光子晶體研究進(jìn)展.doc

1、光子晶體研究進(jìn)展 資劍 復(fù)旦大學(xué)表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433 Jzifudan。edu。cn 摘要 光子晶體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(fā)展，是一門正在蓬勃發(fā)展的有前途的新學(xué)科.光子晶體不僅具有理論價(jià)值，更具有非常廣闊的應(yīng)用前景，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn).本文回顧光子晶體的發(fā)展歷史，介紹光子晶體的特性、制作方法、理論研究以及應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞:光子晶體，光子能帶,光子帶隙，光子局域態(tài)，自發(fā)輻射,Maxwell方程組 我們所處的時(shí)代從某種意義上來(lái)說(shuō)是半導(dǎo)體時(shí)代.半導(dǎo)體的出現(xiàn)帶來(lái)了從日常生活到高科技革命性的影響.大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)、信息高速公路

2、等等這些甚至連小學(xué)生都耳熟能詳?shù)臇|西是由半導(dǎo)體帶來(lái)的。幾乎所有的半導(dǎo)體器件都是圍繞如何利用和控制電子的運(yùn)動(dòng)，電子在其中起到?jīng)Q定作用。半導(dǎo)體器件到如今可以說(shuō)到了登峰造極的地步。集成的極限在可以看到的將來(lái)出現(xiàn)。這是由電子的特性所決定的.而光子有著電子所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)：速度快，沒(méi)有相互作用。因此,下一代器件扮演主角的將是光子。 光子晶體是1987年才提出的新概念和新材料 1,2。這種材料有一個(gè)顯著的特點(diǎn)是它可以如人所愿地控制光子的運(yùn)動(dòng) 3-5。由于其獨(dú)特的特性，光子晶體可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光學(xué)器件，在光通訊上也有重要的用途，如用光子晶體器件來(lái)替代傳統(tǒng)的電子器件，信息通訊的速度快得無(wú)法

3、想象。   1。   2。 光子晶體簡(jiǎn)介   3. 眾所周知，電子在周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，由于電子波會(huì)受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射，會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu),帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，傳播是禁止的.其實(shí)，不管任何波，只要受到周期性調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu),也都有可能出現(xiàn)帶隙。能量落在帶隙中的波是不能傳播的。電磁波或者光波也不會(huì)例外。不過(guò)人們真正清楚其物理含義已經(jīng)是八十年代末了.      1987年Yabnolovitch 1在討論如何抑制自發(fā)輻射時(shí)提出了光子晶體這一新概念.幾乎同時(shí)

4、，John 2在討論光子局域時(shí)也獨(dú)立提出.如果將不同介電常數(shù)的介電材料構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)，電磁波在其中傳播時(shí)由于布拉格散射，電磁波會(huì)受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光子能帶 (photonic band).光子能帶之間可能出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙 （photonic bandgap， 簡(jiǎn)稱PBG）。具有光子帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)就是光子晶體 (photonic crystals），或叫做光子帶隙材料 （photonic bandgap materials）,也有人把它叫做電磁晶體 （electromagnetic crystals)。圖1給出光子晶體的結(jié)構(gòu)及光子能帶結(jié)構(gòu).   

5、   固體物理中的許多概念都可用在光子晶體上，如倒格子、布里淵區(qū)、色散關(guān)系、Bloch函數(shù)、Van Hove奇點(diǎn)等。由于周期性，對(duì)光子也可以定義有效質(zhì)量。不過(guò)需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體（從某種意義上來(lái)說(shuō)可以叫做電子晶體）有相同的地方,也有本質(zhì)的不同，如光子服從的是Maxwell方程,電子服從的是薛定諤方程；光子波是矢量波，而電子波是標(biāo)量波；電子是自旋為1/2的費(fèi)米子,光子是自旋為1的玻色子；電子之間有很強(qiáng)的相互作用，而光子之間沒(méi)有。      光子晶體的基本特征是具有光子帶隙,頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播

6、的，因?yàn)閹吨袥](méi)有任何態(tài)存在。光子帶隙的存在帶來(lái)許多新物理和新應(yīng)用 35。      自發(fā)輻射是愛因斯坦在1905年提出的，對(duì)許多物理過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用有重要的影響，如自發(fā)輻射是半導(dǎo)體激光器的閾電流的主要原因，只有超過(guò)閾電流才能發(fā)出激光。八十年代以前，人們一直認(rèn)為自發(fā)輻射是一個(gè)隨機(jī)的自然現(xiàn)象，是不能控制的。Purcell在1946年提出自發(fā)輻射可以人為改變 6，但沒(méi)有受到任何重視。直到光子晶體的出現(xiàn)才改變了這種觀點(diǎn) 1.自發(fā)輻射幾率由費(fèi)米黃金定則給出      其中，V|稱為零點(diǎn)Rabi矩陣元,？?

7、？?是光場(chǎng)的態(tài)密度.如果電磁波的態(tài)密度為零，則自發(fā)輻射的幾率為零,即沒(méi)有自發(fā)輻射.光子帶隙中的態(tài)密度為零,因此，頻率落在光子帶隙中的電磁波的自發(fā)輻射被完全抑制.如果引入缺陷,在光子帶隙中可能出現(xiàn)態(tài)密度很高的缺陷態(tài)，因此可以增強(qiáng)自發(fā)輻射。有文獻(xiàn)稱將自發(fā)輻射可以控制的這種現(xiàn)象叫Purcell效應(yīng)。      如果引入缺陷或無(wú)序，對(duì)電子來(lái)說(shuō)將有電子局域態(tài)或安德森局域。如果在光子晶體中引入介電缺陷或介電無(wú)序，光子也一樣，也會(huì)出現(xiàn)局域現(xiàn)象 2，7-9。在光子晶體中實(shí)現(xiàn)光子局域比在電子體系里更理想，因?yàn)檫@里沒(méi)有電子體系里存在的多體相互作用.1991年實(shí)驗(yàn)上

8、觀察到二維光子晶體中的光子局域 10。最近，在半導(dǎo)體粉末中直接得到光子局域的證據(jù) 11。      我們知道即使在真空中也存在零點(diǎn)漲落，但在光子帶隙中卻沒(méi)有。這將帶來(lái)這樣一種結(jié)果:將原子或分子放入光子晶體中，如果從激發(fā)態(tài)到基態(tài)輻射的光子頻率正好落在光子帶隙里，受激的原子或分子將被“鎖”在激發(fā)態(tài)，不能激發(fā)到基態(tài)。因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有任何光子態(tài)與之耦合而輻射。這將帶來(lái)新的物理現(xiàn)象 1215,如原子將和自身輻射的局域光場(chǎng)發(fā)身強(qiáng)烈的耦合，出現(xiàn)奇異的Lamb位移 12。   4。 光子晶體的制作 自然界有光子晶體的例子,如蛋白石和蝴蝶翅膀等.

9、電子顯微鏡揭示它們由一些周期性微結(jié)構(gòu)組成，由于在不同的方向不同頻率的光被散射和透射不一樣，呈現(xiàn)出美麗的色彩，但它們沒(méi)有三維的光子帶隙.光子帶隙的出現(xiàn)與光子晶體結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的連通性、介電常數(shù)反差和填充比有關(guān)，條件是比較苛刻的.一般說(shuō)，介電常數(shù)反差越大（一般要求大于2），得到光子帶隙可能性越大。制作具有完全光子帶隙的光子晶體無(wú)疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。 最初提出的結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu) 1,2.從實(shí)空間看即用何種介電材料來(lái)填充Wigner-Seitz原胞。選用怎樣的面心立方結(jié)構(gòu)和填充比才有光子帶隙,這并非一件易事。Bellcore的研究人員用了兩年多的時(shí)間嘗試了各種各樣的面心立方結(jié)構(gòu)，才發(fā)現(xiàn)一種面心立方結(jié)構(gòu)有

10、光子帶隙 16。這是一種背景為介電材料，相互重疊的空氣孔在其中排列成面心立方結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)?？諝饪渍?6的體積。這種制作方法類似炒菜,用介電材料構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)，然后測(cè)量電磁波的透射率,看是否存在光子帶隙。這種方式非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也不太成功。 受實(shí)驗(yàn)的鼓舞，理論工作者開始關(guān)心光子能帶計(jì)算。最初采用的是標(biāo)量波的方法,即認(rèn)為兩種偏振可以分開處理 17,18。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大差異，人們馬上意識(shí)到這種差異來(lái)源于忽略了電磁波是矢量波，因此在光子能帶的計(jì)算中必須考慮光波的矢量性.不久便出現(xiàn)了考慮矢量性的光子能帶計(jì)算 19-21。 當(dāng)重新計(jì)算填充率為86的重疊空氣孔面心立方結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有完全的光

11、子帶隙 19-21.這是由于面心立方結(jié)構(gòu)的光子晶體由于對(duì)稱性,在高對(duì)稱點(diǎn)處出現(xiàn)能帶簡(jiǎn)并。從態(tài)密度上看實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的帶隙只是一個(gè)贗帶隙. 與電子能帶計(jì)算不同，光子之間沒(méi)有相互作用，解Maxwell方程得到的光子能帶幾乎是完全準(zhǔn)確的.因此,可以先從理論上判斷是否存在光子帶隙，然后再實(shí)驗(yàn)制作，消除了許多盲目性。Ames的研究人員第一次從理論上證實(shí)了具有金剛石結(jié)構(gòu)的光子晶體有很大的光子帶隙 21.于是人們開始從實(shí)驗(yàn)上尋找具有金剛石結(jié)構(gòu)的光子晶體。Yablonovitch等很快制作出第一個(gè)具有全方位光子帶隙的結(jié)構(gòu)，如圖2所示 22。這種光子晶體的制作過(guò)程如下：在一片介電材料上鍍上具有三角空洞陣列的掩膜,

12、在每一空洞處向下鉆三個(gè)孔,鉆孔相互之間呈120度，與介電片的垂線呈35。26度。這樣的結(jié)構(gòu)具有金剛石結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，光子帶隙從10GHz到13 GHz，位于微波區(qū)域.在微波區(qū)域這種結(jié)構(gòu)可以用微機(jī)械鉆孔的方法得到。在光學(xué)波段可以用離子刻蝕的辦法,不過(guò)非常困難。 為尋找一種制作簡(jiǎn)易，同時(shí)組成單元維度低的結(jié)構(gòu)，Ames的研究人員提出了一種層狀結(jié)構(gòu)的光子晶體，組成元是一維介電棒,如圖3所示 23。每層中，一維介電棒平行排列，相互之間的距離為 a;第二層的介電棒與第一層棒夾角為90度;第三層與第一層一樣排列，但位移a/2；第四層與第二層也一樣，但位移a/2；第五層與第一層重復(fù)。這樣的結(jié)構(gòu)具有面心四方對(duì)稱性

13、.特別當(dāng)才c/a=2時(shí)，就是金剛石結(jié)構(gòu)。其實(shí),相臨兩層的夾角可以在60到90度之間變化，都有全方位光子帶隙。這種結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)上第一次由氧化鋁棒堆積而成 24,光子帶隙在微波波段（12-14 GHz）。圖4給出理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光子能帶的比較。從圖中可以看出，理論和實(shí)驗(yàn)符合得非常好.這和電子能帶的情況很不一樣。由于電子之間的多體相互作用，在電子能帶的計(jì)算中要作很多近似，得到的電子能帶也是近似的，如電子帶隙的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相差很大。 人們還提出了其它的層狀結(jié)構(gòu)來(lái)制作三維光子晶體 25-27.MIT小組提出的結(jié)構(gòu)可以利用成熟的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)得到光學(xué)范圍的光子晶體 26。制作過(guò)程如圖5所示.第一步先將一層

14、厚度為d的Si用MBE或CVD淀積在襯底上，然后刻蝕出相互之間距離為a的平行槽,最后在槽中填充SiO2,如 （a)所示。第二步再生長(zhǎng)一層厚度為h的Si,如 (b）。第三步在下層Si的正上方刻蝕出深度為d寬度為w的槽，然后再在槽中填充SiO2，如 (c)。第四步與第一步相同，如 (d）。如此重復(fù)完成后，再在表面往下刻蝕出柱狀空氣孔陣列，如 (e)?？諝饪椎慕孛婵梢允菆A形,也可以是橢圓形。最后清除SiO2得到如圖6所示的Si骨架結(jié)構(gòu)，其計(jì)算的光子能帶結(jié)構(gòu)也在圖6中給出。 從布拉格條件可知,光子帶隙處的光波波長(zhǎng)與光子晶體的晶格常數(shù)相當(dāng),因此，要得到光子帶隙在紅外或可見光的光子晶體,晶格常數(shù)應(yīng)當(dāng)在微米

15、或亞微米。這對(duì)光子晶體制作來(lái)說(shuō)無(wú)疑是極大的挑戰(zhàn)。在微波區(qū)域，可以用機(jī)械加工的辦法。人們的目標(biāo)之一是在紅外或可見光范圍抑制自發(fā)輻射，還有一個(gè)目標(biāo)是制作波長(zhǎng)在 1.5微米的光子晶體,因?yàn)檫@是光電子工業(yè)和通訊所用的波長(zhǎng).要制作如此小的晶格常數(shù)的光子晶體能利用的成熟方法是半導(dǎo)體工藝的方法，如光刻蝕、電子束刻蝕、離子束刻蝕等。最近，Sandia實(shí)驗(yàn)室采用淀積/刻蝕半導(dǎo)體工藝，按照Ames 實(shí)驗(yàn)室提出的如圖3的結(jié)構(gòu)，在Si襯底上成功制作出在紅外波段的多晶Si棒組成的光子晶體 28.從掃描電子顯微鏡的圖象看出,這種結(jié)構(gòu)具有很高的質(zhì)量，在平面方向周期結(jié)構(gòu)超過(guò)1 cm×？cm，但襯底上方僅有5層。這套

16、制作方法對(duì)工藝的要求非常高。在1999年初的一次會(huì)議上Sandia和Ames實(shí)驗(yàn)室都宣稱制作出光學(xué)波段的光子晶體 29。 以上介紹的是用機(jī)械加工或用精細(xì)加工制作的方法。制作光學(xué)波段的光子晶體另外常用的技術(shù)是膠體顆粒的自組織生長(zhǎng) 3038.顆粒的大小一般為微米或亞微米，懸浮在液體中。由于顆粒帶電,而整個(gè)體系呈電中性，這些懸浮顆粒之間有短程的排斥相互作用以及長(zhǎng)程的Van der Waals 吸引力 31。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，懸浮的膠體顆粒會(huì)從無(wú)序的結(jié)構(gòu)相變成有序的面心立方結(jié)構(gòu)而形成膠體晶體。這種方法非常簡(jiǎn)便，而且很經(jīng)濟(jì)。一般采用的膠體顆粒是聚合物或氧化硅等,因?yàn)槠渌牧弦玫酱笮【鶆虻念w粒很困難。早期采

17、用的是聚合物的膠體顆粒，折射率都比較小。自然的蛋白石或人工的蛋白石是由氧化硅膠體顆粒組成的，顆粒的大小可以做得很均勻,大小一般為幾百納米，氧化硅顆粒的折射率也比較小，為1。45,圖7給出人工或自然的蛋白石的掃描電子顯微鏡的圖片。遺憾的是理論計(jì)算表明由這些材料構(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)的膠體晶體沒(méi)有光子帶隙.人們?cè)谶@方面嘗試了很久，似乎進(jìn)展甚微。 最近膠體溶液自組織生長(zhǎng)的進(jìn)展有可能改變這種情況.研究人員注意到膠體晶體的空隙可以填充各種無(wú)機(jī)或有機(jī)物，如果能將膠體顆粒去處而不影響晶體結(jié)構(gòu)，就能得到空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體 3941。理論發(fā)現(xiàn) 42，如果背景是高介電常數(shù)的材料的面心立方結(jié)構(gòu)，在第八和第九個(gè)光子能帶

18、之間有光子帶隙，雖然第二和第三帶之間仍然是贗帶隙（見圖8）。實(shí)驗(yàn)上成功用TiO2(折射率2.6）制成了空氣球的結(jié)構(gòu) 40。這種反蛋白石（inverse opal）結(jié)構(gòu)的空氣孔中可以填充其它高介電材料，如半導(dǎo)體或金屬量子點(diǎn),也可以填充如C60之類的富勒稀材料. 二維光子晶體也有許多用途,制作比三維的要相對(duì)容易.在微波或厘米波波段，可以用介質(zhì)棒來(lái)構(gòu)成或用機(jī)械鉆孔的辦法；在紅外和光學(xué)波段用刻蝕等方法。最早制作的二維光子晶體是用機(jī)械或用介質(zhì)棒 43-45。目前，二維光子晶體的帶隙達(dá)到紅外和光學(xué)波段 46-50。圖9給出用刻蝕的方法在Si襯底上制作的二維光子晶體。 4光子晶體的應(yīng)用 光子晶體具有重要的應(yīng)

19、用背景.由于其特性，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件。 高性能反射鏡。頻率落在光子帶隙中的光子或電磁波不能在光子晶體中傳播，因此選擇沒(méi)有吸收的介電材料制成的光子晶體可以反射從任何方向的入射光，反射率幾乎為100。這與傳統(tǒng)的金屬反射鏡完全不同。傳統(tǒng)的金屬反射鏡在很大的頻率范圍內(nèi)可以反射光,但在紅外和光學(xué)波段有較大的吸收。這種光子晶體反射鏡有許多實(shí)際用途,如制作新型的平面天線 51。普通的平面天線由于襯底的透射等原因,發(fā)射向空間的能量有很多損失；如果用光子晶體做襯底,由于電磁波不能在襯底中傳播，能量幾乎全部發(fā)射向空間.這是一種性能非常高的天線，美國(guó)軍方對(duì)此表現(xiàn)出極大的興趣.以前人們一直

20、認(rèn)為一維光子晶體不能作為全方位反射鏡，因?yàn)殡S著入射光偏離正入射，總有光會(huì)透射出來(lái)。但最近MIT研究人員的理論和實(shí)驗(yàn)表明,選擇適當(dāng)?shù)慕殡姴牧希词故且痪S光子晶體也可以作為全方位反射鏡 52,引起了很大的轟動(dòng)。 光子晶體波導(dǎo)。傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)可以支持直線傳播的光，但在拐角處會(huì)損失能量。理論計(jì)算表明，光子晶體波導(dǎo)可以改變這種情況 3,53,54.光子晶體波導(dǎo)不僅對(duì)直線路徑 3而且對(duì)轉(zhuǎn)角 53，54都有很高的效率,如圖10所示。最近的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論預(yù)言 55。 光子晶體微腔 56-59。在光子晶體中引入缺陷可能在光子帶隙中出現(xiàn)缺陷態(tài)，這種缺陷態(tài)具有很大的態(tài)密度和品質(zhì)因子。這種由光子晶體制成的微腔比傳統(tǒng)微

21、腔要優(yōu)異的多。最近MIT 研究人員制成了位于紅外波段的微腔，具有很高的品質(zhì)因子 59. 光子晶體光纖.在傳統(tǒng)的光纖中，光在中心的氧化硅核傳播。通常，為了提高其折射系數(shù)采取摻雜的辦法以增加傳輸效率。但不同的摻雜物只能對(duì)一種頻率的光有效.英國(guó)Bath大學(xué)的研究人員用二維光子晶體成功制成新型光纖 60：由幾百個(gè)傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列，然后在2000度下燒結(jié)而形成.直徑約40微米。蜂窩結(jié)構(gòu)的亞微米空氣孔就形成了。為了導(dǎo)光，在光纖中人為引入額外空氣孔，這種額外的空氣孔就是導(dǎo)光通道,如圖12所示。與傳統(tǒng)的光纖完全不同,在這里傳播光是在空氣孔中而非氧化硅中，可導(dǎo)波的范圍很大。

22、光子晶體超棱鏡 61，62。常規(guī)的棱鏡的對(duì)波長(zhǎng)相近的光幾乎不能分開。但用光子晶體做成的超棱鏡的分開能力比常規(guī)的要強(qiáng)100到1000倍，體積只有常規(guī)的百分之一大小。如對(duì)波長(zhǎng)為1。0微米和0。9微米的兩束光，常規(guī)的棱鏡幾乎不能將它們分開，但采用光子晶體超棱鏡后可以將它們分開到60度 62。這對(duì)光通訊中的信息處理有重要的意義。 光子晶體偏振器.常規(guī)的偏振器只對(duì)很小的頻率范圍或某一入射角度范圍有效,體積也比較大，不容易實(shí)現(xiàn)光學(xué)集成.最近,我們發(fā)現(xiàn)可以用二維光子晶體來(lái)制作偏振器 63.這種光子晶體偏振器有傳統(tǒng)的偏振器所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)：可以在很大的頻率范圍工作，體積很小，很容易在Si片上集成或直接在Si基上制

23、成。 光子晶體還有其它許多應(yīng)用背景，如無(wú)閾值激光器、光開關(guān)、光放大、濾波器等新型器件 35.光子晶體帶來(lái)許多新的物理現(xiàn)象 1215，6366。隨著對(duì)這些新現(xiàn)象了解的深入和光子晶體制作技術(shù)的改進(jìn)，光子晶體更多的用途將會(huì)發(fā)現(xiàn). 5光子晶體的理論方法簡(jiǎn)介 光在光子晶體中傳播服從Maxwell方程組，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可以得到運(yùn)動(dòng)方程 這個(gè)方程類似電子的薛定諤方程，是線性本征值問(wèn)題，其解完全由空間變化的介電常數(shù)決定.如果介電常數(shù)在空間周期性變化,則會(huì)形成光子能帶。 能帶計(jì)算常用的是平面波展開的方法 3-5,19-21，即將介電常數(shù)和電場(chǎng)或磁場(chǎng)用平面波展開，最后得到本征值方程。解本征方程即可得到光子能帶。光子晶體

24、的能帶計(jì)算可以套用電子能帶的方法，如綴加平面波方法 67，緊束縛法 68等。在處理雜質(zhì)情況時(shí)，若采用平面波方法,則要用超原胞，需要很大數(shù)目的平面波。緊束縛法可以克服這個(gè)困難.Pendry等引入了傳輸矩陣法 69，不僅可以計(jì)算能帶，而且能得到傳輸率。這個(gè)方法對(duì)處理有雜質(zhì)的情況很有效。經(jīng)常用到的方法還有有限差分時(shí)域法 7072，對(duì)計(jì)算能帶和處理雜質(zhì)問(wèn)題效果很好。對(duì)于某些特殊問(wèn)題，多重散射法效果也不錯(cuò) 7375。 6、展望 光子晶體是一門正在蓬勃發(fā)展的、很有前途的新學(xué)科，它吸引了包括經(jīng)典電磁學(xué)、固體能帶論、半導(dǎo)體器件物理、量子光學(xué)、納米結(jié)構(gòu)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家，論文數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)。光子晶體從八十

25、年代末提出發(fā)展至今，取得很大的成就。如今,人們對(duì)波受到周期性調(diào)制的研究已超越光子晶體，聲波 76-79、等離子體波 80-82、磁子波 83等受到周期調(diào)制后出現(xiàn)帶隙和新現(xiàn)象.其它的波，如極化子、自旋波、水波等都值得研究，會(huì)出現(xiàn)新物理現(xiàn)象，有可能發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用. 去年底美國(guó)科學(xué)雜志在預(yù)計(jì)1999年的研究熱點(diǎn)時(shí)，將光子晶體列為所有學(xué)科中的六大熱點(diǎn)之一.由于光子晶體特殊的性質(zhì)，有新物理，更有應(yīng)用前景，國(guó)外目前越來(lái)越多的研究人員進(jìn)入這個(gè)研究領(lǐng)域。據(jù)作者所知，與光子晶體有關(guān)的國(guó)外專利已有近百個(gè)。國(guó)內(nèi)在這方面只有中科院物理所、南京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等單位一些零星的研究工作。特別是實(shí)驗(yàn)制作方面投入的力量

26、太小。因此，希望國(guó)內(nèi)能重視光子晶體這個(gè)有前途的領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn)： # 1 E. Yablonovitch， Phys。 Rev. Lett. 58, 2059 (1987）. 2 S。 John, Phys. Rev. Lett。 58, 2486 （1987). 3 J. D。 Joannopoulos， R. D。 Meade, and J。 N。 Winn, Photonic Crystals： Molding the Flow of Light （Princeton Univ。 Press, NJ, 1995)。 4 Photonic Band Gap Materials，NATO,

27、ASI, edited by C。 M。 Soukoulis (Kluwer, Dordrecht， 1996）。 5 Photonic Band Gaps and Localization， NATO ARW， edited by C。 M。 Soukoulis (Plenum, New York, 1993)。 6 E. M。 Purcell, Phys. Rev。 69, 681 （1964)。 7 S. John, Physics Today 32, 33 (1991). 8 Scattering and Localization of Classical Waves in Rando

28、m Media， edited by P。 Shen （Wrold Scientific, Singapore, 1990）. 9 J。 M。 Drake and A。 Z. Genack， Phys. Rev. Lett. 63, 259 （1989). 10 S. L. McCall, P。 M。 Platzman, R。 Dalichaouch， D。 Smith， and S。 Schultz, Nature 354, 53 (1991)。 11 D. S. Wiersma, P. Bartolini， Ad. Lagendijk, and R。 Righini, Nature 390

29、, 671 (1997）. 12 S。 John and J。 Wang， Phys. Rev。 Lett。 64， 2418 （1990）。 13 C. A. Condat and T。 R。. Kirpatrick, Phys。 Rev。 B36， 6783 （1987)。 14 J。 Martorell and N. M. Lawandy， Phys. Rev。 Lett。 65， 1877 （1990）。 15 G. Kurizki， B。 Sherman, and A. Kadyshevitch， J. Opt. Soc。 Am. B10， 346 （1993）。 # 16 E。 Y

30、ablonovitch and T. J. Gmiter, Phys。 Rev。 Lett. 63, 1950 （1989). 17 S. Satpathy， Z。 Zhang, and M. R. Salehpour, Phys。 Rev。 Lett。 63， 1950 (1990)。 18 K。 M. Leung and Y. F。 Liu， Phys. Rev。 B41， 10188 (1990）。 19 K. M。 Leung and Y。 F。 Liu， Phys. Rev。 Lett. 65, 2646 (1990）。 20 Z. Zhang and S. Satpathy, Ph

31、ys. Rev。 Lett。 65, 2650 （1990). 21 K。 M. Ho， C。 T。 Chan， and C。 M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett。 65, 3152 （1990)。 22 E. Yablonovitch, T。 J。 Gmitter, and K。 M. Leung, Phys. Rev。 Lett。 67， 2295 (1991）; E. Yablonovitch and K. M. Leung, Nature 351, 278 (1991)。 23 K。 M. Ho， C。 T. Chan， C。 M. Soukoulis, R。

32、Biswas, and M。 Sigalas, Solid State Commun. 89, 413 （1994） 24 E。 Ozbay， A. Abeyta， G。 Tuttle, ringides, R。 Biswas, M。 Sigalas， C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and K。 M. Ho, Phys. Rev. B50, 1945 （1994）。 25 H. Sozuer and J. Dowling， J. Mod. Opt。 41， 231 (1994）。 26 S. Fan， P。 Villeneuve， R. Meade， and J.

33、Joannoupolis, Appl。 Phys。 Lett。 65, 1466 (1994)。 27 M. Wanke， O。 Lehmann, K。 Muller, Q。 Z. Wen, and M. Stuke， Science 275, 1284 （1997）。 28 S。 Y. Lin, J。 G. Fleming, D。 L。 Hetherington， B。 K. Smith， R. Biswas， K。 M. Ho， M。 M。 Sigalas， W. Zubrzycki, S. R。 Kurtz, and J. Bur， Nature 394, 251 (1998）. 29

34、Workshop on Electromagnetic Crystal Structres: Design, Synthesis and Applications， Laguna Beach, CA, USA， Jan。 6-8, 1999. 30 N. A. Clark, A。 J。 Hurd, and B。 J. Ackerson， Nature 281， 57 （1979）。 31 P。 Pieranski, Contemp。 Phys。 24， 25 (1983). 32 R. J. Hunter， Foundations of Colliod Science (Clarendon，

35、Oxford, 1992）。 33 P. N. Pusey and W。 Van Megen, Nature 320， 340 (1986）。 34 A。 van Blaaderen and A. Vrij, Langmuir 8, 2921 （1992). 35 I. I。 Tarhan and G. H. Watson， Phys。 Rev。 Lett。 76, 315 （1996）. 36 S. G. Romanov et al.， Phys. Stat. Sol。 164， 169 （1997）。 37 V。 N. Bogomolov et al.， Phys. Rev. E55, 7

36、619 (1997). 38 W。 L. Vos, R。 Sprik， A。 Van Blaaderen, A。 Imhof, A。 Lagendijk， and G。 H。 Bogomolov, Phys。 Rev. B53, 16231 （1996)； ibid. 55， 1903(E) （1997）. 39 B. T. Holland, C. F. Blanford， and A。 Stein， Science 281, 538 (1998）. 40 J。 E。 G。 J. Wijnhoven and W. L. Vos， Science 281， 802 (1998）. 41 A. A

37、。 Zakhidov， R。 H. Baughman, Z. Iqbal, C。 Cui, I。 Khayrullin, S。 O. Dantas， J. Marti, and V. G。 Ralchenko, Science 282， 897 (1998). 42 H。 S。 Sozuer, J。 W. Haus， R. Inguva， Phys。 Rev。 B45, 13962 （1992)。 43 S。 L。 McCall， P。 M. Platzman, R。 Dalichaouch, D。 Smith, and S。 Schultz, Phys. Rev。 Lett. 67， 201

38、7 （1991)。 44 W. M。 Robertson, G. Arjavalingam, R. D. Meade, K。 D. Brommer， A。 M。 Rappe， and J。 D. Joannopoulis, Phys. Rev. Lett. 68, 2023 （1992)； ibid。, J。 Opt。 Soc. Am。 B10, 322 (1993）. 45 R. D. Meade， K。 D。 Brommer, A. M. Rappe, and J. D。 Joannopoulis, Appl. Phys。 Lett。 61, 495 (1992)。 46 U。 Gruni

39、ng et al.， Appl. Phys。 Lett. 66， 3254 （1995)； U. Gruning et al。, Appl。 Phys。 Lett. 68， 747 （1996）。 47 D。 Cassagne， C。 Jouanin, and D。 Bertho, Phys. Rev. Lett。 75， 2217 (1995）； ibid。， Phys. Rev. B 52, R2217 (1995）； ibid., Appl. Phys. Lett。 70， 289 （1997)； A。 Barra， D. Cassagne， and C。 Jouanin, Appl。

40、Phys. Lett. 72， 627 （1998）. 48 K. Inoue et al。， J. Appl. Phys。 33， L1463 (1994)； K. Inoue et al。， Phys. Rev。 B53, 1010 (1996). 49 T。 F。 Krauss, R。 M。 De La Rue， and S。 Brand， Nature 283， 699 (1996); T。 F。 Krauss and R。 M。 De La Rue， Appl. Phys. Lett。 68, 1613 （1996). 50 Y. Chen， G. Faini, H。 Launois

41、， and J. Etrillard， Superlatt。 Microstruct。 22， 109 (1997）. 51 E。 R。 Brown, C. D。 Parker， and E。 Yabnolovitch， J。 Opt. Soc。 Am. B10, 404 （1993）。 52 Y。 Fink， J. N. Winn, S。 Fan, C. Chen, J。 Michel， J. D. Joannopoous， and E. L。 Thomas， Science 282, 1679 （1998）。 53 A。 Mekis et al。, Phys。 Rev。 Lett. 77,

42、 3787 （1996）. 54 J。 D. Joannopoulis, P. R. Villeneuve, and S。 Fan， Nature 386， 143 (1997)。 55 S.-Y。 Lin， E。 Chow, V. Hietala, P. R。 Villeneuve， and J. D。 Joannopoulos， Science 282， 274 (1998)。 56 I。 Abram, and G. Bourdon, Phys。 Rev. A54， 3476 （1996）。 57 G。 S. Agrwal and S. D。 Gupta， Phys。 Rev。 A57,

43、667 (1998）。 58 S.Y. Lin et al。， Appl。 Phys. Lett。 68， 3233 （1996）. 59 J。 S. Foresi, P. R。 Villeneuve, J. Ferrera, E. R。 Thoen， G. Steinmeyer, S. Fan， J. D. Joannopolous， L. C. Kimerling, H. I。 Smith, and E. P。 Ippen, Nature 390, 143 (1997)。 60 J。 C。 Knight, J. Broeng, T. A. Birks， and P。 St. J. Russ

44、ell， Science 282, 1476 （1998). 61 S. Y。 Lin, V。 M. Hietala, L。 Wang et al.， Opt. Lett. 21, 1771 (1996). 62 H. Kosaka et al., Phys。 Rev. B58, R10096 (1998)。 63 資劍、張淳、萬(wàn)鈞，專利申請(qǐng)中；C。 Zhang, J。 Wan， and J。 Zi, IEEE Trans. Microw. Theo. Tech。， special issue, to be published. 64 S. John, Physica B： Condens.

45、Matt. 175， 87 (1991); S。 John and T. Quang, Phys。 Rev. A52, 4083 (1995）； ibid., Phys. Rev。 Lett. 74, 3419 (1995）； ibid. 76， 1320 （1996)； ibid。 76, 2484 (1996）； ibid。 78， 1888 （1997). 65 S。 -Y。 Zhu， H. Chen， and H。 Huang， Phys。 Rev. Lett. 79， 205 （1997)。 66 G. Kurizki and A. A。 Genack， Phys. Rev. Let

46、t。 61, 2269 (1988）。 67 W. C. Sailor， F. M。 Mueller， and P. R. Villeneuve, Phys. Rev B57， 8819 （1998)。 68 E。 Lidorikis， M。 M. Sigalas， E. N。 Economou, and C. M. Soukoulis, Phys。 Rev. Lett. 81, 1405 (1998）. 69 J。 B。 Pendrym and A。 MacKinnon, Phys. Rev。 Lett。 69, 2772 （1992); J. B。 Pendry， J. Mod. Opti

47、cs 41, 209 （1993）； P。 M。 Bell, J. B。 Pendry, and A。 J。 Ward, Comp。 Phys。 Comm. 85, 306 （1995）. 70 K. S。 Yee, IEEE Trans. Antennas Proga. 14， 302 (1966）. 71 C。 T。 Chan， Q. L。 Yu, and K。 M. Ho, Phys. Rev。 B51, 16635 （1995). 72 A. J。 Ward and J. B。 Pendry Phys. Rev。 B58, 7252 （1998)。 73 W. H。 Butler, Phys. Rev. B14， 468 (1976）。