如何利用光子晶体材料实现高效反射和非线性光子晶体器件？

1.光子晶体概况

光子晶体就是由不同介电常数的材料周期性排列而形成的微结构，通常为人工制造。

1987年，美国的Eli·Yablonovitch教授在讨论如何抑制自发辐射时，提出了光子晶体概念。几乎同时，加拿大的Sajeev·John教授在讨论光子局域时也独立提出此概念。1999年，光子晶体被美国Science杂志评选为十大重大科学进展的领域之一。天然的光子晶体有蛋白石、海老鼠背部的长刺、某些种类蝴蝶翅膀上的磷粉，等等。光子晶体对于光子的调制，具有类似于半导体器件对电子的控制。

光子晶体具有光子带隙。光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率正好处于光子晶体的带隙中时，光不能从光子晶体中穿过，将被全反射。如果光子晶体具有完全带隙（所有方向的入射光都被全反射），当处于其中原子自发辐射的频率又处于光子晶体的带隙中时，那么原子的自发辐射都将受到抑制。

根据不同介电常数材料的周期性排列的复杂程度，人工制作的光子晶体分为一维、二维、三维光子晶体。如图1-11所示。

图1-11　光子晶体结构

光子晶体的制备方法，包括介质棒堆积、精密机械钻孔、淀积/刻蚀工艺、胶体颗粒自组装、光电化学腐蚀方法、激光全息光刻法和电流变液法等。(www.xing528.com)

2.光子晶体的应用

利用光子晶体控制光在其中传播的特性，可以制作全新原理或以前不能制作的高性能器件。

①低损耗反射镜。利用频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播的特性，选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为100%。传统的金属反射镜虽然在很大频率范围内可以反射光，但在红外和光学波段有较大的吸收。

②光子晶体偏振片。传统的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较大，不容易实现光子集成。不同偏振态的带隙结构的差异能够用以制作偏振器件，用二维光子晶体制作的偏振器具有传统偏振器不具备的优点，可以在很大的频率范围工作，体积很小，易于集成等。

③光子晶体发光二极管。一般的发光二极管从发光中心发出的光经过包围它的介质的无数次反射，大部分的光不能有效地耦合，从而使得二极管的光辐射效率很低。将发光二极管的核心发光部分放入特制的光子晶体中，利用光子晶体对自发辐射的控制作用，核心发光部分的自发辐射频率与该光子晶体的光子频率禁带重合，受控的自发辐射按照引导波导发光，使发光二极管的效率大大提高。

④光子晶体滤波器。光子晶体具有优良的滤波性能。与传统的滤波器相比，光子晶体滤波器的滤波带宽可以做得比较大，实现大范围的滤波作用。

⑤光子晶体光纤。传统光纤纤芯的折射率比包层大得多，它是利用光在两种不同介质面上的全反射原理传播光的。光子晶体纤芯折射率比包层低，排除了内反射。传统介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处损失能量，光子晶体光纤克服了传统光纤光损耗大的缺点，可传输极高功率的光信号而不受损坏，这对光集成有着重要意义。

此外，光子晶体还有其他应用，如光子晶体微腔、光子晶体波导、光子晶体超棱镜、光开关、光放大、光储存器、光限幅器和光子频率转换器等。非线性和光子晶体的结合，产生了非线性光子晶体器件。