话题讨论一：光子晶体:版面开启话题讨论活动。
第一期的主题为光子晶体。
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楼主很有心啊，可惜对这块一点不了解啊...
【英】Photonic Crystals
解释1：即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
解释2：光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。
应用：迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。
光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：
1,与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；
2，与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用
3,光子晶体光纤应用
PBG结构缺陷的谐振特性研究*发布: 2009-6-15 12:24 | 作者:
闫敦豹，袁乃昌 | 来源: 网络转载 | 查看: 0次
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结构 谐振 PBG 特性 缺陷
（国防科技大学光子晶体研究中心，长沙410073）
要：本文研究了矩形波导中利用介质层PBG结构形成的Fabry-Perot谐振器的特性，并详细分析了PBG结构的纵向长度、谐振区长度以及介质层介电常数对其谐振特性的影响。本文对制作
此类谐振器具有一定的参考价值。
关键词：光子晶体，PBG结构，缺陷，Fabry-Perot谐振器
1引言
光子晶体（Photonic Crystals）是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构[1]。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。
PBG结构的实现有很多种方法：在微带电路中，在接地板上对应微带线的位置打孔或者在微带线下面进行介质穿孔（不穿透接地面）均可实现；在波导中，沿纵向周期排列介质层或介质柱（介质层或介质柱均平行于波导横截面）也可以实现PBG结构。既然PBG结构对某一频率的电磁波呈现“阻挡”现象，那么当这一频率的波在两个同样的PBG结构之间传播时（实际上可以看作是在有缺陷的PBG结构中传播），就会来回反射，产生谐振现象[2]，从而形成Fabry-Perot谐振器[3]（图1）。本文研究了矩形波导中由两个质质层PBG结构形成的谐振器的谐振特性，详细分析了PBG结构厚度、谐振区长度、单元结构等因素对其S参数的影响，并进行了一定的理论分析。本文提供的数据对设计用介质层PBG结构形成的矩形波导谐振器具有一定的考虑价值。
2结构设计
PBG结构设计的理论已初具雏形。依据光学中的ragg反射条件可以得出，PBG结构的周期约为在其中传输波的波导波长的1/2。应用PBG结构以后，波导波长的计算变得十分复杂。在微带电路中，如果PBG结构单元相对于周期尺寸较小，则可以用普通微带线的波导波长近似代替应用PBG结构以后的波导波长；但对于本文研究的介质层PBG结构，介质层的影响很大，不能用这种近似来代替，但可以用体积平均值模型来估算等效的介电常数[4]，从而估算出应用PBG结构以后的波导波长。等效介电常数的体积比模型是指：如果介质层厚度以及介质层之间的空气层厚度均小于1/2波导波长，有效介电常数约为介质层与空气层的体积平均值。这样，介质层PBG结构的设计可以依据下列3个公式[4]来进行：
其中d和p如图1所示，εr和εe分别为介质的相对介电常数和PBG结构的等效介电常数，λ与λg分别为PBG结构形成的阻带中心频率所对应的真空中波长和波导波长，λc为矩形波导TE10模对应的截止波长。
在此基础上，我们设计了两侧为介质层PBG结构的Fabry-Perot谐振器，如图1（b）所示。谐振区两侧是同样的PBG反射器，谐振区长度约为波导波长的1/2，即约为一个PBG结构周期。在实际加工中，如果在波导谐振器的两侧加上法兰盘便可做成实用的谐振器。
3 研究结果
本文所有计算结果均是利用FDTD数值方法计算而得，在波导纵向的两侧设置PML吸收边界条件，四周设置为理想导电体，用高斯脉冲以TE10模的形式激励，然后对所得数据进行Fourier变换，进而得到其S参数。
3.1 PBG结构的带阻特性
我们首先研究了介质层PBG结构的带阻特性。矩形波导的横向尺寸为5.7cm×2.3cm, εr=2.0,d/p=0.5,p=2.3cm，沿波导纵向设置9个周期，设计的阻带中心频率约为5.5GHz。图2计算得到的S参数，从中要以看出这种结构本身具有带阻现象。
（3）在PBG结构阻带中心频率和有效介电常数不变的前提下，介质层的介电常数越高，谐振器的Q值越高。这使得若PBG结构采用介电常数高的介质层，可以减小谐振器的尺寸。
（4）经过多次计算发现，若将谐振区长度减小1/6左右，可以获得比较满意的修正结果。
[1] Vesna Radisic,Yongxi Qian,Roberto Cocciili,et al.Novel 2-D Photonic Bandgap Structure for Microstrip Lines.IEEE Microwave Guided Wave Lett.1998,8(2):69～71.
[2] Tae-Yeoul Yun,Kai Chang.Uniplanar One-Dimen-sional Photonic-Bandgap Structures and Resonators.IEEE Trans.MTT.,2001,49(3):549～553.
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结构 谐振 PBG 特性 缺陷光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs） ，实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs）只是在近期才得到实验证明。
德国物理学家制造了一种可以用磁场来调节的新型光子晶体，其性能优于电调节光子晶体。德国Karlsruhe研究院的Stefan Linden与Karlsruhe大学的合作者利用一对金线制成了这个装置，金线的作用是充当人造磁性原子。这个发现为人们在纳米尺度操控光提供了一种新方法。（参考文献：Phys.Rev.Lett. 97 083902） 光子晶体是一种某些性质周期性变化的人造纳米结构材料，通常这种材料的电容率（也称介电常数）呈周期性变化，可以产生“光子带隙”从而使光的传播变得可控。其原理类似于周期变化半导体材料产生的控制电流的导带和禁带。光子晶体的实现也是通过有目的的掺杂，使晶体具备控制光传播的能力。在此之前，所有操纵可见光的光子晶体都是通过电信号调节材料的电容率来控制的。虽然从理论上讲也可以通过调节导磁率（μ）来实现这种功能，但是众所周知天然材料对可见光来讲其导磁率μ为1，也就是说，研究者不能通过调节导磁率的方法来制造光子晶体。 直到现在，Linden与其合作者才发现了一种用超颖材料（metamaterial）解决这个问题的方法。超颖材料是一种用纳米微杆、金属小环等制造的人工纳米结构复合材料，这些纳米小部件在材料中扮演人造原子的角色。超颖材料的性质与它的组件完全不同，包括导磁率μ不等于1。在Linden他们目前的实验中，使用了一对被50纳米厚的氟化镁分开的宽为220纳米长为100微米的金线，构造了一个一维人造磁性原子阵列。然后他们将这个装置置于石英底座上，制成了一个可以使光沿特定路线传播的磁光子晶体。 Linden说：“我们的发现证明了关于存在磁光子晶体的理论，尽管它距实际应用还有相当的距离。”既可以利用电容率也可以利用导磁率，在设计制造光子晶体方面给了科学家们更大的自由度。
光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波———当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。
迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。
光子晶体（Photonic Crystal）指能對光作出反應的特殊晶格。光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。
原理
光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
历史
尽管光子晶体的研究自从1887 年就开始了，但直到一百年后的1987 年，光子晶体这个名词才被第一次出现在由 Eli Yablonovitch [1] 和 Sajeev John [2]分别发表在《Physical Review Letters》上的两篇关于光子晶体的标志性文章中。
在1987 年以前, 详尽的研究集中在一维光子晶体，即规则排列的多层半导体材料上（例如布拉格反射镜）。 瑞利爵士（Lord Rayleigh）从1887 [3]开始研究一维晶体，发现这种结构具有一维光子禁带，即对于一定波长范围的波具有极大的反射率。今天，这种结构被用在各种各样的领域，从增加LED效率的反射涂层到到激光腔中的高反镜(例如, VCSEL)。在Bykov [4] 的关于一维光子晶体结构的理论研究中，他第一次研究了在光子晶体中，光子禁带对于镶嵌其中的原子分子的自发发射现象的影响。Bykov 还推测了二维以及三维光子晶体对自发发射的影响 [5]。但是，他的想法并没有受到重视，直到1987 Yablonovitch 和John 发表了他们的标志性文章。这两篇文章都探讨了高维规则光学结构──光子晶体。Yablonovitch 的出发点是通过改变光子态的密度（photonic density of states）从而达到控制光子晶体中物质的自发发射；John 的想法则是利用光子晶体来控制光的行为。
自1987 后，关于光子晶体的学术论文的数量呈现出几何级数上升的趋势。但是，由于制作光学尺寸的光子晶体的难度太大，早期的研究大多集中在理论研究及微波级光子晶体（其尺寸在厘米级）的制造上。(电磁波具有非尺寸依靠特征，所以在麦克斯韦方程的解中没有实际的尺寸，因此厘米尺寸的结构对于微波的影响和纳米尺寸结构对可见光的影响是相同的。1991年，Yablonovitch 制造出了第一个在微波范围的三维光子晶体 [6]。
1996年，Thomas Krauss 制作出了世界上第一个在光学尺寸上的一维光子晶体 [7]。他的成功开辟了一条新道路，即利用已有的半导体工业技术来制造半导体材料的光子晶体。如今，二维光子晶体，即半导体的薄片堆层应用在很多领域；如利用全内反射将光限制在晶体中而产生光子晶体效应及控制光的色散。世界上很多研究围绕在利用光子晶体制作计算机芯片以提高计算机的运行速度。虽然这项技术还远没有达到商业应用，二维光子晶体已经被应用在光纤上。光子晶体光纤最早由Philip Russell在1998 制作，它相对于普通光纤有很多先进之处。
由于制作上的难度，三维晶体的研究远远落后于二维晶体，即使在半导体工业中也没有可以借鉴的方法来制造三维光子晶体。最近，一些科研组发展出一些有效的方法，不少样品被制作出来。[8] 例如，通过层层堆积方法制造出木料堆结构。又如，利用自组装方法-- 让大小均一的纳米尺寸微球通过自组装形成三维规则结构。
应用光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。
2005年美國的研究人員成功地使用兩種新式二維光子晶體，將光的群速度降低了超過一百倍。[注1]這項裝置未來可望被應用於各種光學系統及元件中，其中包括高功率、低閾值的光子晶體激光。
光子晶體也可以將拉曼光訊號放大一百萬倍。英國的Mesophotonics宣稱，該公司於2005年的Photonics West會議中發表這種結合光子晶體與表面增強拉曼光譜術(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的產品，由於靈敏度超高，未來可望應用在醫療診斷、藥物輸送，以至於環境監控上。
[注1]參見 Appl. Phys. Lett. 86, p.111102 (2005).
“国防科技大学光子晶体研究中心”牛啊
光之晶体，我认为可以划分到Metematerial类中
光子晶体（photonic crystals简称：PC）是折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期和光的波长为同一个数量级。光子晶体也称为光子带隙材料（photonic bandgap materials），也有人把它叫做电磁晶体（electromagnetic crystals）。
我们假设构成光子晶体的介质是线性和各向同性的，为简单起见，设电场和磁场为简谐模式（其他任何形式的模式可以通过傅立叶变换为简谐模式的叠加），即。将电场和磁场的表达式代入到麦克斯议程中有：
式（1）表明光子晶体中，电磁波都是横向的。将（3）式两边同时除以后，议程两边取旋度，把（2）式代入其中便得到（4）。于是在光子晶体中电磁波的分布服从下列议程：
其中：ε(r)为介电常数，ω为光波的角频率，c为光速。方程（4）只在特定的频率处有解，而在某些频率区域没有解，这样就形成了类似电子晶体的能带结构，称之为光子能带（photonic band）。能带之间的电磁波在光子晶体中是被禁止的，即存在带隙，称为光子带隙（photonic bandgap，简称PBG）。光子带隙的存在依赖于光子晶体的结构和介电常数之间相差越大，则越有可能出现光子带隙；几何形状也影响光子带隙的出现，通过人工地改变光子晶体的对称结构也可以产生光子带隙。
光子晶体按照空间分布的周期性可以分为：一维、二维和三维光子晶体。其中一维光子晶体就是我们通常所说的光学多层膜，多层介质腊周期性地排列形成一维光子带隙，使某些频率范围的光子无法穿越，产生高效率的反射。在实际的应用中，二维和三维光子晶体有着更广泛的前景，因此更受到人们的重视。
如果在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，破坏其结构的周期性，那么在光子禁带中引入缺陷态，如图2所示。
与缺陷态频率吻合的光子被限制在缺陷的位置，一旦偏离缺陷位置将迅速的衰减。这样就可以控制光波在缺陷中进行传输，并且由于光子禁带的存在，即使让光波经过很大角度的弯曲处时，也几乎没有能量的损失。正是由于带缺陷的光子晶体具有这种良好的导波特性，它在集成光路中有着巨大的应用潜力。
3光子晶体的制备和理论分析方法
光子晶体的制备有一定的难度，因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：对于光通信波段（波长1.55μm），要求光子晶体的晶格在0.5μm左右。近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工制备方法，如：介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织长年和半导体工艺等。用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。
光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（plane wave expansion method简称：PWM）、传输矩阵法（transfer matrix method简称：TMN）、有限差分时域法（finite difference time domain简称：FDTD）和散射矩阵法（scattering matrix method简称：SMM）等。
平面波展开法是比较常用的一种方法，它的基本思想是：将电磁场以平面波的形式展开，可以将麦克斯韦议程组化成一个本征议程，求解该方程的本征值便得到传播的光子的本征频率。这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下根本无法求解。
传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式，同样变成本征值求解问题。传输矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效，而且由于传输矩阵小，矩阵元少，运算量小，同时在计算传输光谱时也是十分方便的。但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦，效率不是很高，因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。
有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分议程，利用布里渊区边界的周斯条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其中只有少量的一些非零矩阵元，计算最小。但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。
散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的场分布。应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的，但是由于这种方法需要较长的运算时间，在有些情形下实际上是不可行的。
实际理论分析中，还有很多其他的方法，如：有限元法、N阶法等。这些方法各有优缺点，在应用时要根据实际场合合理地选用。在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的，由于光子晶体的制备非常困难，通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性，再由试验来验证这些结论。
4光子晶体在光通信中的应用
光子晶体的发现，提供了一种全新的控制光子传播的机制。通过光子晶体的带隙以及带隙中的缺陷态可以很方便地禁止或允许一定频率的光子通过。这一特性决定了光子晶体有着广泛的应用潜力，特别是在光通信领域中。Yablonovitch称光子晶体为光的半导体，利用它我们可以制造出光通信中所用到的各种器件：光子晶体光纤、微谐振腔、品质优良的滤波器、集成光路等。
（1）光子晶体光纤 光子晶体光纤（photonic crystal fiber简称：PCF）的概念最早由ST.J.Russell等人在1992年提出。它是在石英光纤上规则地排列空气孔，而光纤的纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成，这个缺陷态可以是大的空气孔或实心的石英。这样从光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，并且在光纤的中心有缺陷态，光便可以沿着缺陷态在光纤中传输。对于实心的石英缺陷态，如果包层的空气孔的尺度不是太大，并且排列的不是很规则，可能会存在全反射导光的情形。虽然和传统光纤的导光机制一样，但是却具有明显优于传统光纤的特性：
*在很宽的频率范围内支持单模传输，通过合理的设计可以支持任何波长光波的单模传输；
*光子晶体光纤的纤芯面积可能大于传统光纤纤芯面积的10倍左右，这样就允许较高的入射光功率。光子晶体光纤还具有很多传统光纤没有的特性，如：在大角度处光波的传输几乎没有损耗；具有奇特的色散特性，在波长低于1.3μm可以获得反常色散，同时保持单模传输；改变空气孔的大小和排列而子晶体光纤在未来的光通信领域将有着广阔的应用前景。
（2）微谐振腔 传统的谐振腔的制作方法用于制造微谐振腔是相当困难的，而且在光波段传统金属谐振腔的损耗相当大，品质因数很低。采用光子晶体可以制造出品质因数很高的微谐振腔。在一种层堆积的三维光子晶体中引入线缺陷态便可以构造出一个微谐振腔，这种微谐振腔的Q值随着光子晶体的层数的增加而呈指数增长，当光子晶体的层数不是很大时，Q值也可以超过5000。如果用这种微谐振腔作为激光器的谐振腔，使激光器中的自发辐射频率落在光子晶体的禁带范围内，就可以有效降低激光振荡的阈值，从而做出低阈值高效的激光器。利用这个原理同样可以用来制作高效率的发光二极管。
（3）品质优良的滤波器 利用光子晶体的带隙特点可以实现对光波优良的滤波性能。光子晶体的滤波带宽可以做得很大，目前能实现从低频（几乎为0Hz）直到红外的宽带滤波。在光子晶体中引入缺陷态能制造一些可以“通过的窗口”，这样频率落在带隙中的一些光可以几乎没有损耗地通过。这一特性可用来制造高品质极窄带的滤波器，对于发展超高密度波分复用光通信技术和超高精度光学信息测量仪器具有重要应用价值。
（4）集成光路 将光子晶体用来制作集成光路是人们最给予厚望的。光子晶体中的缺陷态就像电子半导体中的掺杂，使光子晶体具有很多的功能，通过组合这些功能我们可以在光子晶体上构造出适合需求的集成光路。但是最终制作集成光路还必须满足：
*能在光波长区域内构造完全的光子禁带；
*能够在光子晶体的任意位置引入任意的缺陷态；
*可以引入有效的发光元件；
*需要具有导电性的晶体。
4结束语
光子晶体优良的特性，及其在光电子领域巨大的应用潜力，必将推动光通信技术的飞速发展。目前光子晶体正处于深入研究和应用推广阶段，许多美好的设想即将成为现实，我们将在该领域进行大量的研究工作。
光子晶体的制备有一定的难度，因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：对于光通信波段（波长1.55μm），要求光子晶体的晶格在0.5μm左右。近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工制备方法，如：介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织长年和半导体工艺等。用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。
光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（plane wave expansion method简称：PWM）、传输矩阵法（transfer matrix method简称：TMN）、有限差分时域法（finite difference time domain简称：FDTD）和散射矩阵法（scattering matrix method简称：SMM）等。
平面波展开法是比较常用的一种方法，它的基本思想是：将电磁场以平面波的形式展开，可以将麦克斯韦议程组化成一个本征议程，求解该方程的本征值便得到传播的光子的本征频率。这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下根本无法求解。
传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式，同样变成本征值求解问题。传输矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效，而且由于传输矩阵小，矩阵元少，运算量小，同时在计算传输光谱时也是十分方便的。但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦，效率不是很高，因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。
有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分议程，利用布里渊区边界的周斯条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其中只有少量的一些非零矩阵元，计算最小。但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。
散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的场分布。应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的，但是由于这种方法需要较长的运算时间，在有些情形下实际上是不可行的。
实际理论分析中，还有很多其他的方法，如：有限元法、N阶法等。这些方法各有优缺点，在应用时要根据实际场合合理地选用。在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的，由于光子晶体的制备非常困难，通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性，再由试验来验证这些结论。
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书名:微波光子晶体天线技术
ISBN:711804497
作者:付云起//袁乃昌//温熙森
出版社:国防工业出版社
定价:16
页数:189
出版日期:2006-5-1
版次:
开本:32开
包装:平装
简介:本书立足于编者近年来的科研成果和国内外的研究进展，系统、全面地介绍了利用光子晶体材料设计微波天线的基本理论、技术和方法。全书共5章，分别为概述、低剖面光子晶体天线、表面波抑制天线、光子晶体天线阵列、高方向性光子晶体天线。.
本书可供雷达、电子工程等专业的大学高年级学生、研究生、教师及有关研究人员参考。...
目录:
第1章 概述
1.1光子晶体起源
1.2光子晶体的物理基础
1.2.1光子晶体的周期性描述
1.2.2光子晶体中的Maxwell方程
1.2.3 Bloch—Floquet原理
1.2.4能带结构
1.3微波光子晶体
1.3.1微波光子晶体结构
1.3.2微波光子晶体的分析方法
1.3.3微波光子晶体的应用
第2章 低剖面光子晶体天线
2.1复阻抗表面的反射
2.1.1复阻抗表面的反射
2.1.2金属表面的反射
2.1.3褶皱表面的反射
2.2高阻电磁表面的反射相位
2.2.1高阻电磁表面
2.2.2等效并联LC谐振电路
2.2.3高阻电磁表面的表面阻抗和反射相位
2.2.4反射相位的FDTD计算
2.2.5人工磁导体
2.3低剖面光子晶体天线
2.3.1传统的偶极子天线
2.3.2低剖面偶极子天线
2.3.3低剖面螺旋天线
2.3.4低剖面阿基米德天线
2.4背腔耦合微带天线
2.4.1耦合微带天线结构
2.4.2带有人工磁导体的口径耦合天线
第3章 表面波抑制天线
3.1天线中的表面波
3.1.1不同介质分界面上的表面波
3.1.2导体表面
3.1.3敷有介质层的导体平面
3.1.4表面波对天线性能的影响
3.2微波光子晶体的带隙
3.2.1带隙的方向性
3.2.2表面波的带隙
3.2.3天线中表面波的抑制
3.3光子晶体微带天线
3.3.1光子晶体微带天线结构
3.3.2光子晶体微带天线设计
3.3.3光子晶体口径耦合微带天线
3.3.4光子晶体卫星导航接收天线
3.4光子晶体口径天线
3.4.1光子晶体波导缝隙天线
3.4.2光子晶体圆波导开口天线
3.4.3光子晶体圆波导介质天线
3.4.4波导宽边缝隙天线阵列
第4章 光子晶体天线阵列
4.1阵列天线中的互耦及扫描盲点.
4.1.1天线阵中曲互耦
4.1.2相控{串天钱酶扫描膏点
4.2光子晶体抑制阵列天线中的互耦
4.2.1微带天线间互耦
4.2.2单脊波导缝隙阵列天线间互耦
4.3光子晶体微带相控阵天线
4.3.1天线结构
4.3.2偶极子阵列
4.3.3微带贴片阵列
4.4波导端头缝隙相控阵
4.4.1波导端头缝隙相控阵天线分析
4.4.2光子晶体波导端头缝隙相控阵宽角阻抗匹配的改善
4.5圆波导介质相控阵
4.5.1相控阵天线的有源单元方向图
4.5.2线性阵列有源单元方向图的改善
4.5.3平面阵列有源单元方向图的改善
4.5.4光子晶体消除圆波导介质相控阵扫描盲点
第5章 高方向性光子晶体天线
5.1光子晶体的缺陷
5.1.1光子晶体的缺陷模式
5.1.2光子晶体缺陷的频域特性
5.2光子晶体缺陷天线
5.2.1基本原理
5.2.2典型天线结构
5.2.3多频光子晶体缺陷天线
5.2.4其它结构
5.3光子晶体内源的辐射
参考文献
翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶（1）
在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果[1}。
点缺陷：
虽然只有完美的光子晶体才可能拥有绝对能隙，但就应用的角色来看，科学家对不完美的光子晶体更感兴趣，原因就是杂质态 (impurity state)。实验上发现，在二维或三维的光子晶体中加入或移去一些介电物质(如图2所示)，便可以产生杂质或缺陷(defect）
图2 点缺陷 图3 能级中的缺陷态
对于一个杂质态而言，由于杂质四周都是光子晶体形成 的“禁区”，电磁波在空间分布上只能局限在杂质附近，因此一个点状缺陷(point defect)相当于一个微空腔(micro-cavity) 。如果像图3一样接连制造几个点状缺陷，形成线状缺陷(line defect)，电磁波便可能沿着这些缺陷传递，就相当于一个波导(waveguide)，甚至有人以它设计成光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)。以上只是杂质态在光电方面的几个应
光子晶体中的线状缺陷可以做为波导图3
光学界的"半导体"
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??由于杂质态可以藉改变杂质的大小或其介电常数而加以调整， 因此只要设计妥当，我们便可按需求制造出具有特定能量或位于特定空间的杂质态，与半导体藉由搀入杂质来调整载子性质非常相似，因此，光子晶体又经常被比喻成未来光学界的“半导体
整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图4
而能够使用纳米小球技术大面积均匀单一层地铺排，就只需要使用液体即能达到一般所谓的「光子晶体化」的效果，而不需要使用半导体制程做蚀刻，光经过这个周期性结构出来较原本多，以实验数据来看，蓝光LED的发光效率增加幅度可以达到48％。面心立方排列更规整。
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光子晶体：光信息时代的“半导体”
电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限，以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，近年来，我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果。我国可以将发展新一代集成电路技术与光子晶体技术统筹规划，实现微电子技术向光子技术的顺利过渡。
光子技术带来信息革命 信息技术是信息化社会的主要技术支撑。目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之上的微电子技术。由于强烈的需求，微电子技术以惊人的速度发展。根据“摩尔定律”，半导体元件的集成度以每18个月翻一番的速度发展，电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限(如速度极限、密度极限)，这些不可逾越的技术极限对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。 以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，因为光子技术具有高传输速度、高密度及高容错性等优点。然而，由于光子不像电子一样易于控制，长期以来，光信息技术仅仅在信息传输(光通信)中得到应用，而且是最基本的信息功能。而信息处理的核心部分则依然依赖微电子技术。 光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波———当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。 迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 实现微电子向光子技术顺利过渡 光子禁带理论自1987年被美国科学家提出后，立即引起了美国等西方国家学术界、产业界和军界的密切关注，各国政府机构和一些跨国公司纷纷投入开展有关的理论、材料和器件的研究工作。据不完全统计，与光子晶体有关的技术专利目前已达上千余项。国外一些大公司已开发出了多种光子晶体器件产品，其中光子晶体光纤等产品已进入了产业化阶段。 光子晶体的出现，为信息技术新的飞跃提供了一次历史性的机遇。正如20世纪中叶半导体的发现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响一样，光子晶体的研究、开发和应用可能为未来若干年世界经济的发展提供一个新的生长点。 近年来，我国政府和科技界对光子晶体的研究也给予了相当的重视，光子晶体研究先后得到了国家“973计划”和“863计划”的支持，我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果，如复旦大学资剑教授课题组首次发现的孔雀羽毛中的光子带隙结构，中国科学院物理研究所张道中教授提出的准晶结构光子晶体，以及我们首次提出的基于铁电陶瓷相变和电光效应的可调带隙光子晶体等均在国际同行中产生了一定的影响。然而，作为一类有重大应用背景的材料，仅仅停留在学术研究方面是远远不够的。吸取我国半导体工业发展的经验与教训，我们应该尽早将支持重点转向相关材料与器件的应用开发上。由于光子晶体的制备需要实现纳米-亚微米尺度的有序结构，其设备价格非常昂贵，因此相关的加工技术将成为相关产业的瓶颈。 目前，国外一些大企业正在试图将已有的半导体集成电路工艺用于光子晶体材料和器件的制造。目前我国大规模集成电路产业正处于迅速增长阶段，从技术战略上考虑，可以将发展新一代集成电路技术与光子晶体技术统筹规划，在集成电路制程基础上发展光子晶体制程，不仅可以节约大量的资金投入，还可能实现两大类信息技术的合理衔接，实现微电子技术向光子技术的顺利过渡。
光子晶体
---新的机遇和挑战
一个补习班的课件分享给大家
利用光
蚀刻技术制造二维
光子晶体的
研究是目前的研究主流，因为利用光蚀刻技术不但可以精确地制造出高度次序排列的数组，更可利用光罩的
设计来达成光波导的行径方向。
图3.3 利用光蚀刻技术制造二維光子晶体
利用光蚀刻技术可成功的制造出二维光子晶体，比方在光子晶体
结构中制造一瑕疵点，则会使得某些波长的光无法穿越此光子晶体而成为光子绝缘体，因而这些特定波长的光子将被限制在瑕疵点中，进而形成一高密度、高能量的共振场，则可制造出零临界电压的雷射发生器。
图3.4 二維光能隙雷射模型 （取自 Science 284,1819,1999）
同时这种具有共振
特性之光子晶体因为对光波长具有选择性，因此也可利用其将特性波长的光子取出并转向，作为光通讯中的滤波仪器。
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图3.5 利用光蚀刻技术设计光波导方向（取自 Science 282,275,1998）
2000年Susumu等人在科学期刊中发表利用光蚀刻技术成功的制造出具有明显光能隙的
三维光子晶体，但是由于光罩对位等条件的限制，因此该系列的三维光子晶体的层数并不理想。
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图3.6 光蚀刻技术制造三維光子晶体 （取自 Science 289,605,2000）
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综上所述，利用光子晶体所设计的新式光学波导可以在低折射率如空气中的环境传播，有别于传统光学波导传播需受限在高折射率的介质中的情形，因此可大幅改善传统光学波导中诸如色散效应、能量传递、可弯曲程度受限制的情形。此种光子晶体可取代传统光纤，
应用在光通讯与积体光学仪器的领域，具有非常大的商业
价值。
自组装(Self-Assembly) 制造三维光子晶体
到目前为止，光子晶体的制备多是利用由上而下的蚀刻来制作，该制作的
程序不但繁杂亦很难做到三维的结构。相对的，若我们效法生物体利用自组装生成诸如头发、牙齿以及骨头等
模式，采取由分子程度逐步建构至纳米程度的结构，亦即由下而上的方法可解决上述的问题。
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在目前的科学研究中，以自组装模式制造三维光子晶体的多是采用均一粒径的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅纳米颗粒利用自然、离心、抽滤以及真空等方式将纳米颗粒制成模板，再于模板上添加无机氧烷单体使其进行溶胶凝胶反应，最后利用锻烧与萃取等方式将有机模板移除，可生成具有光学晶体性质之高度均匀孔径之三维光子晶体
.
图3.7 均匀粒径聚苯乙烯粒子
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一般而言利用自然干燥的方式可能得到六面（hexagonally close packed）、面心（face-centered cubic）、体心（body-centered cubic）以及杂乱（random）堆积等形式，但若以离心干燥的方式则可能得到紧密堆积的纳米颗粒模板。
图3.9 利用均匀粒径纳米颗粒可堆叠不同形式的模板
不同的堆积方式会使得模板中可供金属氧烷化物进入的空间有所差异，例如：在六面与面心堆积的结构中，纳米颗粒占总结构体积的74％，因此有26％的残留空间可供金属氧烷化物填充；相对地，在体心堆积的结构中纳米颗粒占总结构体积的68％，故有32％的残留空间可用来填充金属氧烷化物。为了填充不同体积残留空间所需的金属氧烷化物剂量亦须有所变化，因为过多的金属氧烷化物在移除有机模板的过程中可能会造成孔径的不均匀性，而不足量的金属氧烷化物则可能会造成最终产物结构崩塌的现象。
1998年 Stein利用抽滤的方式将均一粒径的聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒制成模板，再于其上浸润锆、钛或是铝的烷氧化物使其进行溶-凝胶反应，最后以高温锻烧，可得多孔性的光子晶体。
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图3.10 利用抽滤法制造三維光子晶体 （取自 Science 281,538,1998）
2001年时Norris等人以硅基板及均匀粒径硅颗粒利用液体缓慢的挥发，成功地自组织生成多层高次序排列的光子晶体。
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图3.11 自組裝光子晶体 （取自 NATURE 414, 257 & 290,2001）
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上述利用自组装的方式虽然可以成功的制备出高次序排列结构的三维光子晶体，但是制程仍烦琐且缓慢，国内中央大学化材系陈晖教授利用控制反应
系统中的温度梯度以及浓度梯度，已大幅改善自组装制造三维光子晶体的制程，可成功地快速制造出高次序排列结构的三维光子晶体。
这篇文章引自台湾国立中央大学詹佳桦与陈晖教授写的《光子晶体制造方法》
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技术 三维 光子 蚀刻 晶体控制光子流动的晶体：光子晶体
资剑(复旦大学表面物理国家重点实验室)
二十世纪五十年代开始的以半导体为代表的电子 带隙材料导致了微电子革命，其核心就在于采用这种 能够操纵电子流动的电子带隙材料。我们所处的时代从某种意义上说是半导体时代，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、信息高速公等等这些甚至连小学生都 耳熟能详的东西都是由半导体带来的。几乎所有的半导体器体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。但集成的极限在可以看到的将 来会出现，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：速度更快，没有相互作用。
光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料。 这种材料有一个显著的特点，即它可以如入所愿地控 制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通讯、微 波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术 的一种新概念材料，也是为相关学科发展和高新技术 突破带来新机遇的关键性基础材料。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。
操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求，全球高新技术领域的科学家与企业家都期待着新的带隙材料对光波的操纵。从科学技术的角度可以预言，这一目标一旦实现，将对人类产生不亚于微电子革命所带来的深刻影响。因此，光子晶体也被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”，光子晶体将引发一场二十一世纪的光子技术革命。
从二十世纪九十年代中后期起，光子晶体由于巨大的科学价值和应用前景，受到各国政府、军方、学术机构以及高新技术产业界的高度重视。根据部分资料来看，英国去年投入1250万英镑开展“超快光子学合作计划”；美国国防部高级研究计划局(DARPA)前年投入2490万美元设立“重组天线计划”；欧共体信息社会技术委员会去年启动了“基于光子晶体的光子集成线路计划”；日本国际贸易和工业部下的新能源产业技术综合开发机构立项“可调光子晶体计划”等等。《Science》杂志在1998年底预计未来的六大研究热点之一就有光于晶体(其余为衰老、对付生化武器、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向)。
由于光子晶体的优越特性以及可能产生的深刻影响，光子晶体被认为是未来的半导体，对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。当前，一场关于光子晶体的国际竞争正在如火如荼的展开。
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。
光子晶体是不同介电常数的材料周期排列构成的人工微结构，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。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙或光子禁带。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。
光子晶体具有重要的应用背景。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：
高性能反射镜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，因此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％。这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的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。这种光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线。普通的平面天线由于衬底的透射等原因，射向空间的能量有很多损失；如果用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部射向空间。这是一种性能非常高的天线，美国军方对此表现出极大的兴趣。以前人们一直认为一维光子晶体不能作为全方位反射镜，因为随着入射光偏离正入射，总有光会透射出来。但最近NDr研究人员的理论和实验表明，选择适当的介电材料，即使是一维光子晶体也可以作为全方位反射镜，引起了很大的轰动。
光于晶体波导传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量。光子晶体波导可以改变这种情况。光于晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率。
光于晶体微腔在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔优异得多。最近MDT研究人员制成了位于红外波段的微腔，具有很高的品质因子。这种光子晶体微腔可以用来制作激光器，体积可以非常小。
光于晶体光纤在传统的光纤中，光在中心的氧化硅核传播。通常，为了提高其折射系数采取掺杂的办法以增加传输效率，但不同的掺杂物只能对一种频率的光有效。英国Bath大学的研究人员用二维光子晶体成功研制成新型光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结而形成。直径约40微米、蜂窝结构的亚微米空气孔就形成了。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道。与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔中而非氧化硅中，可导波的范围很大。
光于晶体超棱镜常规的棱镜对波长相近的光几乎不能分开，但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力 比常规的要强100到1000倍，而体积只有常规的百分之一大小。如对波长为1．0微米和0．9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到60度。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。
光子晶体偏振器常规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，不容易实现光学集成。最近，我们发现可以用二维光子晶体来制作偏振器。这种光子晶体偏振器具有传统的偏振器所没有的优点：可以在很大的频率范围工作，体积很小，很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。
光子晶体还有其它许多应用背景，如无阂值激光器、光开关、光放大、滤波器等新型器件，光子晶体带来许多新的物理现象。随着对这些新现象了解的深入和光子晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会被发现。
光于晶体在国防科技上也有非常重要的应用前景。如光于晶体天线：用光子晶体作为平面天线的基底，天线的发射效率将有极大的改善。光于延迟线：用光子晶体制作的光子延迟线，可以将光的传播速度减小，对于信号处理有重要意义。假目标：可以用光于晶体制作假目标，由于在光子禁带范围的电磁波有特别大的反射率，可以起到诱惑敌人的目的。隐身：如在红外波段，用光子晶体材料覆盖所要隐身之物，由于光子禁带范围的电磁波不能发射出来而达到隐身的目的。
光子晶体现在已进入器件设计和应用时期，大量 的高性能新型器件被研制出来，有的已进入实用阶段。预计在不太远的将来，更多的光子晶体器件也将进入实用阶段，并将产生重要的产业价值。
全内反射型光子晶体光纤及其分析方法
光子晶体的出现引起了对光子晶体光纤的研究。 PCF包层中分布着一系列二维周期性排列的气孔，光纤中的光波导基于部分或完全光子频率禁带的存在，把光局限在低折射率的缺陷中（比如空芯结构），实现了一种新的导光方式。空芯光子晶体光纤这一概念最早是1991年由Russell提出的，随后Brisk等在1995年从理论上进行了论证[1]。经过十余年的发展，空芯光子晶体光纤已经成为一种成功的二维光子带隙结构，其光传播长度已经达到了1000量级。光子晶体光纤按其传输特性可分成两大类：全内反射（total internal reflection TIR）型和光子带隙（photonic band gap，PBG）型。全内反射型光子晶体光纤结构类似于传统光纤，只是在光纤包层截面上有周期性分布的三角形或蜂窝状结构。由于纤芯折射率仍然大于包层的，全内反射型光纤的导光方式仍然是传统的反射式，TIR型光子晶体光纤的包层截面上不产生光子带隙，包层空气孔也不具有严格的周期性。PCF与传统的相比有许多奇异特性[2-4]，例如无截至单模特性、非线性、反常色散性、高双折射性。只要改变光纤中的孔距与孔径的比值，就能改变光纤的特性。由于它具有很大的应用前景，因此关于它的研究受到了广泛的关注。本文将就几种分析全内反射型光子晶体光纤的理论方法作简要介绍。
1
等效折射率法等效折射率法[5-6]最早是由T.A.Birks等提出的，发展为标量等效折射率法和矢量有效折射率法。
1.1
标量等效折射率标量等效折射率模型通过空间填充基模[7]计算包层的等效折射率neff, 即
其中 FSM是无限大周期中允许的最低阶模式的传播常数， = 是自由空间波矢量。对光子晶体光纤的包层使用等效折射率模型后，就转化为普通阶跃光纤，此时可以用阶跃型折射率光纤的方法加以分析。标量等效折射率模型可以对PCF的单模运行机制作出很好的解释，忽视了PCF截面的复杂折射率分布，能够给出一些PCF的深层运行规律。但对于光子晶体包层空气孔较大的情况则不能使用此方法[8]，主要原因是其近似精度比较低，且仅适用于纤芯材料大于包层有效折射率的情形。
1.2
矢量折射率法矢量折射率法也是把光子晶体光纤的包层区域看作是没有中心缺陷且具有无限周期性排列的六角形二维光子晶体结构，用面积相等的圆形单元胞代替六角形单元胞。矢量有效折射率法是首先建立将光子晶体光纤等效为一阶跃型折射率光纤后的矢量基模特征方程，而后类比于此特征方程可以直接得到求解包层有效折射率的矢量特征方程[9]，这还可以避免繁杂的推导过程。在求出包层的等效折射率后，再求解等效的阶跃型折射率光纤的基模特征方程，得到模式的传播常数和模式的有效折射率，最后求得光子晶体光纤的波导色散和总色散。
这种方法可以对PCF的单模运行机制作出很好的解释，图像清晰、相对简单，还可以满足较高的精度要求。缺点是由于忽略了PCF截面的复杂折射率分布，不能精确预测色散、偏振等模式特性，因为这些特性依赖于空气孔的大小和分布。
2
光束传播法光束传播法(Beam Propagation Method，BPM)[10-12]的基本思想是在给定初始场的前提下，一步一步地计算出各个传播截面上的场[13]。
最早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transform，称FFT)为数学手段实现的，称为FFT-BPM[14-15]。FFT-BPM 源于标量波方程，只能得到标量场(即只能处理一个偏振分量)，不能分辨出场的不同偏振以及场之间的耦合。同时它所采用的网格是均匀网格，在处理楔形、弯曲波导时不是很适合。由于上述缺点，D.Yevick等人于1989年提出有限差分光束传播法[16]，它将波导截面分成很多方格，在每一个格内的场用差分方程来表示，然后加入边界条件，就可得到整个横截面的场分布。沿纵向重复前面的步骤，就可得到整个波导的场分布。这种方法已被成功地应用于分析Y型波导及S型弯曲波导中的光波传输[17-18]，且对损耗的计算也得到了准确的结果[19]。
而有限元法与光束传播法的结合则形成了有限元光束传播法（FE-BPM）[20-22]。它将波导横截面分成很多三角形，每个三角形成为一个基元，每个基元内的场用多项式来表达，然后加入不同基元间场的连续条件，就可得到整个横截面的场分布。现在，FE-BPM已被广泛应用于各种集成光学器件，例如不同波导间的连接、激光器与波导之间的耦合、光场在Y型波导中的传播、楔形波导的偏振问题、非线性效应的分析等。然而对于三维波导，人们却很少使用FE-BPM方法分析，主要原因是很难得到FE-BPM矢量公式。在随后的研究和应用中，人们针对不同的问题提出了多种形式的BPM方法。1994年，St.Jungling等提出了虚轴光束传播法[23]；1999年，Y. Hsueh等提出了基于交错方向（隐式）法的全矢量光束传播法[24]。这些方法都是BPM方法在某些特定条件下的改进，因而在应用上都有很大局限性。应用时需要仔细的选择，才能使分析与设计既精确又快捷。
光束传播法是分析光子晶体光纤的有利工具，具有收敛性好、运算速度快、精度高等特点，但在折射率差较大时该方法的收敛性就相对差些。
3
全矢量模型全矢量模型[25]是一种把光在光纤中传播的全矢量特征考虑在内，适合双正交基模式的方法。该方法的主要目的是把横截面上电磁场的微分方程（含有高阶导数边值条件）转化成包含对角线化了的矩阵代数方程。方程的解分为约束状态和连续状态，约束状态对应于导波模，因为电磁场在横截面方向急剧衰减。而在连续状态，电磁场由于呈现放射性散射，是不能在光纤中传播的。
全矢量模型可以恰当地表示实际的带有中心缺陷的二维周期结构，能够分析不同设计参数的光纤。
4
正交函数展开法正交函数展开法（又称超元胞法）[25]是将光子晶体光纤的横向折射率和横向电场用正交函数展开，通过直接求解麦克斯韦方程，得到模式场的传播常数和场分布。关键是对光子晶体光纤的横向折射率分布进行表达，表达得越精细，结果就越准确。光子晶体光纤横向折射率分布分为包层区和芯区两个部分，可以看作是存在缺陷的二维光子晶体。用这种超格子构造方法，可以准确地描述光子晶体光纤横向折射率的分布，通过对傅立叶变换中基矢量的变换，还可以构造其他结构的超元胞格子，来描述各种结构的光子晶体光纤的横向折射率。
正交函数模型既可以用来解矢量波动方程，也可以用来解标量波动方程。它能较准确地分析光子晶体光纤的模式特征、色散特性以及偏振特性，算法求解相对简单，效率较高[27]。
5
多极法多极法的公式是多芯传统光纤一种计算方法[28-29]的扩展，关键是利用孔是圆形这一特点，可以非常精确地体现当微结构光纤孔任意排布时模式的对称性[30-31]。它可以求解出模式传播常数的实部和虚部，根据虚部的值就可以计算出由于包层只有有限个孔而产生的束缚损耗。多极法将频率作为输入分量[32]，输出传播常数。
多极法适合于分析具有圆形孔的光子晶体光纤，显著优点是可以预算PCF中的泄露损耗，避免产生假的双折射。它主要针对频域特性，适用于计算色散问题。但随着空气孔数量的增大，计算量和计算时间急剧增加，不适合孔数量很多的情况[33]。
6
Galerkin法Galerkin法是根据电磁场的边界形状选取一组完备函数族，将其按该函数展开的方法。目前被人们利用的函数有Lagurre-Gauss函数和Monro等详细研究的厄米—高斯函数等等[34-35]。选取厄米--高斯函数和余弦函数对全内反射型光子晶体光纤的周期性折射率展开，同时将场分布用厄米-高斯函数展开，从电磁场的波动方程出发，得到关于各展开系数的矩阵和模式的特征方程，进而得到光子晶体光纤的传播常数和模场分布。
研究表明，当参数选取合适时，该算法精度比较高，而且计算速度比较快，易于在目前PC机上实现。利用此算法，可以进一步研究光子晶体光纤的模式特性、色散特性、偏振特性等。
7
结 论通过对全内反射型光子晶体光纤各种研究方法的介绍，我们可以发现上述方法各有优缺点，在实际应用中研究者应根据不同情况选取不同的方法，或者将几种方法结合运用以取得更好的效果。
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～1102
空心光子晶体光纤介绍
空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。
光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型 —— 折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型光子晶体光纤可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。
采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤（HC-PCF）比传统光纤更有优势。
与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100 nm粗。这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似 (如图1。)
图1用来传输绿光硅基空心光子晶体光纤。
制造
空心光子晶体光纤可以用标准的光纤拉制设备来制造。首先，将几百个薄壁毛细管堆积在一起制成半成品。然后经过套包层、拉丝、镀聚合物，得到尺寸和机械特性与标准单模光纤非常相似的光纤。目前，空心光子晶体光纤的制造工艺发展非常迅速，甚至可以制造长度不限、光学性质一致的光纤—— 至少由熔融石英玻璃制成的空心光子晶体光纤可以达到这样的效果。
因为实际上只有极少数光在玻璃中传输，所以空心光子晶体光纤的能量传输的能力要远远优越于传统的光纤。
虽然空心光子晶体光纤的传输带宽很大程度上由包层的光子带隙决定，但是芯的尺寸和形状以及空心周围固体材料分布的微小变化都会明显地改变光纤的光学性质。因此，当前很多研究工作围绕改善光纤设计以及相关制造工艺，就一点也不会让人觉得惊讶了。
损耗
以通信波段的空心光子晶体光纤为例，它的低损耗范围大约为 150 nm，中心波长为 1570 nm （如图2）。在这个范围之外，损耗会迅速增加。最小损耗是1.7dB/km，它被证明是目前空心波导可以达到的最小值（如图3）。在这种光纤的低损耗窗中存在着一些高损耗区域。这是由表面膜（所谓的表面膜是指在芯的玻璃-空气界面上或者附近的共振）造成的结果，在某些波长，表面膜正常衰减慢慢退化掉。在发生退化现象的波长位置，与表面相互作用的光会急剧增加，这不仅会导致光纤损耗的增大还会改变波导的色散特性。在实际的应用中，这些特征是不利的。然而，经过精心设计芯和包层，有希望排除这些不利因素。
光子晶体应用简述
作者：熊贵光老师
由于金属对光波的吸收很强, 特别是在短波长区域, 因此对于一般的金属反射镜, 损耗大的缺点很难得到根本解决Z此外, 由于金属的趋肤效应, 金属反射镜对光波的吸收只发生在表面极薄的深度内, 在强光照射下, 金属反射镜表面的温度会上升到很高, 从而造成金属镜反射的表面变形, 使其质量严重下降. 光子晶体中不允许频率位于光子带隙内的光子存在, 当一束频率处于光子带隙内的光子入射到光子晶体上时, 会被全部反射Z根据这个原理制作出的反射镜没有上述金属反射镜的诸多缺点: 因为光学介质在几个波长的深度内对光波的吸收损耗非常小, 所以用光学介质材料所作成的光子晶体反射镜具有极小的损耗Z 同时相对于金属表面由于趋肤效应产生的吸收薄层, 光子晶体反射镜对光波的吸收分布在几个波长厚的较多介质内, 因吸收光而产成的热量分布的体积要大得多, 所以同样强度的光照下, 光子晶体反射镜表面温度升高值要比金属反射面的温度升高值小得多, 反射镜的表面不容易损坏. 基于同样原理制作的微谐振腔克服了传统制作方法制造的微谐振腔损耗大, 品质因数值小的缺点, 对光集成有着重要的意义Z光子晶体的另一个主要优点是在光子带隙内抑制自发辐射.这是由于在光子带隙内不存在允许模式传播, 如果把发光介质的空间周期调辐射的频率落入光子带隙中,则自发辐射将被抑制.把这个系统应用到激光器中, 当光子晶体的光子带隙频率与激光器工作物质的自发辐射频率一致时, 激光器中的自发辐射被抑制,发态原子的能量将全部转换为激光输出, 从而产生所谓的零阈值激光Z如果将发光二极管的发光中心用光子晶体包围, 并设计成该发光中心的自发辐射频率与光子晶体的光子带隙重合, 则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中, 而会沿着指定的方向辐射到外面去, 这样极大地减小了二极管发光的反射损耗, 提高了发光效率Z 此外, 如果再适当破坏光子晶体的周期性或对称性, 光子带隙中将出现频率极窄的缺陷态, 自发辐射光波频率位于缺陷位置的光子可以毫无损失地从二极管中出射, 出射光带宽极小, 具有类似激光的良好相干性, 并且发光效率也会得到大大提高Z实验表明, 采用光子晶体包围以后, 发光二极管的效率从10% 左右提高到90% 以上.同样利用光子晶体的光子带隙特性和光子带隙缺陷态的透光特性, 可以实现宽带滤波和极窄带选频滤波Z 金刚石结构的光子晶体的滤波带宽可做到中心工作频率的20% , 而由S. Gupta等人所提出的金属2介质复合型光子晶体可以将从低频(频率接近0) 直到红外波段的电磁波完全滤掉. 光子晶体在光通讯中的应用前景也极为广阔, 光纤布拉格光栅可以认为是一种一维光子晶体Z利用了光子带隙缺陷态的单、多通道波分复用实验方案已经设计出来, 其主要思想是: 把光子晶体的一部分移去成一根波导, 按照带隙理论, 频率落在带隙内的所有光波将通过波导无损耗的向前传播Z 在垂直于这条波导的方向开出另外几条波导, 主波导与其他波导不直接相通, 而是由一个高Q 值的点缺陷连接, 如图3 所示的6 条分波导Z点缺陷被用来选择从主波导进入其他波导的光波的频率和模式, 通过改变点缺陷的尺寸、形状以及点缺陷中的介质的电容率, 可以选择光子带隙内任意波长的单色光波(半波宽小于2nm ) 输出, 达到分波的目的Z 这样设计的波分复用实验装置将光点缺陷大小: r1= 8.75nm, r2= 17.5nm, r3= 26.26nm, r4=35nm, r5= 43.75nm, r6= 52. 5nm, 每一个微腔对应一个通道, 并放置6 个不同的探测器d1～ d6 来接收信号. 波分成6支不同频率的单色光. 如果配合光子晶体光纤, 将极大的提高光纤通讯的带宽, 实现或者部分实现全光通讯.
根据光子晶体在光纤中产生的物理效应:波导约束光学非线性增强效应、波导约束上转换激光增强效应、分布反馈、光脉冲展宽或压缩、消色散等, 已经研究出或者正在研究许多新型光学元器件: 长距离光通信光缆、集成光调制器与光纤探测头、分布式光纤栅传感器、全光纤集成激光器、放大器、全光纤串级喇曼激光器、光纤滤波器、稳频器、光脉冲压缩器等Z其中压缩、消色散效应对孤子通信研究的意义尤为重大.
近些年, 光子晶体的大多数研究工作集中在短波段的材料制备、各种情况下带隙的计算以及光子晶体器件的开发等方面,由非线性电容率材料制备的非线性光子晶体的研究工作也正在开展中. 已有一些小组在进行非线性光子晶体限幅器、非线性激光器、光脉冲压缩器、光子开关、光波束分裂与合成等方面的工作Z目前这一部分工作还处于初始阶段, 可以预见近几年内这方面会产生大量的研究成果.
帮定
谢谢老大，如此全的资料。
支持版主工作，帮忙顶起人气
光子晶体，原理理解很容易，唯独计算和工艺是光子晶体发展的瓶颈，如何解决两个问题是光子晶体能否达到工程应用目标的主要技术途径！
我工艺上我们主要依托微器件加工工艺
计算我们有能带理论计算基础
仿真是我们现在实现设计到工程加工必不可少过程
仿真软件有很多如HFSS CST这在电大尺寸比较理想，但是在可见和红外我们设计光子晶体器件往往采用Ansys软件
用时域的算法比较好
光子晶体，原理理解很容易，唯独计算和工艺是光子晶体发展的瓶颈，如何解决两个问题是光子晶体能否达到工程应用目标的主要技术途径！
我工艺上我们主要依托微器件加工工艺
计算我们有能带理论计算基础
仿真是我们 ...
一搏天下 发表于 2009-6-16 08:31
请教两个问题啊
对于光子晶体的应用来说，只计算能带就可以了吗？
另外，搞光学的仿真，是不是有专用软件呢？也用CST等微波软件吗？这个问题困扰我很久了。
你们那里的加工技术能加工到多小的尺寸啊，能加工金属不？
再次感谢您参与讨论啊。
当然光学波段仿真软件不能用CST了，有专门的软件就是Ansys
光子晶体计算能带计算就可以了吧，特别是针对光波波段
好原子晶体一样~！
本帖最后由 bandwidth 于 2009-6-19 22:02 编辑
光子晶体结构可以有效的提高天线的一些性能，比如增益、前后比、方向性等。
但是对于体积较小的天线，特别是反射板较小的天线并没有优势，但是对于平板阵列天线来说有一定作用。
Scan Blindness Free Phased Array Design Using PBG Materials.pdf（ieee200408）
欢迎大家继续就光子晶体进行讨论发言。
圆孔PBG柱面微带天线，需要的看一下。
这个方向是很不错的，貌似现在研究的人好像不是特别多啊
全都是好东西，楼主确实花了时间，慢慢学习
上传一个二维光子晶体的模拟结果。
请问一下楼上是用Rsoft出的图吗？
我想把光子晶体的结构放到天线的介质层中来提高天线的各方面性能，但是在Rsoft里出能带图的时候，不知道全局参数里的波长该如何设定，天线用的5.8GHz，但是光子晶体里面的自由空间波长都是微米级的数量级，该怎么统一呢？不是很懂，求帮助~~~~{:soso__15762771200635793000_4:}
有没有人知道用缺陷地结构来实现天线的多频 怎么样 自己做了一个 虽然实现了 总是不知道用的光子晶体理论是否正确 谁能解释一下
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、信息高速公等等这些甚至连小学生都 耳熟能详的东西都是由半导体带来的。几乎所有的半导体器体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。但集成的极限在可以看到bj466bdfwy的将 来会出现，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：速度更快，没有相互作用。
光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料。
光子晶体.pdf (4.48 MB) 
PBG结构在微带有源天线中的应用.rar (305.53 KB) 
