资剑

复旦大学表面物理国家重点实验室，上海 200433

jzi@fudan.edu.cn

摘要

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。

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2. 光子晶体简介
3. 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 (photonic 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