光子晶体简介及应用
光子晶体的改性及其在光纤通信中的应用研究
光子晶体的改性及其在光纤通信中的应用研究近年来，随着信息技术的不断发展，光纤通信已成为人们生活中必不可少的一部分。
而光子晶体的改性作为一种新型的光学材料，在光纤通信中的应用也越来越受到关注。
一、光子晶体简介光子晶体（photonic crystal）是一种周期性的介质结构，具有处理光波的特殊性质。
光子晶体结构和材料特性之间的联系非常紧密，因此改变光子晶体的结构和材料可以有效地调控其光学性能。
二、光子晶体的改性1.光子晶体中空气孔径的改变光子晶体的性质取决于空气孔径的大小和形状。
通过改变空气孔径的大小和形状，可以有效地调节光子晶体的性质。
例如，在光子晶体中引入较小的孔径，可以增加其反射率和透射率。
2.光子晶体中材料的引入在光子晶体中引入其他材料，如金属、半导体等，可以改变其介电常数。
这种改变可以导致光子晶体的发散、聚焦和衍射的特殊性质。
三、光子晶体在光纤通信中的应用1.光子晶体纤维光子晶体纤维是一种新型的光纤通信传输介质。
其结构与传统光纤有所不同，可以有效地调控光波和导光。
由于光子晶体纤维的折射率可控性和传输性能优越性，是未来光纤通信领域的热点研究方向之一。
2.光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器利用光子晶体纤维的光学性质，可以对环境中的温度、压力、湿度等参数进行高精度实时检测。
这种传感器具有灵敏度高、响应速度快、可实现多参数检测等优点，是环境检测、医疗诊断等领域的重要研究方向。
四、结语光子晶体的改性和在光纤通信中的应用研究已经引起了广泛关注。
未来随着光子晶体材料和制备技术的不断提高，相信光子晶体将在光纤通信、传感器、光学器件等领域产生更广泛的应用和发展。
光子晶体定义
光子晶体定义
光子晶体是一种具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。
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。
光子晶体即光子禁带材料，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
它是一种具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其内部的光子能级在特定频率范围内具有带隙特性，即某些频率的光子无法在其中传播。
这种特性使得光子晶体在光学领域具有广泛的应用前景，例如光子禁带滤波器、光子晶体激光器、光子晶体传感器等。
它的周期性介电结构可以由多种材料制成，例如二氧化硅、氮化硅、聚合物等。
这些材料具有不同的介电常数和折射率，因此可以通过改变材料的组成和结构来调节光子晶体的带隙特性。
光子晶体的带隙特性可以通过不同的方式进行调节，例如改变光子晶体的尺寸、形状和介电常数等。
此外，还可以通过引入缺陷或改变光子晶体的对称性等方式来控制光子在其中的传播。
在光学领域的应用前景非常广泛，例如在通信领域中可以用于制造高性能的光子晶体滤波器，提高通信系统的性能和稳定性；在生物医学领域中可以用于制造光子晶体传感器，检测生物分子和细胞的变化；在能源领域中可以用于制造高效的光子晶体太阳能电池，提高太阳能的利用率。
光子晶体是一种具有广泛应用前景的新型光学材料，其带隙特性和应用前景受到广泛关注和研究。
光子晶体的研究与应用前景
光子晶体的研究与应用前景光子晶体是一种具有周期性空间结构的材料，其具有类似于晶体的光学性质。
自从上世纪九十年代以来，光子晶体研究领域得到了快速发展，成为了材料科学和光学领域的热门话题之一。
该材料的特殊性质和极大的应用前景使其备受关注，吸引了众多科学家的研究兴趣。
一、光子晶体的基本概念光子晶体是指一种具有空间周期性结构的材料，包括平面光子晶体、柱型光子晶体、球形光子晶体等。
它具有类似于晶体的光学性质，可以实现光子禁闭和光子导波等特殊的光学效应。
其禁带宽度大、传递效率高、波长调控范围广、可控性强、行波速度慢等优点使其在信息处理、光通信、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
二、光子晶体的制备方法目前，制备光子晶体的方法主要包括凝胶法、立体光刻法、自组装法等。
其中，自组装法是一种比较常用的方法。
它利用不同形状、大小的微粒子在水中的相互作用和堆积形成微结构，通过控制这些微结构的空间排列方式来实现制备光子晶体的目的。
三、光子晶体的应用前景1.信息处理光子晶体的特殊光学性质使其在信息处理方面有着广泛的应用前景。
光子晶体具有较高的光子禁截宽度，可以实现光子带隙滤波器、光子晶体波导等传输光信号的器件，还可以用于制备光子晶体慢光元器件，可以实现光信息的存储、转换、传输等操作。
2.光通信光子晶体波导具有宽的带隙、低的传输损耗和高的光束度，可以实现高速、高效、低耗的光通信，为未来的光通信技术发展提供了良好的基础。
3.生物医学光子晶体具有结构可控性、成分可调性和生物相容性等特点，可以制备出高灵敏度、高分辨率的生物传感器和生物成像仪器。
光子晶体还可以用于药物控释和生物尝试方面，用于治疗癌症、糖尿病等疾病，为生物医学技术的发展提供了新的途径。
四、光子晶体研究的展望随着制备技术的发展和科学家们对光子晶体特性的深入研究，光子晶体材料的应用前景会更加广泛。
未来，科学家们将致力于提高光子晶体的制备技术和性能，开发新的光子晶体材料，并应用到更多领域，比如太阳能电池、光催化等领域。
光子晶体简介及应用
光子晶体简介及应用
光子晶体是一种具有周期性的介质结构，通常由周期性排列的介质球或棒组成。
它的独特之处在于它能够在某些频率下禁止特定方向的光传播，而允许其他波长的光自由通过。
这种性质可以用来控制光波的传播和传感器的制作，因此在光电子学领域有着广泛的应用。
光子晶体的制备方式可以分为两种：一种是自组装方法，通过在溶液中混合不同大小的微球或者添加聚合物溶液并加热来实现球状颗粒的自组装；另一种是利用微纳米加工技术，通过光刻或者离子束刻蚀来制备周期性的介质结构。
不同的制备方式可以得到不同类型的光子晶体。
光子晶体在光电子学领域有着广泛的应用。
其一是在光波导方面，光子晶体可以通过调控介质的周期性结构来实现光波的频率选择传输，从而实现滤波、隔离等功能。
其二是在传感器方面，光子晶体可以通过对光子晶体表面进行功能性修饰，实现对目标分子的高灵敏度检测。
其三是在激光领域，光子晶体可以用来制备高质量的激光谐振腔，用于激光的发射和调控。
除此之外，光子晶体还有许多其他潜在的应用。
例如，在光子晶体光纤领域，光子晶体光纤具有较高的非线性效应和光学带隙效应，可以用于实现超连续光谱发生器和高增益的光放大器。
在光子晶体透镜方面，光子晶体可以通过调控介质结构来实现对光的聚焦、分散和偏转，从而实现高分辨率成像和光学通信。
此外，光子晶体还可以用于制备光子晶体激光器、太阳能电池等光电子器件。
总之，光子晶体作为一种新型的光子材料，具有许多优良的光学性能和潜在的应用价值。
随着制备技术的不断进步和对其光学性能的深入研究，相信光子晶体将会在光电子学领域大展拳脚，为人类带来更多的光电子器件和应用。
光子晶体及运用
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90 500
1000
1500
2000
2500
3000
Wavenumber(cm-1)
可见光透射光谱
Transmission
0.5
0.4
黄
色
0.3
带
红 色
0.2
带
0.1
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
Light Sneaks through Small Holes
J. A. Porto, et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999)
修饰发射特性：红外隐身
发 射 率
光子晶体 热辐射材料
黑体辐射
实际材料
有光子晶体
频率
Photonic Molecule
Photons confined within the photonic molecule are restricted to a set of discrete energies, like electrons in a real molecule
S. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (1999)
Sonic bandgap material
J.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (1998).
波晶体
波
波能带
周
期
性
波禁带
电磁波、声波、水波、 地震波 …...
完整版光子晶体简介
光子晶体
具有不同介电常数的介质材料随空间呈 周期性的变化时，在其中传播的光波的 色散曲线将成带状结构，当这种空间有 序排列的周期可与光的波长相比位于同 一量级，而折射率的变化反差较大时带 与带之间有可能会出现类似于半导体禁 带的“光子禁带”(photonic band g。ap)
Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062 John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489
光子晶体 --自然界中的例子
Butterfly
Opal
Sea mouse
在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。 他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方 法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这 种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面 的微波从任何方向传播出去。
波的传播速度（相速）为：
??? ??
Tk 设E 0，H 0，? E，? H分别是 E和H的振幅
和初相位： E~0 ? E 0 e i? E H~ 0 ? H 0 e i? H
代入波动方程，即可得：
k2 ? ?r?0? r ? 0? 2
定态下的电磁波波动方程为
? 2E???r ?? k2E??r??? 0
如果介质为非磁性介质，则? r ? 1.
对于非均匀介质，尤其是其介电常数
是周期性变化时，有
? ? ??r???
?
? r
?
? kn
可将相对介电常数写为两个部分之和：
平均介电常数?r 和变动介电常数?r?
?r ? ?r '
?2
c2
代入波动方程，可得：
光子晶体及其应用
光子晶体及其应用光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，由于其特殊的光学性质和结构，被广泛应用在光学器件、生物医学、光通讯等领域。
本文将介绍光子晶体的基本概念、结构特点及其在不同领域的应用。
一、光子晶体的基本概念光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在这个材料中，电子波照到晶体上会被电子所反射。
同样的道理，光子晶体中的光波照到晶体中也会发生反射。
由于光子晶体中的周期性结构，其对光的反射和透射具有非常特殊的光学性质，可以用来控制光的传播和强度分布。
二、光子晶体的结构特点光子晶体的结构可以分为一维、二维和三维结构。
其中，三维结构的光子晶体最为复杂和多样化，其结构可以类比于晶体的结构，具有完美的晶体周期性。
二维光子晶体是由两层周期性平面构成的，一维光子晶体是由一个周期性结构构成的。
除了结构上的区别，光子晶体还具有以下特点：1、色散关系特殊。
光子晶体中的色散关系与普通媒质不同，有时会呈现出反常色散现象。
2、布拉格反射。
在光子晶体中，光波照射到晶体上会发生布拉格反射现象，即光受到反射的角度与入射角度相等，反射后的光波会受到相位差。
3、光波导。
在光子晶体中，由于其介质介电常数的周期性变化，可以形成光子带隙，从而达到光波导的目的。
三、光子晶体的应用1、光学器件。
光子晶体具有良好的光学性质，可以用来制造滤光器、反射镜、光纤等光学器件。
2、生物医学。
光子晶体可以用于生物医学，如制作一些新型传感器、生物分子的检测等。
3、光通讯。
光子晶体光纤可以提高光通讯的传输速度和质量，有效地消除光波导结构中存在的散射问题。
4、太阳能电池。
光子晶体可以制造太阳能电池，利用传统的硅基太阳能电池反射的光线转化为光子波导，达到吸收更多的光线能量的效果。
5、光学计算。
光子晶体可以用来制造光学计算器，这种计算器以光子晶体为介质，将光传递过程中的衍射、干涉等光学效应应用于计算。
光子晶体作为一种新型的光学材料，具有良好的光学性质和应用前景。
随着科技的不断发展，光子晶体在各个领域的应用前景也将越来越广泛。
光子晶体简介-精品文档
三、光子晶体制备
• 光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的乙烯（折 射率为1.59）,理论计算表明由这些材料构成的面心立 方结构的胶体晶体没有光子带隙.对于相对低于空气折 射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成 三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难使 用TiO2来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2有较高的折射 率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2包围的球状空 气空穴.这样就可以形成三维的光子禁带了.但是这种方 法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多 的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用 。
二、光子晶体应用
1.利用光被禁止出现在光子晶体带隙中作面发射的 激光器 • 可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰 好落于光子晶体的禁带之中.由于这些波长的光是 禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射.而如果通 过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允 许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以 用来制备面发射的激光器
光子晶体简介
目录
光子晶体原理
光子晶体应用 光子晶体制备
一、光子晶体原理
• 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我 们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性 的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.这种周期势 场的存在,使得运动的电子受到周期势场的布拉格衍射, 从而形成能带结构,带与带之间可能存在带隙.电子波的 能量如果落在带隙中,就无法继续传播。 • 与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了 光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中 的运动.光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性 的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。
3.制备低阈值的激光器
• 当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷 模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭 而被扩增. • 在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而 形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射 从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集 中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收 而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄波 长范围内的激光发射器.
光子晶体的研究与应用
光子晶体的研究与应用光子晶体是一种微结构材料，具有类似于晶体的周期性结构，但是不是由原子或者分子组成，而是由光子晶胶体颗粒组成。
光子晶体在光子学、化学、物理、材料科学等领域得到了广泛的应用，例如，在能源、传感、信息处理、生物医学等领域都有着很好的应用前景。
一. 光子晶体的制备实验中通常采用的制备光子晶体的方法有：自组装法、电沉积法、光刻法等。
1.自组装法这种方法通常使用胶体晶球作为模板，通过溶液挥发或者热处理等方式使其形成光子晶体。
其中最常见的是球形非晶胶体晶球模板的法。
这种方法不仅能够制备不同大小、形状的光子晶体，而且可以使得光子晶体具有良好的结构、周期性和层次性。
2.电沉积法这种方法是利用高温与化学反应的原理，将规定形状的金属纳米颗粒水化合物电解沉积在电极上，从而构造出光子晶体。
这种方法制备的光子晶体不仅结构完整，而且具有良好的光谱性能和多样化的形态。
3.光刻法这种方法主要是在硅素晶体的表面上使用类似于摄影的技术，在可见光和紫外线的照射下使得硅片发生化学反应形成光子晶体。
最主要的优点是可以制备出复杂的几何形态的光子晶体，并且可以通过改变所使用的物质以及优化制备工艺来得到更好的特性。
二. 光子晶体的应用在一些领域中，光子晶体的应用已经具有了丰富多彩的形式。
下面将从绿色能源、传感、光变材料及生物医学四个方面来分述。
1.绿色能源光子晶体有着一些特殊的物理性质，例如光子晶胶体颗粒之间的纳米光学场相互作用可以引起光学透射波长的变化。
光子晶体通过其光电性质协同作用，开发了太阳能电池、能谱光源等领域。
例如，人们可以通过制备某些特定的光子晶体，使得其在光谱范围内具有较好的反光特性，可以提高太阳能转换并使其效率更高。
2.传感光子晶体在光学传感器上应用的研究日益深入。
光子晶体材料运用其光学特性提高传感器的灵敏度和响应速度，实现了对多种物质、直线运动方向等多因素的探测。
例如，对于细胞的定位、动力学探测以及化学性质的判断，可以通过制备出相应的质感光子晶体来完成，从而获得更加精准的信息和控制。
光子晶体和其应用
第一种功败垂成旳三维光子晶体
遗憾旳是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之 故， 在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内 旳能态数目相对较少，所以只具有虚能隙(pseudo gap)
2
c2
' r
rr
~ V r,即周期变化的介电常数相当于
一个周期势场；
2
c2
r
~
E,即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体中旳光子能带不同于半导 体中旳电子能带
光子的能量
E p kc
因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
国际上剧烈竞争
DA重R 组天P 线计划A 美
可调光子晶体计划
－1999年，Conexant国际企业研制成功光子晶体人 体防护天线。
－1996-1999年，光子晶体微带传播线，宽带放大 器，滤波器等．
微波领域中旳应用—手机旳辐射防护
利用光子晶体能够 克制某种频率旳微波传 播旳原理，能够在手机 旳天线部位制造维播放 护罩，从而防止对人体 有害旳微波辐射直接照 射手机顾客旳头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一种美妙旳 前景。
处理措施
假若用光线来替代电子传递信号，则能够让生产百亿Hz（1012 Hz）旳 个人电脑成为可能。这种高速旳处理器能够用“光子晶体”（quasicrystal）旳 物质所产生旳光成份实现。这些材料均具有高度旳周期性构造，这种周期 性能够用来控制和操纵光波旳产生和传播。
目前人们是依托电子来实现微电子技术革命，今后则将依托光子来继 续这场革命，这就需要能捕获和控制光传播方式旳光子晶体之类旳新材料 。而光子晶体正是能够胜任这种工作旳材料
光子晶体简介及应用
光子晶体及其应用的研究(程立锋物理电子学)摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。
近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。
的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。
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。
光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"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。
关键词：光子晶体；算法；应用；1光子晶体简介在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。
推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。
半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。
但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。
人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。
与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。
光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。
电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。
光子晶体的特性与应用
光子晶体的特性与应用光子晶体，是一种由周期性介质构成的材料结构，其特点是具有禁带结构，可以有效控制光的传播和调制。
由于其特殊的光学特性，光子晶体在各个领域均有广泛的应用。
本文将探讨光子晶体的特性及其在光学、通信和传感等领域的应用。
光子晶体的特性主要体现在两个方面：光子禁带和周期性结构。
光子禁带，类似于电子禁带，在光子晶体中是指光的能量在特定频率范围内无法传播的区域。
这种禁带结构的产生是由于光子晶体的周期性结构导致光的散射和干涉效应。
光子晶体的周期性结构通常是由两种或多种折射率不同的介质交替排列而成。
通过调整周期和折射率的差异，可以有效地控制禁带的宽度和位置。
这种特性使得光子晶体可以用来实现光的波导、过滤、放大和调制等功能。
在光学领域，光子晶体被广泛应用于光波导和光隔离器等器件中。
光波导是一种能够将光能量沿着特定路径传输的结构，光子晶体波导则是利用光子禁带的特性来实现光的传输。
与传统的光纤相比，光子晶体波导具有更低的损耗和更小的尺寸。
此外，光子晶体波导还可以通过改变其结构来调节光的传播速度和色散特性，为光信号的调制和控制提供了极大的灵活性。
光子晶体的另一个重要应用是光隔离器，它可以使光只能单向传播，在通信和激光器件中起到了重要的作用。
通过结构参数的调节，光子晶体光隔离器可以实现高隔离度和宽工作带宽，为光通信系统的稳定性和可靠性提供了有力保障。
在光通信领域，光子晶体的应用不仅仅局限于波导和隔离器。
近年来，随着光子晶体材料的研究进展，光子晶体光学器件的功能和性能得到了大幅提升。
光子晶体薄膜、光子晶体光栅和光子晶体纳米球等新型结构的开发，为光通信系统的小型化和高效性提供了新的思路。
与此同时，光子晶体的非线性光学特性也被广泛研究。
光子晶体中的高场强和长光程可以增强光与介质的相互作用，使光子晶体在激光调制、非线性光谱和光限幅等方面具有潜在的应用潜力。
光子晶体在光传感和生物医学领域也有着广泛的应用。
光子晶体结构可以通过改变材料的折射率或周期来实现对光的散射和吸收的调控。
光子晶体模板 颜色 波长范围
光子晶体模板颜色波长范围光子晶体模板：揭开色彩的奥秘一、光子晶体简介在讨论光子晶体模板的颜色和波长范围之前，我们先来了解一下光子晶体的基本概念。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其周期性结构的尺度接近可见光波长的尺度，因此对光的传播产生显著的影响。
光子晶体可以通过不同的方法制备，常见的方法包括立方最密堆积、球形颗粒自组织等。
它们在材料学、光学和光电子学中有广泛的应用，尤其在制备颜色鲜艳、光学性能优异的材料方面表现出色。
二、光子晶体模板与颜色1. 光子晶体模板的颜色生成原理在光子晶体中，周期性结构会导致在一定波长范围内的光的反射、衍射和透射。
当光经过光子晶体时，某些波长的光被选择性地增强，而其他波长的光被抑制。
这种增强和抑制的现象会给人一种特定的颜色感知，因此光子晶体模板可以呈现出不同的颜色。
这种颜色的生成原理与光的波长、周期结构的尺度以及折射率等因素有着密切的关系。
2. 光子晶体模板颜色的控制光子晶体模板的颜色是可以通过调控周期结构的尺度、材料的折射率等参数来实现的。
通过精确设计周期结构和材料参数，可以实现对光子晶体模板颜色的精准控制。
这种精准控制为制备具有特定颜色的光子晶体模板材料提供了重要的方法和途径。
三、光子晶体模板的波长范围1. 光子晶体的波长范围和光子带隙光子晶体的周期性结构导致了光子带隙的产生，即在某个波长范围内的光无法通过，在这个波长范围内出现了所谓的禁带。
这个禁带的宽度和位置取决于周期结构的尺度以及材料的折射率等因素。
光子晶体的波长范围是可以通过设计和调控周期结构来实现的。
2. 光子晶体模板的波长范围调控通过精确控制光子晶体模板的周期结构，可以实现对光子带隙的调控，从而在可见光范围内产生特定的颜色。
而且光子晶体模板也可以在紫外、可见和红外光谱范围内发挥作用，具有较宽的波长范围。
这种宽波长范围的特性为光子晶体在传感、显示和光学器件等领域的应用提供了广阔的前景。
四、个人观点和总结光子晶体模板作为一种颜色和波长范围可调的材料，在材料科学和光学技术中有着重要的应用价值。
光子晶体的应用
光子晶体的应用引言光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。
在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。
现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。
为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。
与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。
依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。
光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。
目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。
1.光子晶体简介1．1光子晶体的由来与概念光子晶体是在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。
光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。
光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。
1987 年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。
光子晶体的原理及应用
光子晶体的原理及应用概述光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以对光进行控制和操纵。
它类似于电子晶体，但是光子晶体的周期性结构大小与光的波长相当，因此它对光的传播和散射具有特殊的影响。
本文将介绍光子晶体的原理以及它在光电子学等领域的应用。
光子晶体的原理光子晶体的原理基于光的干涉和衍射现象。
它由周期性变化的折射率组成，这种周期性结构可以通过控制材料的特殊制备过程来实现。
光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播和流向，以及光的波长选择性。
它的原理有以下几个关键要点：•布拉格散射：光子晶体的周期性结构与光波的波长相当，因此光波在晶格中会发生布拉格散射。
这种散射是由晶格的周期性结构引起的，使得光波沿特定方向传播，并且只允许特定的频率通过。
这种特性使得光子晶体可以用来制作光的滤波器和反射镜等光学元件。
•光子禁带：光子晶体中的周期性结构会导致光的禁带现象，即某些频率的光波在光子晶体中无法传播。
这是因为这些频率的光波与光子晶体的周期性结构发生干涉，导致光的能量被散射或吸收。
光子禁带可以用来制作光的隔离器和光的相位调制器等光学元件。
•衍射光栅：光子晶体的周期性结构与光波的干涉现象导致衍射光栅的形成。
衍射光栅可以通过改变光子晶体的周期性结构来控制光的传播方向和强度。
这种控制性质使得光子晶体可以用于制作光的衍射光栅和光的波导等光学元件。
光子晶体的应用光子晶体的原理使其在光电子学、光通信和光传感等领域有了广泛的应用。
以下是一些光子晶体的应用示例：•光纤通信：光子晶体可以用作光纤通信系统中的光缆保护层和光解复用器。
光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播方向和波长选择性，从而提高光纤通信系统的传输效率和带宽。
•光子晶体激光器：光子晶体激光器是一种基于光子晶体原理制作的激光器。
光子晶体的禁带特性可以用来增强激光器的单模特性和抑制杂散光的产生，从而提高激光器的性能和稳定性。
•光子晶体光探测器：光子晶体光探测器是一种基于光子晶体原理制作的光探测器。
光子晶体原理及应用
光子晶体原理及应用一、绪论1.1光子晶体的基本概念光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。
在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。
人们又将光子晶体称为光子带隙材料。
与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。
一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。
实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。
二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。
光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。
1.2光子带隙光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。
研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。
所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。
所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。
总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。
二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究2.1一维光子晶体的传输矩阵法设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的折射率是nb，厚度为hb，那么周期d=a+b，A、B总层数为N。
以AB材料进行仿真计算。
仿真程序clear allna=2.35;nb=1.38;ha=63.8e-9;hb=108.7e-9;yeta1=na;yeta2=nb;yeta0=1;bo=400:1:900;derta1=(2*pi*na*ha)./(bo*1e-9);derta2=(2*pi*nb*hb)./(bo*1e-9);num=length(bo);for j=1:num;Ma=[cos(derta1(j)),-i*sin(derta1(j))./yeta1;-i*yeta1*sin(derta1(j)),cos(derta1(j))]; Mb=[cos(derta2(j)),-i*sin(derta2(j))./yeta2;-i*yeta2*sin(derta2(j)),cos(derta2(j))]; Mab=Ma*Mb;N=10;M=Mab^N;Rfan(j)=abs((M(1,1)*(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*(yeta0)-M(2,1)-M(2,2)*(yeta0))./(M(1, 1) *(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*sqrt(yeta0)+M(2,1)+M(2,2)*(yeta0)))^2;endfigure(1);plot(bo,Rfan,'k');box on;首先，我们A材料的折射率为2.35，B材料的折射率为1.38，AB 材料组成的光子晶体的介质层数为10层，进行了matlab仿真，得到如下的图形然后我们更改介质层数为20层：最后我们更改介质层数为30层：对比以上三个图我们可以看出，一维二元光子晶体的投射特性与组成光子晶体的介质层数有关，介质层周期越大，越有利于形成禁带。
光子晶体简介
目录
光子晶体原理 光子晶体应用 光子晶体制备
一、光子晶体原理
• 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我 们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性 的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.这种周期势 场的存在,使得运动的电子受到周期势场的布拉格衍射, 从而形成能带结构,带与带之间可能存在带隙.电子波的 能量如果落在带隙中,就无法继续传播。
• P型(100)硅片制备二维光子晶体
光子禁带较宽的二维大孔硅光子晶体的填充比
也较大( r ≥0.4 a) . 实验如果直接在掩膜中刻印圆形窗口,则由于孔壁非常薄,将给制版、光刻 等工艺带来较大难度,另外,随后的电化学腐蚀过 程在垂直于孔洞轴线方向上的各向同性腐蚀会加 大孔洞直径.因此,我们改为首先在掩膜中刻印方 形窗口,然后利用KOH 溶液对(100) 硅片的各向 异性腐蚀特性产生V 形尖坑阵列,最后通过优化 电化学参数,利用其沿孔隙纵向的腐蚀速率远大 于垂直于孔隙轴线方向上的腐蚀速率的特性来制 备满足设计要求的大深宽比孔洞.
2.微波波段可以作为微波天线以及手机防护设备
• 利用光子晶体可以设计出针对某微波频段的光子 晶体.并让该光子晶体作为天线的基片.因为此微 波波段落在光子晶体的禁带中,因此基底不会吸 收微波,这就实现了无损耗全反射,把能量全部发 射到空中.
• 同样利用光子晶体可以抑制某种频率的微波传播 的原理,可以在手机的天线部位制造微波防护罩, 从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用 户。
二、光子晶体应用
1.利用光被禁止出现在光子晶体带隙中作面发射的 激光器
• 可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰 好落于光子晶体的禁带之中.由于这些波长的光是 禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射.而如果通 过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允 许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以 用来制备面发射的激光器
光子晶体及其应用
光子晶体及其应用光子晶体( Photonic Crystal) 是一种在微米、亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料,按照其折射率变化的周期性,可以分为一维、二维和三维光子晶体,分别见图1～3. 光子晶体的概念首先在1987 年被E. Yablonovitch提出 . 光子晶体被视为电子晶体的光学领域内的对应物,如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样,光子晶体的折射率的变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构,这些被禁止的频率区域称为光子禁带(Phtonic Band Gap) .关于光子晶体的研究一开始只是在理论上,因为光波长尺度上的工艺非常困难.1991年,由E. Yablonovitch 制成了第一个微波波段的光子晶体后,随着各种工艺的发展,多种多样的晶体结构陆续的被制备出来,许多理论预测得到了验证 . 其中应用较多的三维结构是“木柴垛结构”(图3) 和“蛋白石结构”(图4) .光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质,例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等. 它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来(图5)可以使自发辐射的光只能以单波长输出;也可以使波长相差很小的光分开60°,使其色散达到普通棱镜的500 倍. 这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值,因而在短短十余年时间内,受到了物理、材料等领域的学者的广泛关注. 可以相信,在不久的将来,光子晶体将在基础研究领域以及光通信、光计算、激光技术等诸多应用领域内起到不可替代的作用.2 光子晶体的原理光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的,因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识. 对于晶体可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场. 这种周期势场的存在,使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射,从而形成能带结构,带与带之间可能存在带隙. 电子波的能量如果落在带隙中,就无法继续传播. 其实,不论是电磁波,还是其它波(如光波等) ,只要受到周期性调制,都有能带结构,也都有可能出现带隙. 而能量落在带隙中的波同样不能传播. 由此我们知道在离子晶体中,离子的周期性排列产生了能带结构,而能带又控制着载流子(半导体中的电子或者空穴) 在半导体中的运动.与之类似,光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动. 光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴) 的材料. 如图1～3 所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在. 高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(Band Gap ,类似于半导体中的禁带,也可以理解为光受到了布拉格散射引起的) . 而周期的大小不同,导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应. 也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播.因为光被禁止出现在光子晶体带隙中,所以可以预见到我们能够自由控制光的行为. 例如,可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰好落于光子晶体的禁带之中. 由于这些波长的光是禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射. 而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以用来制备面发射的激光器.3 光子晶体的制备光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的蛋白石(Opal) ,还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉,它们在不同的角度反射不同波长的光. 通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的. 参见图6～9.因为Opal 形式与后面讲到的小球密堆积完全相同,因而暂且不提. 但是,这些都是粗糙的光子晶体,因为它们没有形成完全的禁带. 通过Maxwell 方程的求解可以发现,完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系. 一般说来,两种材料的折射率差值越大,就越有可能形成光子禁带,当两种材料的折射率差大于2 的情况,可以形成完全禁带. 在自然界尚未曾发现此类的晶体. 因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备.目前制作光子晶体的材料主要是无机材料,如金刚石, Si , SiO2 , TiO2 , GaAs ,AlGaAs 等,另外还有一些金属材料等. 主要的思想就是人为的构造周期性的结构. 在制备工艺上对于一维、二维和三维而言有许多不同. 下面分别进行介绍.最先制备成功的的是三维光子晶体,但是主要工作在微波波段. 在可见光部分曾经比较时兴的一种办法是类似于自然界的Opal 结构,人工制备亚微米量级的小球,然后让他们密堆积起来形成周期性排列.制作光学波段的光子晶体常用的技术是胶体颗粒(如SiO2 颗粒) 的自组织生长. SiO2 颗粒的大小一般为微米或亚微米,悬浮在液体中. 由于颗粒带电,而整个体系呈电性,这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的范德华力. 自组装时先使用一种有机无机复合的材料使SiO2 小球表面电荷被除去以呈现电中性. 因而小球之间的作用力消失,在重力或其他外力的作用下经过一段时间,悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的面心立方结构而形成胶体晶体. 这种方法简便而且经济. 一般采用的胶体颗粒是聚合物等,因为一般胶体颗粒的折射率都比较小,理论计算表明由这些材料构成的面心立方结构的胶体晶体没有光子带隙. 对于相对低于空气折射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难:使用TiO2 来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2 有较高的折射率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2 包围的球状空气空穴 . 这样就可以形成三维的光子禁带了. 制备成功的样品SEM 图见图4. 但是这种方法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用于实际.另外制备三维光子晶体的办法是刻蚀法,这种采用硅工艺的方法十分有效,但是通常只是做到了近红外,可见光部分有难度,而且价格昂贵,操作复杂,同样不利于推广.对二维光子晶体的制作也有许多的研究. 二维光子晶体也有许多用途,而且制作比三维光子晶体要相对容易. 在微波或厘米波波段,可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法;在红外和光学波段用刻蚀等方法. 最早制作的二维光子晶体是用机械钻孔或用介质棒方法制得. 目前,二维光子晶体的带隙已经达到红外和光学波段. 制作二维光子晶体的实际例子是Bath 大学的Philip Rus2sell 和Jonathan Knight 以及他们的合作伙伴研制的特别不寻常的“多孔纤维” .这种纤维具有规则的气孔晶格,并且可以无散射的长度连续的传播光波. 这是通过围绕一个在中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的. 由几百个传统的SiO2 棒和SiO2 毛细管依次绑在一起组成六角阵列,然后在2 000 ℃下把这个结构加热拉伸产生直径只有几微米的长纤维而成. 这种光纤被称为光子晶体光纤,它具有零色散点可调的特点,而且可以在芯径很大的情况下实现单模传输. 这种光纤的缺点是会受到水汽的影响,因为它多是中空的. 制备的样品见图10.一维光子晶体的制备非常简单,而且在光子晶体的概念提出之前就已经被广泛制备并且应用. 因为它就是我们通常所说的多层膜. 制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束外延技术等.4 光子晶体的应用应用光子晶体控制光在其中传播的性质可制成全新的高性能器件。
光子晶体和拓扑物态技术
光子晶体和拓扑物态技术是近年来备受关注的两个领域，它们的发展不仅深刻地改变了我们对自然界的认识，还为人类社会的发展带来了巨大的机遇。
在本文中，我们将深入探讨的概念、应用以及未来的发展方向。
1. 简介光子晶体是由一系列高折射率材料和低折射率材料交替排列而形成的一种新型光学材料。
在光子晶体中，光子被等同于电子，因此可以通过调节光子晶体的结构来调节光子的性质。
拓扑物态技术是一种新兴的物理学领域，它的研究对象是一些非常微小的粒子，如电子、光子和声子等。
在拓扑物态技术中，我们可以通过调节物质的结构来改变物质的物理性质，这种现象被称为拓扑效应。
2. 应用领域光子晶体的应用领域非常广泛，例如在光通信、光电子学、纳米技术、生物医学和光学传感等领域都有着重要的应用。
其中，光通信是光子晶体最早应用的领域之一。
光通信技术的核心是通过光纤进行高速传输数据。
在传统的光纤中，光信号容易发生损耗，导致信号传输不稳定。
但是，通过在光纤中添加光子晶体结构，可以实现信号传输的稳定和增强。
拓扑物态技术的应用也非常广泛。
例如，在电子学领域，拓扑绝缘体是一种新型的材料，它在导电中具有良好的保护性能。
在材料科学中，拓扑材料是一种高度有序的材料，具有许多有趣的物理性质，如霍尔效应、马约拉邦迪效应等。
3. 发展方向尽管已经有了广泛的应用，但是它们的研究还远远没有结束。
未来的发展方向可以从以下方面进行探索。
首先，光子晶体应用领域的研究可以进一步扩展。
例如，在生物医学领域，光子晶体可以用于细胞的成像和治疗。
此外，在新能源领域，光子晶体可以用于太阳能电池的制造，提高太阳能电池的效率。
其次，拓扑物态技术的研究重点可以转向拓扑光子学。
拓扑光子学是一种新型的光学技术，它可以将光子晶体结构和拓扑物态技术相结合，实现光的量子位相。
这些奇特的光学现象可以在量子计算和量子通信等领域得到应用。
总的来说，是物理学和材料科学中颇具前途的两个领域。
我们相信，在未来的研究中，它们将会有更加广阔的发展空间，为人类社会的发展作出更加重要的贡献。
自然界的光子晶体
自然界中存在着一类具有周期性介电结构的材料，被称为光子晶体材料。
这些材料具有光子禁带，可以通过全反射的方式禁止特定频率的光子在其中传播。
光子晶体的周期性结构会在光子带隙边缘处引入慢光导模，从而实现极慢光。
光子晶体是一种可以调控光子传播的周期性的光学纳米结构，其对于光子的调控类似于离子晶格对电子运动的调控。
在自然界中，光子晶体的表现包括结构生色和动物皮毛的反射颜色。
由于光子晶体所具备的调控光子传播过程的特性以及光子晶体在结构模型和研究方法上与半导体具有许多可以相互借鉴之处，这类材料被认为在半导体光催化领域的研究中具有巨大的前景。
以上信息仅供参考，如需了解更多关于自然界的光子晶体的信息，建议咨询量子科学家或查阅相关科技文献资料。
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光子晶体及其应用的研究(程立锋物理电子学)摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。
近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。
的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。
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。
光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"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。
关键词：光子晶体；算法；应用；1光子晶体简介在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。
推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。
半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。
但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。
人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。
与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。
光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。
电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。
近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。
这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。
在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，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。
与半导体类似，光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构，从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。
同样，光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlic Band Gap)。
频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。
其实不管任何波，只要受到周期性的调制．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例外．如果只在一个方向上具有周期结构，光子带隙就只可能出现在这个方向上，如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。
我们将具有光予禁带的周期性介质结构称为光子晶体(Phooo面c crystal)，或叫做光子带隙材料(Photonic Bandgap Materials)。
2光子晶体的结构按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。
所谓一维光子晶体是指介质频率在空间一个方向上具有周期性分布韵光子晶体材料，相当于不同介质组成的多膜材料。
简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空阊位置的周期性函数，而在平行于介质层平面方向上介点函数不随空间位置变化。
实际上，光学中常见的布拉格反射镜就是一种简单的一维光子晶体。
二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由介质杆平行而均匀的排列组成的。
这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向)介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而变化。
由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在多种结构。
如矩形、三角形、和石墨的六边形结构等。
截面形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样。
矩形的光子频率禁带范围较窄，三角形和石墨结构的光子频率禁带范围较宽。
为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同的两种介质拄来构造二维光子晶体。
光子晶体光纤和光子晶体波导就是二维光子晶体的特例。
三维光予晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。
三维光子晶体具有全方位的光子带隙，即落在光子带隙中的光在任何方向都被禁止传播。
这一特性具有极其重要的应用前景。
Yablonovitch创造出了世界上第一个具有完全光子频率带隙的三维光子晶体，它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构，也称为钻石结构。
不过三维光子晶体的制作相对来说比较复杂，对材料和设计加工都有很高的要求。
2.1光子晶体的理论研究方法由于电磁场的矢量特性，使得光子晶体的理论模拟变的较为困难。
不过，经过许多理论物理学家的努力，目前几种理论上的模拟和实验结果已经取得较好的一致性。
这些理论方法比电子能带理论计算方法更为完善，因为光子之间不存在库仑相互作用，是真正的单粒子问题，而在电子系统中库仑作用不可忽略，固体物理只能采取一定的近似条件来计算。
由于这个原因，光子晶体理论计算的结果往往和实验测量的结果相差很小，理论结果甚至可以直接应用于生产实践，从这个角度来说，光子晶体的理论计算有着很重要的实践意义。
以下是几种用来计算光子带隙和缺陷模的方法，它们均基于经典电磁场理论。
1、平面波展开法平面波展开法在光子晶体理论分析中应用最早也最广泛。
在计算光子晶体能带结构时，平面波展开法应用布洛赫定理，把介电常数和电场或磁场用平面波展开，将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间，从而将能带计算简化为代数本征问题的求解。
平面波展开法的缺点是收敛速度比较慢，通过与紧束缚法相结合，可以在某种程度上解决这个问题。
另外，平面波展开法不能计算金属光子晶体能带。
2、时域有限差分法时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，简称FDTD)的基本思想是：首先定义初始时间的一组场分布，然后根据周期性边界条件，利用麦克斯韦方程组可以求得场随时间的变化，随着时间的演化，最终解得光子晶体的能带结构。
FDTD方法既可以计算光子晶体介质结构的能带关系，也可以计算金属结构的光子晶体能带关系。
结合最佳匹配层(Perfectly Matched Layer)技术，该方法还能计算光子晶体缺陷局域态、光子晶体波导本征模、光子晶体表面模等一系列问题。
这种方法的优点是简单、直观、容易编程，且可以大大减少计算量。
节省计算机内存。
目前已有不少利用该方法计算光子晶体的文献，相关的计算机软件也已经开发出来。
3、转移矩阵法转移矩阵法同样把求解光子带隙转化为求解本征值问题。
这种方法首先对麦克斯韦方程做离散化，将电场或磁场在实空间格点位置展开。
相邻两层空间的场之间的关系可以用一个转移矩阵来表示。
利用转移矩阵，由麦克斯韦方程可以从一个层面上的场外推至整个光子晶体空间。
该方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效。
由于转移矩阵只与层面上的格点数的平方成正比，与平面波展开法相比，其计算量大大降低，精确度也非常好，而且还可以计算一个有限尺寸光子晶体的反射系数和透射系数。
4、多重散射法多重散射法将光子晶体作为散射体放置于开放系统中，当电磁波与散射体相互作用时，研究目标的散射、吸收和透入特性。
由于入射波与物体作用要产生散射波，散射波与入射波之和满足介质不连续面上切向分量连续的边界条件，因此在物体所在区域直接计算入射波和散射波之和的总场比较方便。
将电磁场分别向一阶BesseI、HaIlkcl 函数作展开，又因为麦克斯韦方程是线性的，故总场、散射场和入射场都分别满足麦克斯韦方程，通过求解展开系数可以求散射振幅、传输系数等。
这种方法在求解某些特殊问题时效果相当不错。
3光子晶体的应用光子晶体能够控制光在其中的传播，所有它的应用十分广泛。
在光子晶体中引入一个点缺陷，可以制成高品质的谐振腔，这种谐振腔可以改变原子的自发辐射；在光子晶体中引入线缺陷，可以制成新型波导，这种波导无弯曲损耗。
目前，光子晶体的应用主要体现在以下几个方面：1、光子晶体全反射镜传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和可见光波段有较大的吸收。
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，从而造成金属反射镜的表面变形，使其质量严重下降。
用光子晶体材料制成的反射镜可以克服上述缺点。
光予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。
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lOO％。
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，所以采用光学介质材料制成的光子晶体反射镜具有极小的损耗；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，因吸收光而产生的热量分布的体积要大孚导多，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。
如一维光子晶体全方位反射镜。
2、光子晶体天线这是光子晶体在微波波段的一个重要应用。
微波天线在军事和民用方面都有许多重要的应用。
如在卫星电视，雷达等等都有广泛的利用微波天线。
然而传统的微波天线制备方法是将天线直接制各在介质基底上，这样就导致大量的能量被天线基底所吸收，因而造成基底的发热。
光子晶体的发现给解决这一问题提供了相当有效的方法。
针对某一微波频段可以设计出需要的光子晶体，并让光子晶体作为天线的基底，这就实现了无损耗全反射，就把能量全部反射到空中。
目前，基于光子晶体的高方向性、高增益和超宽频带天线和阵列天线的研究，小尺寸隐蔽天线的研究，超方向性的光子晶体共振天线的研究都已取得显著的成绩，天线在应用了光子晶体覆膜后还能有效的减少人体所受到的电磁波的辐射，光子晶体天线已称为光子晶体研究领域的另一个热点。
3、光子晶体密集波分复用器利用光予晶体波导，谐振腔，波导之间的相互作用，可以构造高品质的极窄带选频滤波器。
基于这个原理可以设计结构紧凑的光子晶体密集波分复用器。
近年科研人员发现了光子晶体的超棱镜现象，波长相差很小的光波可以达到很大的分离角，从而提出了另一种光子晶体密集波分复用器模型。