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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 光子晶体研究进展(一)
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr 25 20:04:28 2003) , 转信

 

光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在
蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景
，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子
晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。
关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组
　
我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。半导体的出现带来了从日常生活到高
科技革命性的影响。大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都
耳熟能详的东西是由半导体带来的。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电
子的运动，电子在其中起到决定作用。半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。
集成的极限在可以看到的将来出现。这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没
有的优势：速度快，没有相互作用。因此，下一代器件扮演主角的将是光子。
光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料 [1,2]。这种材料有一个显著的特点是它可
以如人所愿地控制光子的运动 [3-5]。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理
或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件
来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。
　
　
光子晶体简介
众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形
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，传播是禁止的
。其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。能
量落在带隙中的波是不能传播的。电磁波或者光波也不会例外。不过人们真正清楚其物
理含义已经是八十年代末了。
1987年Yabnolovitch [1]在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎
同时，John [2]在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周
期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这
种能带结构叫做光子能带 (photonic band)。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙
 (photonic bandgap, 简称PBG)。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体 (phot
onic crystals)，或叫做光子带隙材料 (photonic bandgap materials)，也有人把它叫
做电磁晶体 (electromagnetic crystals)。图1给出光子晶体的结构及光子能带结构。

固体物理中的许多概念都可用在光子晶体上，如倒格子、布里渊区、色散关系、Bloch函
数、Van Hove奇点等。由于周期性，对光子也可以定义有效质量。不过需要指出的是光
子晶体与常规的晶体（从某种意义上来说可以叫做电子晶体）有相同的地方，也有本质
的不同，如光子服从的是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。
光子晶体的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的，因为带
隙中没有任何态存在。光子带隙的存在带来许多新物理和新应用 [3-5]。
自发辐射是爱因斯坦在1905年提出的，对许多物理过程和实际应用有重要的影响，如自
自发辐射是爱因斯坦在1905年提出的，对许多物理过程和实际应用有重要的影响，如自
发辐射是半导体激光器的阈电流的主要原因，只有超过阈电流才能发出激光。八十年代
以前，人们一直认为自发辐射是一个随机的自然现象，是不能控制的。Purcell在1946年
提出自发辐射可以人为改变 [6]，但没有受到任何重视。直到光子晶体的出现才改变了
这种观点 [1]。自发辐射几率由费米黄金定则给出
其中，|V|称为零点Rabi矩阵元，????是光场的态密度。如果电磁波的态密度为零，则自
发辐射的几率为零，即没有自发辐射。光子带隙中的态密度为零，因此，频率落在光子
带隙中的电磁波的自发辐射被完全抑制。如果引入缺陷，在光子带隙中可能出现态密度
很高的缺陷态，因此可以增强自发辐射。有文献称将自发辐射可以控制的这种现象叫Pu
rcell效应。
如果引入缺陷或无序，对电子来说将有电子局域态或安德森局域。如果在光子晶体中引
入介电缺陷或介电无序，光子也一样，也会出现局域现象 [2,7-9]。在光子晶体中实现
光子局域比在电子体系里更理想，因为这里没有电子体系里存在的多体相互作用。1991
年实验上观察到二维光子晶体中的光子局域 [10]。最近，在半导体粉末中直接得到光子
局域的证据 [11]。
我们知道即使在真空中也存在零点涨落，但在光子带隙中却没有。这将带来这样一种结
果：将原子或分子放入光子晶体中，如果从激发态到基态辐射的光子频率正好落在光子
带隙里，受激的原子或分子将被“锁”在激发态，不能激发到基态。因为此时没有任何
光子态与之耦合而辐射。这将带来新的物理现象 [12-15]，如原子将和自身辐射的局域
光场发身强烈的耦合，出现奇异的Lamb位移 [12]。
 



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