光 子 晶 体
摘 要：本文主要描述了光子晶体是一种介电常数呈现空间周期性分布的人工材料。光子晶体禁带是指在周期性介质材料中在一定范围内波长的入射光波会被完全反射，这种与晶体能带结构相似的结构就是光子晶体禁带。根据光子晶体介电常数呈现空间周期性分布的维度不同，可以分为一维光子晶体，二维光子晶体，三维光子晶体。本文主要论述光子晶体发展的历程，一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体的结构特征和特点。
关键词：光子晶体；能带；禁带
一、光子晶体背景介绍
最早的光子晶体研究是在1887年，例如由多层周期性不同介电常数的导光材料堆叠成的Bragg 反射镜，Bragg 反射镜是最简单的一维光子晶体结构，在周期性介质材料中一定波长范围内的入射光波会被完全反射，产生与晶体能带结构相似的光子禁带。广义上的一维光子晶是均匀周期的布拉格光栅。1972 年，Byko[1]研究了无序介质材料中原子自发辐射效应受光子禁带的影响，并将其拓展到了二维、三维结构当中。1987 年 Y.Eabnolovitch[2]和 S.John[3]在讨论周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时，各自独立提出了光子晶体的概念。1998 年布林斯顿大学的 John和美国 Bell 实验室的Y.Eablonovich在研究无序介质材料光子局域效应和自发辐射抑制时，首次提出光子晶体的概念，并从理论上解释了光子晶体禁带效应以及其控制机理。大家都知道，在晶体及半导体中由原子产生的空间周期性电场对电子运动有约束作用，在薛定谔方程求解过程中电子能量会在某些特定区间中无解，这些区间被称为能量禁带。在光子晶体结构中，因为折射率的空间周期性的分布，光波会服从 Maxwell 方程，在求解过程中光波的频率会产生与半导体禁带结构相似的光子禁带。
在当前的时代背景下，日益渐新信息传输载体替代了原有的以电子为载体、电路为代表的信息传输方式。所以，光子晶体中的光子禁带这一种独特的光控机制向世界打开了一个新领域的大门。1999 年，光子晶体在 Science 中被评为年度十大科技成就之一。1991 年，爱荷华州立大学的 Ho 和 Chan[4]等从理论上提出，并由Y.Eablonovitch使用活性离子束从三个相差 120°方向在介质中穿孔制作出了第一块在微波频段内的具有完全光子禁带的三维光子晶体，其禁带宽度约为中心工作频率的 20%。
二、光子晶体的概念
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