(dǎo)光路徑，使得光波在路徑中折向傳輸時(shí)可以有較低的泄漏損耗，目前關(guān)于泄漏損耗的問題僅限于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元法(FEM)的理論模擬，研究還處于初步階段。
3、光子晶體的制備工藝
光子晶體的結(jié)構(gòu)精細(xì)，自然界里幾乎不存在。光子晶體的材料大多為無機(jī)材料，制作光子晶體的難度在于制作足夠小的格子結(jié)構(gòu)，格子的尺度與光的波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)處于同一量級(jí)( )。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差越大，入射光被散射越強(qiáng)烈，越有可能產(chǎn)生光子禁帶。由于光子晶體屬于微細(xì)結(jié)構(gòu)，制備工藝十分復(fù)雜，從光子晶體概念的提出之日就成為研究的焦點(diǎn)所在。從近幾年的發(fā)展歷程來看，制備工藝的不夠成熟也一度成為制約整個(gè)研究進(jìn)展的瓶頸，特別是當(dāng)前國內(nèi)光子晶體實(shí)驗(yàn)樣品的制備情形不容樂觀，給我們自主研制新型光子晶體器件帶來很大的困難，還需要科研工作者們不懈的努力。
經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累，目前采用的人工制備光子晶體的方法主要有以下幾種，分別簡(jiǎn)單介紹：
3.1 機(jī)械加工法(打孔法)
微波波段的光子晶體晶格常數(shù)在厘米至毫米數(shù)量級(jí)，制作起來比較容易，用機(jī)械加工的方法就可以實(shí)現(xiàn)，方法是在材料上用機(jī)械方法鉆孔，它可阻止微波從相應(yīng)方向傳播。由于光波段的加工尺度應(yīng)達(dá)到光波長(zhǎng)量級(jí)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工法的精度無法滿足復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的要求。
3.2 半導(dǎo)體微制造法
制造亞毫米和遠(yuǎn)紅外波段的光子晶體，需要采用半導(dǎo)體微制造技術(shù)，如激光刻蝕、電子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕等。這些技術(shù)在半導(dǎo)體制造業(yè)已有一套成型的工藝流程，可以較容易地制作二維光子晶體，但是受刻蝕技術(shù)和工藝的局限，制造更為精細(xì)的三維光子晶體仍存在較大困難。
3.3 激光全息光刻法
激光全息光刻技術(shù)非常適合于制造具有亞微米尺度上周期性重復(fù)的三維結(jié)構(gòu)，此技術(shù)是利用激光束的干涉產(chǎn)生三維全息圖案，讓感光樹脂在全息圖案中曝光，從而一次形成三維結(jié)構(gòu)。由于光刻的準(zhǔn)直性能較好，通過計(jì)算機(jī)軟件可以靈活調(diào)節(jié)激光光束的干涉和波長(zhǎng)，加工出復(fù)雜三維形狀的結(jié)構(gòu)和尺寸，具有較高的成品率，并已被越來越多的科研人員采用。現(xiàn)在已經(jīng)用激光全息光刻技術(shù)成功地制備出了網(wǎng)格狀三維微結(jié)構(gòu)。
3.4 雙光子聚合法
雙光子技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新型光聚合技術(shù)，它要求材料中引發(fā)光聚合的活性成分能夠同時(shí)吸收兩個(gè)光子，從而產(chǎn)生活性物質(zhì)(自由基或離子)引發(fā)聚合反應(yīng)。雙光子光聚合是點(diǎn)聚合，能夠通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)的加工，加工精密度比普通光聚合更高。光子晶體是一種周期性微腔結(jié)構(gòu)，而雙光子光聚合恰好可以提供非常規(guī)律的周期性結(jié)構(gòu)，因此成為光子晶體制造的有效方法。同時(shí)，雙光子光聚合的點(diǎn)的大小，取決于聚焦的調(diào)節(jié)和所使用的波長(zhǎng)，因此，完全可以根據(jù)需要人為地控制晶體中點(diǎn)陣的形狀和大小。到目前為止，雙光子聚合法是人為制造晶體缺陷的一種廣泛采用的方法，著名的“納米�！本褪怯眠@種方法加工而成。
3.5 自組裝法
在構(gòu)造光子晶體方面，還有一種工藝上很簡(jiǎn)單然而想法卻十分巧妙的技術(shù)，它是利用膠體顆粒懸浮液的自組裝特性制備膠體晶體，膠體晶體的晶格尺寸在亞微米數(shù)量級(jí)，所以可生長(zhǎng)出可見光或近紅外波段的三維光子晶體。美國匹茲堡大學(xué)的J. Holtz 和S. Asber已經(jīng)制成“可調(diào)諧”光子晶體，方法是使聚合物小球在水凝膠(由一種吸水性合成聚合物制成)膜層中懸浮，通過水凝膠的縮脹來調(diào)節(jié)光子帶隙的波長(zhǎng)。這種膠體型結(jié)構(gòu)易于制作，且很好的解決了尺寸調(diào)整的問題。
光子晶體的制備方法還有許多，如制備3D光子晶體的堆積法，電子束曝光法等等，在此不一一列舉。制備技術(shù)是科研工作的關(guān)鍵，以往我們?cè)谶@些基礎(chǔ)環(huán)節(jié)十分薄弱，EDFA的發(fā)展過程就是一個(gè)教訓(xùn)，現(xiàn)在我們面臨著PC這個(gè)發(fā)展機(jī)遇，應(yīng)該在借鑒國外同行研究的基礎(chǔ)上，盡快發(fā)展本國的生產(chǎn)基地，為我們長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究發(fā)展打好基礎(chǔ)。
4、光子晶體在光通信中的應(yīng)用
21世紀(jì)是信息技術(shù)繼續(xù)迅猛發(fā)展的時(shí)代，用光子作為信息載體損耗低，速度快，已成為科學(xué)家們的共識(shí)，光子晶體以其優(yōu)良的光學(xué)特性被認(rèn)為是有希望近期獲得突破性進(jìn)展的光學(xué)材料之一，現(xiàn)已成為光電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一，有關(guān)光子晶體的應(yīng)用研究數(shù)不勝數(shù)，下面著重講述光子晶體在光通信中的應(yīng)用：
4.1 光子晶體光纖(PCF)
光子晶體光纖(PCF: Photonic Crystal Fiber)是目前最受關(guān)注的課題之一，它由石英玻璃等材料經(jīng)過特殊工藝?yán)贫�，見下圖，其導(dǎo)波方向上是均勻的，截面上的介電常數(shù)呈某種周期性分布，一般在芯區(qū)處引入缺陷，光束在傳播過程中主要能量集中在芯區(qū)。
PCF的導(dǎo)光機(jī)制主要有兩種：全反射機(jī)制(TIR)和光子禁帶機(jī)制(PBG)[3]。圖1和圖2是全反射機(jī)制(TIR)和光子禁帶機(jī)制(PBG)型光子晶體光纖截面圖。基于光子禁帶機(jī)制的PCF主要是空心光纖，理論上講只能傳輸特定頻率的光，考慮到光通信系統(tǒng)中寬帶傳輸?shù)囊�，�?duì)其應(yīng)用方面的研究較少；基于全反射機(jī)制的的PCF則是當(dāng)前研究的主要方向，這種導(dǎo)光機(jī)制利用光在介質(zhì)分界面處(氣孔和石英)的全反射約束光的傳播：周期排列的氣孔分布在芯區(qū)周圍，降低了芯區(qū)以外區(qū)域的等效折射率，形成一圈等效的包層，從等效折射率的角度可以將其理解為等效的階躍光纖，芯區(qū)中的光束以全反射方式傳輸，光纖中填充介質(zhì)的選擇和氣孔的分布決定其導(dǎo)光性能，這種光纖的精細(xì)結(jié)構(gòu)使得場(chǎng)在傳播過程中截面上的分布與普通光纖有較大不同。
世界上第一根全反射導(dǎo)光機(jī)制的光子晶體光纖于1996年研制成功，由此展開一系列實(shí)用化研究，目前已得到的一些PCF的主要特性列舉如下：
(1) 靈活的色散特性。對(duì)不同的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)如氣孔孔徑、孔間距等，PCF的導(dǎo)光性能有較大差異，其影響主要有特定波長(zhǎng)下導(dǎo)波模式的分布和個(gè)數(shù)，光在傳輸過程中的損耗，包層等效折射率的改變等等，如上種種均可利用來調(diào)整光纖的色散特性，使其可正可負(fù)，在某些頻段還可實(shí)現(xiàn)色散平坦，這大大拓寬了PCF的應(yīng)用范圍。
(2) 單模特性。設(shè)定光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)可以減小PCF包層等效折射率 ，使歸一化頻率 ， 為光纖半徑，按導(dǎo)波理論可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。不難看到，選擇較小的光纖半徑和較大的包層折射率(相對(duì)于芯區(qū)材料折射率)，PCF可以保持寬帶(寬波段)單模傳輸，這點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中已獲證實(shí)，據(jù)報(bào)道500nm—1500nm內(nèi)單模傳輸?shù)腜CF已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。寬帶單模是光通信系統(tǒng)的根本要求，PCF的應(yīng)用潛力可見一斑[4]。
(3) 光學(xué)非線性可調(diào)。光子晶體光纖主要在芯區(qū)傳光，理論計(jì)算得到的模場(chǎng)分布芯區(qū)外的光強(qiáng)要比芯區(qū)內(nèi)小兩個(gè)量級(jí)以上，可近似認(rèn)為模場(chǎng)面積正比于芯區(qū)的大小，通過調(diào)整芯區(qū)的尺寸即可調(diào)整非線性效應(yīng)的大小，一般的，芯區(qū)面積大時(shí)可以減小非線性效應(yīng)，控制光脈沖的展寬失真(啁啾)，利于信號(hào)傳輸；芯區(qū)面積小時(shí)可以增加非線性效應(yīng)，可用于制作各類非線性調(diào)制器件。隨著對(duì)各種光學(xué)特性研究的不斷深入，PCF必將在光電子領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。
來自各方面的信息表明，光子晶體光纖正引起國內(nèi)外同行越來越多的關(guān)注，當(dāng)前研究方向以理論模擬分析居多，這可能和PCF的制備工藝還不甚成熟有關(guān)，圍繞著PCF的動(dòng)態(tài)傳輸過程及模場(chǎng)分布，色散曲線，損耗等關(guān)鍵物理參數(shù)，各種計(jì)算方法層出不窮，有價(jià)值的計(jì)算結(jié)果不斷出現(xiàn)，許多問題值得進(jìn)一步研究。
4.2 光子晶體低閾值激光器
在激光器中引入光子晶體還可以實(shí)現(xiàn)低閾值激光振蕩。在一塊三維光子晶體的光子禁帶中引入缺陷，然后在其中放置工作物質(zhì)，缺陷態(tài)將構(gòu)成一個(gè)波導(dǎo)，激光發(fā)出的方向?qū)⒀卮朔较�，同樣自發(fā)輻射也只能沿此方向，即自發(fā)輻射與激光出射方向角幾乎為0。這樣幾乎所有的自發(fā)輻射都用來激發(fā)已實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)而無其它的損失。泵浦的能量幾乎全部用來產(chǎn)生激光，這使激光器閾值降低，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
4.3 光子晶體諧振腔
微諧振腔的制作對(duì)光集成有著重要的意義，近年來受到了廣泛的關(guān)注。但由于其尺寸特別小，用傳統(tǒng)的諧振腔制作方法來制造微諧振腔是相當(dāng)困難的。而且在光波波段，傳統(tǒng)的金屬諧振腔的損耗相當(dāng)大，品質(zhì)因數(shù)值很小。而利用已有的光子晶體加工這種微腔很容易實(shí)現(xiàn)，且其品質(zhì)因數(shù)可以做得很高。在光子晶體中設(shè)計(jì)制作一個(gè)點(diǎn)缺陷，這個(gè)點(diǎn)缺陷所對(duì)應(yīng)的角頻率處就會(huì)出現(xiàn)很大的模密度，隨模密度的不斷增加，自發(fā)輻射將顯著增加，這樣就能實(shí)現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)很高的諧振腔。而這是采用其它材料制作的諧振腔所無法達(dá)到的。下圖是兩種微腔結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微圖像。
4.4 光子晶體反射器件
在光子晶體中不允許光子頻率禁帶范圍內(nèi)的光子存在，所以當(dāng)此范圍內(nèi)的一束光入射到光子晶體上時(shí)，就會(huì)被全反射；此外，金屬對(duì)光波的損耗很大，而介質(zhì)對(duì)光波的吸收損耗非常小，利用這些特點(diǎn)可以制造出高效率的反射鏡，如一維光子晶體全方位反射鏡。實(shí)際應(yīng)用中，可以用光子晶體作小型平面微波天線的基底材料，制成高發(fā)射率的小型微波天線。也可以將其用于制作移動(dòng)電話的天線，它會(huì)把輻射偏離使用者頭部，有益于人體健康。
4.5 光子晶體發(fā)光二極管
發(fā)光二極管在光通信系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用。一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過包圍它的介質(zhì)的無數(shù)次反射，大部分的光不能有效地耦合出去，從而使得二極管的光輻射效率很低。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心放入一塊特制的光子晶體中，并設(shè)計(jì)成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體的光子頻率禁帶重合，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會(huì)進(jìn)入包圍它的光子晶體中，而會(huì)沿著特定設(shè)計(jì)的方向輻射到外面去，從而使發(fā)光二極管的效率大大提高。向光子晶體中引入微腔，在光子帶隙中將產(chǎn)生特定的缺陷態(tài)。在適當(dāng)?shù)奈⑶唤Y(jié)構(gòu)下，微腔將只對(duì)應(yīng)于單一的電磁模式。把發(fā)光二極管放入此種結(jié)構(gòu)的光子晶體中，二極管所發(fā)出的光都將進(jìn)入此單一模式，從而制成單模發(fā)光二極管。
4.6 光子晶體濾波器
光子晶體具有優(yōu)良的濾波性能。與傳統(tǒng)的濾波器相比，光子晶體濾波器的濾波帶寬可以靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)大范圍的濾波作用。在光子晶體中引入與光子晶體晶格空穴同尺度量級(jí)的空穴，會(huì)在光子帶隙中造成缺陷模。當(dāng)材料在寬譜段內(nèi)發(fā)光時(shí)，只有與缺陷模波長(zhǎng)相匹配的波長(zhǎng)能得到放大。由于這一波長(zhǎng)可以在材料中自由傳播，而其它波長(zhǎng)則囚禁于光子晶體內(nèi)不能得到放大，就意味著以很窄的波長(zhǎng)范圍發(fā)射激光。此波長(zhǎng)范圍直接與微腔直徑和原有空穴直徑之比有關(guān)，通過改變材料參數(shù)可以制成可調(diào)節(jié)帶寬的選頻濾波器。
4.7 集成光路
光子晶體中的缺陷態(tài)與半導(dǎo)體中的摻雜相似，使光子晶體可以具有多種功能，通過這些功能的組合，可以在光子晶體上構(gòu)造出適合我們需求的集成光路對(duì)光子晶體其他性質(zhì)的應(yīng)用還很多，比如利用二維光子晶體對(duì)入射的TE,TM兩種偏振模式的光具有不同的帶隙結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的二維光子晶體偏振片，可以獲得單一模式的出射光，出射偏振光具有很高的偏振度和透射率。又如，現(xiàn)在日本NTT的科學(xué)家應(yīng)用光子晶體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)1550nm波長(zhǎng)光波速度的減慢，在實(shí)現(xiàn)光子集成電路的研究中邁出了具有決定意義的一步。綜合運(yùn)用光子晶體的各種性質(zhì)，還可制成光開關(guān)、光聚焦器等。
由此可見，光子晶體在各種傳統(tǒng)光學(xué)器件的改進(jìn)和光通訊系統(tǒng)的升級(jí)中都將起到至關(guān)重要的作用，美、日、英等國都已經(jīng)展開一系列的實(shí)用化研究。
5、結(jié)束語
光子晶體特殊的光學(xué)特性使之成為未來光電子產(chǎn)業(yè)的最有希望的基礎(chǔ)材料之一，隨著各類制備工藝的發(fā)展，人們對(duì)它的研究也進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段。目前世界范圍內(nèi)對(duì)光子晶體的研究主要在理論上設(shè)計(jì)完全帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外光波段光子晶體的制備以及開發(fā)光子晶體的實(shí)際應(yīng)用。
從目前的發(fā)展動(dòng)態(tài)看，理論方面的研究還有待進(jìn)一步完善，由于光子晶體的結(jié)構(gòu)靈活多變，必須有快速高效的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)光子晶體的能帶，色散等物理參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，學(xué)術(shù)界在對(duì)各種算法的評(píng)價(jià)分析以及改進(jìn)方面也一直不懈的努力，這其中比較出色的代表是平面波展開法,有限元法(FEM: plane wave expansion method)、傳輸矩陣法(TMN: Transfer matrix method)、散射矩陣法(SMM: Scattering matrix method)時(shí)域有限差分法(FDTD: Finite difference time domain)[5]，這幾種方法在處理光波段問題時(shí)都不約而同存在著計(jì)算量大或是收斂速度慢的問題，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須結(jié)合問題的特點(diǎn)慎重選用，這也即意味著距離通用化模擬軟件的出現(xiàn)還有一段時(shí)日，讓我們拭目以待。
與理論工作并行的是眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大量涌現(xiàn)，應(yīng)該說從95年至今已獲得不少突破。最近三維光子晶體的制備又有新突破，制造出OPAL型，鉆石型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的樣品；當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一光子晶體光纖(PCF)在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)通過合理設(shè)計(jì)光纖參數(shù)實(shí)現(xiàn)了單模傳輸，還可以靈活調(diào)節(jié)色散，可以較好的滿足光通訊系統(tǒng)的性能需要；此外對(duì)光子晶體對(duì)光波良好的約束特性展開了一系列對(duì)二維光子晶體陣列波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究，在90度轉(zhuǎn)彎處的導(dǎo)光效率可以達(dá)到0.65以上，從而為光學(xué)器件集成化提供了可能。
在光子晶體的應(yīng)用方面，已經(jīng)有眾多好的想法和工作涌現(xiàn)，我們有理由對(duì)這一領(lǐng)域的研究?jī)r(jià)值持樂觀態(tài)度。
簡(jiǎn)言之，光子晶體的出現(xiàn)是光電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，正如半導(dǎo)體材料的發(fā)展極大地推動(dòng)了電子學(xué)和電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一樣，我們有理由期待光子晶體的開發(fā)和研究在不久的將來將會(huì)給光通信技術(shù)帶來深遠(yuǎn)的積極影響。
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仇英輝：男，1976年生，北京郵電大學(xué)在讀博士生，研究方向光纖通信網(wǎng)絡(luò)研究。
