光子晶体翻译
_英文_-短波长三维光子晶体
第29卷第2期 光 子 学 报 V o1129N o12 2000年2月 A CTA PHO TON I CA S I N I CA Feb ruary2000 SHORT-W AVEL ENGTH THREE-D I M ENSI ONALPHOT ON I C CRY STAL SQ uyang Zhengb iao,L i J ingzhen,Sun Y iling,L in M inD ep t.Op to2E lectron ic E ng g.,S chool of S ci.&T ech.,S henz hen U n iv.,S henz hen518060,P.R.Ch inaAbstract A new k ind of th ree2di m en si onal p ho ton ic crystal,called as com b ined th ree2di m en si onal p ho ton ic crystal,is p resen ted and show n to be p ractical th rough theo reticalanalyses.T he com b ined th ree2di m en si onal p ho ton ic crystal is an enclo sed so lid struc2tu re m ade of several p ieces of one2di m en si onal p ho ton ic crystals.It is found ou t that,under p resen t techno logy,there ex ists no difficu lty in the fab ricati on of the p ropo sedcom b ined th ree2di m en si onal p ho ton ic crystals w o rk ing in sho rt w avelength s,includingtho se in the visib le.T h ree p ractical schem es are given and discu ssed. Keywords Pho ton ic crystal;Sho rt2w avelength;T h ree2di m en si on0 I n troduction Pho ton ic crystals(PC s)are of great in terest in recen t years fo r their po ten tial w ide app lica2 ti on s1～10.It is found that spon taneou s radiati on of atom s and m o lecu les in PC s can be con tro lled, w h ich m akes it po ssib le to ach ieve zero2th resh2 o ld sem iconducto r lasers and h igh efficiency ligh t em itting di odes1～2.T he band2gap characteristics of PC s can be app lied to design single m ode h igh Q m icro2cavities,ligh t em itting di odes of laser quality ou tp u t,h igh quality directi onal an tennas, efficien t ligh t w avegu ides,and h igh p erfo rm ance ligh t2w ave filters3～6.Fu rtherm o re,non linear PC s are u sefu l fo r sp litting coup ling,dem u lti p lex ing m u lti p lex ing and all2op tical s w itch ing of ligh t2 w aves in op tical comm un icati on s,and fo r the generati on of second harm on ics7～10.M uch p rogress is m ade in tw o2and th ree2di2 m en si onal PC s w o rk ing in the long w avelength regi on ranging from m icrow ave to the near in2 frared11～14.T h ree2di m en si onal(32D)PC s op erat2 ing in op tical w avelength s has also been investi2 gated bo th theo retically and exp eri m en tally15～17. Yet,un til now there still ex ist p len ty of techn ical difficu lties in the fab ricati on of32D PC s op erat2 ing in the sho rt w avelength regi on,esp ecially inthe visib le ligh t w avelength regi on.In th is p ap er,w e p resen t a new k ind of p ractical schem e fo r con structing32D PC s that m ay op erate in the regi on s from m icrow ave to the visib le ligh t2w ave.Each of the p ropo sed new 32D PC s con sists of a num ber of one2di m en si onal (12D)PC s.It is know n that there ex ists no diffi2 cu lt in fab ricating12D PC s op erating bo th in long w avelength s and in sho rt w avelength s.So ou r schem es are of p ractical sign ificance fo r p ro2 ducing32D PC s that m ay op erate in a w ide range of w avelength s,esp ecially,in the visib le ligh t w avelength s.1 Theoretica l m odel and ana lysis T he essen tial characteristic of12D PC s is that the tran s m issi on of electrom agnetic w aves is p roh ib ited in the directi on s in one di m en si on. W h ile in32D PC s,the tran s m issi on of electro2 m agnetic w aves is fo rb idden in all directi on s in th ree di m en si on s.F rom these essen tial charac2 teristics of12D and32D PC s,w e m ay get the idea that som e structu res con sisted of several p ieces of12D PC can p lay the ro le of32D PC s and can be con sidered as a new k ind ofR eceived date:1999-09-2032D PC .T h is new k ind of 32D PC s is advan ta 2geou s fo r its si m p licity in configu rati on and fab 2ricati on ,w h ich is sp ecially u sefu l fo r ob tain ing 32D PC s that op erate in the visib le ,becau se 12D PC s w o rk ing in the visib le can be fab ricated w ithou t m uch difficu lty by conven ti onal tech 2n iques .W e find that the necessary and sufficien t conditi on fo r a structu re m ade of 12D PC s to be 2have like a 32D PC is that the in tersecting su r 2faces of the 12D PC s in the system are enclo sed in sp ace by these 12D PC s .T h is can be show n to be true from the fo llow ing th ree asp ects .111 The m otion of Photon s i n an UnclosedStructure L et ′s con sider the m o ti on of p ho ton s in a general unclo sed system m ade of a few p ieces of 12D PC s ,as show n in F ig .1.T ak ing no tice of the fact that the su rface of a 12D PC behaves like a m irro r to inciden t p ho ton s ,from F ig .1(a )～(c )it can be easily seen that p ho ton s over a w ide range of directi on s in the structu re w ill escap e ou t of it .T h is m ean s that the m o ti on of the p ho 2ton s in the system is divergen t .T hu s an unclo sed system con sisted of a few p ieces of 12D PC s is no t a su itab le structu re that can serve as a 32D PC .H ere the unclo sed structu re is referred to be that the in tersecting su rfaces of differen t 12D PC s are unclo sed in sp ace.F ig .1 T he mo ti on of pho ton s in an unclo sed structu re ,w here ( )～( )rep resen t differen t 12D PC s ,w here V 1and V 2are respectively the inciden t and ou tgo ing velocities of the pho ton s112 The m otion of photon s i n the i n tersecti ngreg ion of 1-D PCs w ith an acute i n tersect -i ng angleTo analyze the m o ti on of p ho ton s in an en 2clo sed structu re by several p ieces of 12D PC s ,w e first con sider the m o ti on of p ho ton s in the cro ss 2ing regi on of th ree p ieces of 12D PC s w ith a cro ssing angle being acu te ,as show n in F ig . 2.L et ′s fo llow and analyze the m o ti on of a p ho ton starts from an arb itrary po in t A in F ig .2at an arb itrary directi on of m o ti on .Suppo se Η1be thein tersecti on angle of the tw o cro ssing p ieces of12D PC s ( )and ( ).W e m ay w rite the inci 2den t angle of the p ho ton at the su rface S 1of thebo ttom 12D PC as Ηi n (n =1,2,3…),w h ile that at the su rface S 2of the upp er 12D PC as Βi n (n =1,2,3…)1T hen from F ig .2w e can ob tainΗi n =2Η1+Ηi (n -1)=2(n -1)Η1+Ηi1 (n =1,2,3,…+)(1) Βi n =2Η1+Βi (n -1)=2(n -1)Η1+Βi1 (n =1,2,3,…+)(2)F ig .2 T he mo ti on of pho ton s near the in tersectingarea of 12D PC s w ith an acu te in tersecting angle ,w here regi on s ( )～( )are differ 2en t 12D PC sEqs .(1)and (2)tell u s that Ηi n and Βi n w illbe greater than 90°fo r certain large values of n .T h is m ean s that th rough certain ti m es of reflec 2ti on by the su rfaces of the in tersecting 12D PC s ,the inciden t p ho ton w ill m ove tow ards the directi on aw ay from the cro ssing regi on of the 12D PC s .W e can say that the inciden t p ho ton is reflected back by the acu te angle .113 The m otion of photon s i n the i n tersecti ngreg ion of 1-D PCs w ith a non -acute i n ter -secti ng angleN ow w e tu rn to analyze the m o ti on of p ho 2ton s in the cro ssing regi on of 12D PC s w ith the in tersecting angle being non 2acu te ,as show n in F ig .3.It is easy tosee from F ig .3(a )～(d )F ig .3 T he mo ti on of pho ton s near the in tersecting areaof the th ree p ieces of 12D PC s ( )2( )w ith a non 2acu te in tersecting angle ,w here V 1,V 2and V 3are the velocities of pho ton s3112期 Q uyang Zhengb iao ,et al .Sho rt 2w avelength th ree 2di m en si onal pho ton ic crystalsthat all p ho ton s m oving tow ards the in tersecting area of the th ree p ieces of 12D PC s w ith a non 2a 2cu te in tersecting angle w ill be reflected aw ay from the regi on near the in tersecting angle .F rom the above analyses w e m ay conclude that p ho ton s in side an enclo sed strucu re con sisted of several p ieces of 12D PC s are w ho lly fo rb idden in the enclo sed sp ace .In the sam e w ay w e m ay get the conclu si on that p ho ton s ou tside the enclo sed sp ace are p roh ib ited to p enetrate in 2to the in side of the structu re .T hu s an enclo sed structu re m ade of 12D PC s can serve as a 32D PC .2 Exam ples of conf igura tion ofpractica l 3-D photon ic crysta lsA s show n in the above secti on s ,any en 2clo sed structu re m ade of several p ieces of 12D PC s can serve as a 32D PC .T hu s a lo t of schem es can be ob tained acco rding to th is p rinci p le .H ere w e ju st give th ree exam p les to save p ages ,asshow n in F ig .4～6.A so lid cub ic structu re m ade of five p ieces of 12D PC s is show n in F ig .4.It shou ld be po in t 2ed ou t that the effective sp ace fo r fo rb idding p ho ton s in the structu re show n in F ig .4(d )is the vo lum e of the cen tral 12D PC b lock [W ].T h is structu re can be fab ricated acco rding to the fo llow ing step s :first the cen tral b lock ,then the fou r ou tside b lock s one by one ,either th roughdepo siting ,grow ing o r fil m coating techn iques.F ig .4 A cub ic structu re (d )m ade of th ree typesof 12D PC s :[U ],[V ]and [W ]show n in (a ),(b )and (c ),respectivelyA so lid cylinder configu rati on con sisted of tw o p ieces of 12D PC s is p resen ted in F ig .5.H ere the effective sp ace fo r fo rb idding p ho ton s in th is structu re is the vo lum e of the cen tral cylinder m ade of several dielectric discs .T he cen tral cylinder of th is structu re can be ob tained th rough laser cu tting of an o rdinary 12D PC .T he ,12,can be p rep ared by dielectric grow ing around the cen tral cylinder .T h assu re good quality ,one m ay ro tate the cen tral cylinder w h ile grow ing di 2electrics around it.F ig .5 A cylindrical structu re m ade of tw o specialk inds of 12D PC s ,w here (b )is a secti onal view of (a )A nd a so lid sp herical structu re is given in F ig .6.T he dielectric con stan t in the structu re varies p eri odically in the radial directi on s ,w ith 2ou t any dep endence on the o ther tw o coo rdi 2nates .T hu s th is structu re is theo retically a 12D PC .B u t it is easily seen that th is structu re is en 2clo sed and the p ho ton s in side the sp here are fo r 2b idden in it .A lso ,p ho ton s ou tside the sp here w ill no t be ab le to p enetrate the sp here .A ctual 2ly ,it can be con sidered as a structu re m ade of an infin ite num ber of 12D PC p ieces .T hu s th is structu re can serve as a 32D PC.F ig .6 A spherical structu re m ade of dielectric sphericalshells ,w here (b )is the secti onal view of (a )H ere w e po in t ou t that ,in conven ti onalsen se ,the structu res given above are no t 32D PC s .B u t they have the sam e functi on s as tho seconven ti onal 32D PC s .So ,fo r si m p licity ,w e m aystill call the structu res p resen ted above 32D PC s .To avo id confu si on ,w e m ay call the new 32D PC s p ropo sed in th is p ap er as com b ined 32D p ho ton ic crystals (PC s ).T he calcu lati on of p ho ton ic band gap s is no t given in th is p ap er becau se the p ropo sed 411 光 子 学 报 29卷calcu lati on of p ho ton ic band gap s in 12D PC s can be found elsew here .3 Conclusion sA new idea is p resen ted and show n to be u sefu l that an enclo sed structu re m ade of several p ieces of 12D PC s ,called as a com b ined 32D PC ,can serve as a 32D PC .T he advan tage of the newidea is that it b rings techn ical si m p licity in fab ri 2cati on ,being esp ecially m ean ingfu l fo r the p ro 2ducti on of 32D PC s op erating in sho rt w ave 2length s as in the visib le ,becau se there ex ists no techn ical difficu lty in the fab ricati on of 12D PC sw o rk ing in sho rt w avelength s.References1 Fan S ,et al .H igh ex tracti on efficiency of spon taneou s em issi on from slab s of pho ton ic crystals .Phys R ev L ett ,1997,78(17):3294～32972 Kopp V I ,et al .L ow th resho ld lasing at the age of a pho ton ic stop band in cho lesteric liqu id crystals .Op t L ett ,1998,23(21):1707～17093 Sm ith D R ,et al .Band gap cavity .A pp l Phys L ett ,1994,65(5):645～6474 L ei X Y ,et al .N oval app licati on of a pertu rbed pho ton ic crystal :h igh quality filter .A pp l Phys L ett ,1997,71(20):2889～28915 B loem er M J ,Scalo ra M .T ran s m issive p roperties of A g M gF 2pho ton ic band gap s.A pp l Phys L ett ,1998,72(14):1676～16786 Barkou S E ,et al .Silica 2air pho ton ic crystal fiber design that perm itsw avegu iding by a true pho ton ic band gap effect .Op t L ett ,1999,24(1):46～487 L in H 2B ,et al .Tw o di m en si onal pho ton ic band gap op tical li m iter in the visib le .Op t L ett ,1998,23(2):94～968 Enoch S ,A khouayri H .Second 2harmon ic generati on in m u lti layered devices :theo retical too ls .J Op t Soc Am B ,1998,15(3):1030～10419 Ko saka H ,et al .Pho ton ic crystals fo r m icro ligh t w ave circu its u sing w avelength 2dependen t angu lar beam steering .A pp l Phys L ett ,1999,74(10):1370～137210 T ran P .A ll 2op tical s w itch ing w ith a non linear ch iral pho ton ic band gap structu re .J Op t Soc Am B ,1999,16(1):70～7311 Yab lonovitch E ,et al .Pho ton ic band structu re :the face 2cen tered 2cub ic case emp loying non 2spherical atom s .PhysR ev L ett ,1991,67(17):2259～226212 A nderson C M ,Giap is K .L arger tw o 2di m en si onal pho ton ic band gap s .Phys R ev L ett ,1996,77(14):2949～295213 Feiertag G ,et al .Fab ricati on of pho ton ic crystals by deep X 2ray lithography .A pp l Phys L ett ,1997,71(11):1441～144314 Sievenp i per D F ,Yab lonovitch E ,32D m etallo 2dielectric pho ton ic crystals w ith strong capacitive coup ling betw eenm etallic islands.Phys R ev L ett ,1998,80(13):2829～283215 V lasov Y A ,et al .Ex istence of a pho ton ic p seudo 2gap fo r visib le in syn thetic opals .Phys R ev (B ),1997,55(20):R 13357～1336016 Ro sner B T ,et al .In terferom etric investigati on of pho ton ic band 2structu re effects in pu re and doped co llo idal crys 2tals .J Op t Soc Am (B ),1998,15(11):2654～265917 M iguez H ,et al.B ragg diffracti on from indium pho sph ide infilled fcc silica co llo idal crystals .Phys R ev (B ),1999,59(3):1563～15665112期 Q uyang Zhengb iao ,et al .Sho rt 2w avelength th ree 2di m en si onal pho ton ic crystals短波长三维光子晶体欧阳征标 李景镇 孙一翎 林 敏(深圳大学科技研究院光电子技术工程系,深圳518060)收稿日期:1999—09—20摘 要 本文提出了一种新型三维光子晶体—组合式三维光子晶体,它是由数块一维光子晶体组合而成的封闭式结构1从理论上论证了它的可行性1指出在短波长工作区域,这种新型光子晶体的制造工艺简单易行1文中给出并讨论了三个例子1 关键词 光子晶体;短波长;三维;光子材料 Ouyang Zhengb i ao w as bo rn in Dongkou ,H unan P rovince on Feb .20,1963.H e received h is Ph .D in electron p hysics and devices from the U n i 2versity of E lectron ic Science and T echno logy of Ch ina in 1988.A t p re 2sen t ,he is an associate p rofesso r .H is research in terests in recen t years include p ho ton ic m aterials ,quan tum op tics ,laser di ode and non linear op 2tics .H e has p ub lished m o re than 20academ ic p ap ers .611 光 子 学 报 29卷。
光子晶体简介英文版
光子局域：
在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合 的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。
光子带隙
• 光子带隙是一个频率区域，当入射光的频 率落在其中时，它被完全反射，不能穿过 光子晶体。 • 物理上，光子带隙来源于被周期性介电结 构强散射的光之间的干涉。 • 1、光子晶体的空间结构---能否相干 • 2、构成的光子晶体材料介电常数之比---散 射强度。
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 gap) 。
光子晶体特性
光子带陷：
~ E 0 E 0 e i E ~ i H H 0 H 0e
2
代入波动方程，即可得： k r 0 r 0
2
定态下的电磁波波动方程为 2 2 Er k E 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
光纤晶体简介
报告人
主要内容
• 光子晶体理论 • 特性 • 在实际中应用
光子晶体
• 光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。
光子晶体--自然界中的例子
Butterfly
Opal
Sea mouse
结构显色！！！
二、光子晶体中的量子理论
电磁波可表示为：
光子晶体和光子晶体光纤
[ 2 2 2m
V (r)]
Ee
（1-2）
式中，V(r)=V(r+Rn)，ħ为普朗克常数，Ee为电子的 能量，在周期性势场中只能取本征值。
光子晶体
Power point
光子帯隙的产生：
可以看出，方程（1-1）与方程（1-2）的形式完全相似，Ee在周 期性势场中只能取本征值，因此在周期性介电晶体中，ɛ0ω2/c2也 只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从 而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。
Power point
光子晶体光纤
大模场面积单模特性
NA (nc2o nc2l )1/ 2
NA>0.8
高数值孔径内包层光纤晶体光纤，可以使在包层孔径不 大的情况下，接受更多的泵浦光，即使泵浦光耦合更容 易。因此可以增加双包层光子晶体光纤纤芯与内包层的 面积比，这有利于改善泵浦光的吸收效率（容易耦合）。
对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时，
有
r
r
kn
光子晶体
光子帯隙的产生：
可将相对介电常数写为两个部分之和：
平均介电常数
和变动介电常数
' r
则有：
k 2
r r '
2
c2
代入波动方程，可得：
2
E
r
2
c2
' r
E r
2
c2
r
E r
Power point
光子晶体
Power point
Power point
光子晶体光纤
光子晶体光纤的主要特性
a.无截止单模特性 b.可控的色散特性 c.良好的非线性效应 d.优异的双折射特性
光子晶体简介
第六组
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的发展历程 四、光子晶体的应用 五、光子晶体的发展前景
信息技术革命
标志：半导体技术 趋势：微型化和高度集成化 限制：纳米尺度的量子效应
摩尔定律 ：自从1970年以来;可以被放置 到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一 番的速度增长;这保证了计算机运算速度 在同时期随之翻番;价格减半&
二 光子晶体中自发辐射简介
当原子处于激发态时;如果不受外界影响;它们会自发 地回到基态; 从而放出光子;我们把这样一过程称为自发 辐射过程. 自发辐射过程并不是物质的固有性质;而是物 质与场相互作用的结果;也就是说它本质上是电磁振荡为 零时的受激辐射;即所谓的电磁真空. John 等人研究发现 在光子晶体中;由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止 而形成光的局域态;原子自发辐射所发出的光子就会被限 制在原子周围;而不是以光速传播;原子与辐射场之间仍 存在能量交换;这样;辐射场对原子进行修饰而形成光 子—原子束缚态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发 辐射具有不同于真空中指数衰减的性质;因此;对光子晶 体原子自发辐射性质的研究;为研制新型的低噪音;高相 性的激发;寻找奇异的光学材料等都具有十分重要的意义.
光子晶体的特性
1 光子带隙
在一定频率范围内的光子在 光子晶体内的某些方向上是 严格禁止传播的
晶格类型; 光子材料的介电常数配比; 高介电常数材料的填充比&
2 光子局域
在光子晶体中引入杂质和缺陷时 ，与缺陷态频率符合的光子会被 局限在缺陷位置，而不能向空间 传播。
点缺陷 线缺陷 面缺陷
光子晶体可控制光子的运动;是光电集成、光子集成、 光通信的一种关键性基础材料&
第七章光子晶体
s u b stra te
A
A
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A A A
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A A A
A A
A A
A A
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
A
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浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
A
A
A
3
2012/11/8
Making Rods & Holes Simultaneously
dig more holes offset & overlapping backfill
and waveguides (“wires”)
can trap in cavities 3D Pho to niclight C rysta l with De fe c ts
and waveguides (“wires”)
magical oven mitts for holding and controlling light with photonic band gaps: “optical insulators” 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
Periodic Surprises in Electromagnetism
Steven G. Johnson MIT 1887
Photonic Crystals
periodic electromagnetic media 1987
1-D 2-D 3-D
periodic in one direction
光子晶体
光子晶体光子晶体（Photonic Crystal）指能对光作出反应的特殊晶格。
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。
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年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。
这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。
光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。
英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。
光子晶体光纤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。
光子晶体简介
第六组
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的发展历程 四、光子晶体的应用
五、光子晶体的发展前景
信息技术革命
标志：半导体技术
趋势：微型化和高度集成化
限制：纳米尺度的量子效应
摩尔定律 ：自从1970年以来，可以被放置 到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一 番的速度增长，这保证了计算机运算速度 在同时期随之翻番，价格减半。
T k 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 ~ i H H 0 H 0e
2
代入波动方程，即可得： k r 0 r 0
2
定态下的电磁波波动方程为 2 2 Er k E r 0
半导体微纳米制造法
Layer by layer method
由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与 层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对 于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为 一个重复单元，构成面心四方结构。d为 每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示 一个重复单元的尺寸。 Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.
在二十年内，应该制造出第一个光子晶 体逻辑电路 。 再接下来，光子晶体驱动的光子计算机 可能会出现 。 由光子晶体制造的光通讯器件将会改变 光通讯的现状，光子晶体技术的发展必将对 光通信技术产生重大而深远的影响。
2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E r
光子晶体
缺陷真的是不完美吗？——光子晶体的理论计算、制作工艺以及器件应用（综述报告）Do defects really mean imperfection?On theory, fabrication and applications of photonic crystals（Review）胡小龙034698无研01摘要光子晶体材料的介电系数在空间中呈周期分布，这种材料存在光子带隙，引入缺陷对光有局域效应，为更好地控制光和利用光提供了新的方法。
本文综述了近几年来光子晶体理论和实验方面研究进展，包括：理论计算方法、制作工艺以及器件应用。
AbstractThe dielectric coefficient of photonic crystals is periodic in space. Photonic bandgap exits and light can be localized in the defect. The emergence of this new material provides new methods and possibilities for the control and manipulation of light. A brief overview of the progress in both theoretical and experimental research in recent years is presented, including: theoretical computation methods, fabrication and applications.§1 引言在刚刚过去的50年里，半导体物理以及相关技术迅猛发展，影响并推动了整个社会现代化的进程。
人们通过控制材料导电特性、改变电子能带实现了各种各样功能卓越的电子器件。
如果能找到合适的材料来改变（tailor）光子能带，那么是不是同样对光进行控制呢？光子晶体的概念是1987年由S.John[1]和E.Yablonovitch[2]等人分别提出来的。
光子晶体
1
光子晶体简介
散射矩阵法：
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
三 维 金 刚 石 结 构 禁 带 计 算 结 果
光子晶体由折射率为 3.6 的球形介 质构成金刚石结构 ,分布在空气中 , 介质的填充比( 所占空间体积的比) 为 0.34。
研究指出：光子晶体可以抑制自发辐射，我们知道，自发辐射的几率与光子所在 频率的态的数目成正比。当原子被放在一个光子晶体里面 ，而它自发辐射的光频率正 好落在光子禁带中时 ，由于该频率光子的态的数目为零 , 因此自发辐射几率为零，自 发辐射也就被抑制. 反过来 , 光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子的态 的数目便可实现。如在光子晶体中加入杂质 ,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质 态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。
为解决这一问题，人们发明了反蛋白石结构,又称为模板法,即利用二氧化硅、 聚苯乙烯等生长出的胶体晶体作为模板，再往其空隙中填充高折射率材料的有机或 无机材料,如染料、金属纳米粒子、硅等, 多次填充后通过高温煅烧 或刻蚀除去模板,留下反蛋白石三维周期结构。
4
光子晶体的应用
1. 光电元件中的应用—光子晶体发光二极管
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
传输矩阵法：
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
光子晶体
微波领域中的应用—手机的辐射防护 微波领域中的应
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 的天线部位制造维播放 护罩，从而避免对人体 有害的微波辐射直接照 射手机用户的头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一个美好的 前景。
手机的危害
手机是一个小型的、 手机是一个小型的、但能量极 强的电磁波发生器，其工作频率890MHz 强的电磁波发生器，其工作频率890MHz 965MHz，辐射出的电磁波对人体细胞 到965MHz，辐射出的电磁波对人体细胞 作用。 具有极强的致畸作用。手机在使用过 程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。 程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。 长期、高频率使用手机， 长期、高频率使用手机，会造成正常脑 的支持细胞——胶质细胞DNA ——胶质细胞DNA分子链的 的支持细胞——胶质细胞DNA分子链的 电离损害，导致DNA碱基分子链的断裂， DNA碱基分子链的断裂 电离损害，导致DNA碱基分子链的断裂， 引起细胞的癌变
和波长的关系为：
ω
k = = 2 π T 2 π
λ
波的传播速度（相速）为：
T k 设 E 0， H 0， ϕ E， ϕ H 分别是 E 和 H 的振幅 和初相位：
~ iϕ E E0 = E0e ~ H 0 = H 0 e iϕ H
2
ν=
λ
=
ω
代入波动方程，即可得： k = ε r ε 0 µ r µ 0ω
第一个具有绝对能 隙的光子晶体， 隙的光子晶体，及 其经过特别设计的 制作方式
二、光子晶体中的量子理论
电磁波可表示为：
~ ~ E = E0e r r ~ ~ H = H e i ωt − k ⋅ z 0 r r i ωt − k ⋅ z
2-9光子晶体光纤
光子禁带(Photonic Band Gap, PBG)
年各自提出。 由E. Yablonovitch和S. John于1987年各自提出。 和 于 年各自提出 如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样， 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周期性变化也会引起一部分能 量的光不能够传输过该结构， 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 域称为光子禁带(Photonic Band Gap, PBG)。 光子禁带
PCF的损耗（3）
目前PBG-PCF的损耗明显高于TIR-PCF。 TIR-PCF中，光在具有高折射率的纤芯传输，导光机 制类似于普通光纤的全内反射，对包层周期性结构要 求不十分严格，所以材料的本征损耗可以达到通信光 纤的水平。 PBG-PCF是利用光子带隙和缺陷态导光，光主要在空 气芯中传输，在石英介质中传输较少，因此材料的本 征损耗不是非常突出，但是光子带隙效应对包层结构 的周期性要求非常严格，芯部内表面的粗糙度和结构 的不完善将导致损耗加大，是总损耗大于TIR-PCF的 主要原因。 随着制备工艺的不断完善，PBG-PCF有希望达到理想 的超低损耗。
PBG-PCF 的导光原理
采用PBG 导光，是一种完全不同于全内反射的新 导光， 采用 的导光机制。 的导光机制。 纤芯处为大空气孔，形成缺陷， 纤芯处为大空气孔，形成缺陷，PBG-PCF利用缺 利用缺 陷态导光， 陷态导光，光场的绝大部分能量集中在形成缺陷的 纤芯大空气孔中。 纤芯大空气孔中。 PBG-PCF独特的导光机制要求在设计、制造时空 独特的导光机制要求在设计、 独特的导光机制要求在设计 气孔的排列位置精确定位， 气孔的排列位置精确定位，这对制造工艺提出了较 高的要求。 高的要求。
光子晶体光纤
谢谢观看
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。
概念提出
概念提出
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TIRPCFs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（PBGPCFs）只是在近期才得到实验证明。
光子晶体光纤的典型拉制过程:首先是完成预制棒的设计和制作塔中,利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤。 在拉制过程中,通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉制的速度来保持光纤中空气孔的大小比例,从而获得一系列 不同结构的光子晶体光纤。一些研究小组还报道一些特殊的预制棒制作方法,这些方法可以用来拉制特殊材料或特 殊结构的光子晶体光纤。例如,由于软玻璃材料并不像硅一样易形成管状,普通的堆管制作预制棒的方法不适用, 利用直接挤压形成预制棒的新技术则能制作这类材料的光子晶体光纤预制棒。通过堆叠、冲压和钻孔的方法可以 很好地制作聚合物材料的光子晶体光纤预制棒。通过一种独特的卷雪茄技术将聚合物与玻璃合成布拉格结构的光 子晶体光纤。而P.Falkenstein等则是在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料,将它们按设计要求排 列好并融化成型后,利用酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔,这种方法形成的预制棒能拉制出结构更完美、更符合 设计要求的光子晶体光纤。
光子晶体简介
光子晶体:光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。
简介：光子晶体（Photonic Crystal）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。
光子晶体即光子禁带材料，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。
（应用）简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。
背景：微波波段的带隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-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。
（研究现状）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。
光子晶体
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
黑体辐射
实际材料
热辐射材料
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 M. Bayer, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2582 (1998)
半导体： 大规模应用 光子晶体：研发阶段
宽带全向全反射器
核爆 射线探测器 假目标？
Photonic crystal
光子晶体天线
Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)
一维全方位反射镜
Y. Fink, et al., Science 282, 1679 (1998)
3000
Wavenumber(cm )
可见光透射光谱
0.5 0.4
Transmission
0.3 0.2 0.1
黄 色 带
红 色 带
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength (nm)
Left handed materials
E E
S=EH
光子晶体及其应用
内容
光子晶体简介 光子晶体的特性 光子晶体的应用 光子晶体的制作
二维光子晶体水凝胶英文
二维光子晶体水凝胶英文Two-Dimensional Photonic Crystal Hydrogels.Two-dimensional (2D) photonic crystals (PhCs) are periodic structures that can control the propagation of light. They have attracted considerable attention for their potential applications in optics and photonics, such as optical filters, waveguides, and sensors. However, conventional 2D PhCs are typically fabricated using complex and expensive lithographic techniques, which limits their practical applications.Hydrogels are three-dimensional (3D) networks of hydrophilic polymers that can absorb and retain large amounts of water. They have been widely used in biomedical applications, such as drug delivery, tissue engineering, and wound healing. Recently, there has been growinginterest in the development of 2D PhCs based on hydrogels, due to their unique properties and potential applications.Fabrication of 2D PhC Hydrogels.There are several methods to fabricate 2D PhC hydrogels. One common approach is based on self-assembly. Self-assembly is a process in which individual components spontaneously organize into a larger structure. In the case of 2D PhC hydrogels, self-assembly can be achieved by using amphiphilic block copolymers. Amphiphilic block copolymers are molecules that have both hydrophilic and hydrophobic blocks. When amphiphilic block copolymers are dissolved in water, they self-assemble into micelles, which arespherical structures with a hydrophilic core and a hydrophobic shell. By controlling the composition and molecular weight of the amphiphilic block copolymers, it is possible to create 2D PhC hydrogels with different lattice structures and optical properties.Another method to fabricate 2D PhC hydrogels is basedon photopolymerization. Photopolymerization is a process in which a liquid monomer is converted into a solid polymer by exposure to light. In the case of 2D PhC hydrogels, photopolymerization can be used to create 2D PhC structureswithin a hydrogel matrix. This can be achieved by using a photomask to pattern the light exposure, or by using alaser to directly write the 2D PhC structure.Properties of 2D PhC Hydrogels.2D PhC hydrogels have several unique properties that make them attractive for a variety of applications. First,2D PhC hydrogels are highly transparent. This is due to the fact that the hydrogel matrix is composed of water, which has a refractive index that is close to that of air. Second, 2D PhC hydrogels are flexible and stretchable. This is dueto the fact that the hydrogel matrix is composed of softand elastic polymers. Third, 2D PhC hydrogels are biocompatible. This is due to the fact that the hydrogel matrix is composed of materials that are compatible with living tissues.Applications of 2D PhC Hydrogels.2D PhC hydrogels have a wide range of potential applications in optics and photonics. One potentialapplication is in the development of optical filters. Optical filters are devices that can selectively transmit or reflect light of specific wavelengths. 2D PhC hydrogels can be used to create optical filters with a variety of different transmission and reflection characteristics. This makes them ideal for applications in spectroscopy, imaging, and telecommunications.Another potential application of 2D PhC hydrogels is in the development of waveguides. Waveguides are devices that can guide light over long distances. 2D PhC hydrogels can be used to create waveguides with a variety of different propagation characteristics. This makes them ideal for applications in optical communications and sensing.Finally, 2D PhC hydrogels have potential applications in the development of sensors. Sensors are devices that can detect and measure physical or chemical properties. 2D PhC hydrogels can be used to create sensors with a variety of different sensing capabilities. This makes them ideal for applications in environmental monitoring, medical diagnostics, and security.Conclusion.2D PhC hydrogels are a promising new class of materials with a wide range of potential applications in optics and photonics. Their unique properties, such as their high transparency, flexibility, stretchability, and biocompatibility, make them ideal for a variety of applications, including optical filters, waveguides, and sensors. As the development of 2D PhC hydrogels continues, it is likely that they will find even more applications in the future.。
光子晶体
with photonic band gaps: “optical insulators” for holding and controlling light
Intentional defects
Cavity modes: Monopole and dipole
[ Notomi et al. (2005). ]
Glancing Angle Deposition
“seed” posts
glancing-angle Si only builds up on protrusions …rotate to spiral
evaporated Si
Si
[ S. R. Kennedy et al., Nano Letters 2, 59 (2002) ]
[ H. S. Sözüer, PRB 45, 13962 (1992) ]
fcc solid spheres do not have a gap… …but fcc spherical holes in Si do have a gap
sub-micron colloidal spheres
3D
Template (synthetic opal)
Atomic length scales Natural structures Control electron flow 1950’s electronic revolution
Wavelength scales Artificial structures Control EM wave propagation New frontier in optics
Infiltration
complete band gap
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。
光子晶体是指具有
光子晶体光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的，这种结构有时也称为PBG光子晶体结构，这种新型人工材料即为光子晶体材料。
光子晶体（Photonic Crystal）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。
光子晶体即光子禁带材料，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。
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。
我们将具有光子禁带的周期性介质结构称为光子晶体面(Phoooc crystal)，或叫做光子带隙材料(Photonic Bandgap Materials)。
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。
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图 1.独立丝状蛋白石制作步骤.a,b从家蚕的茧中获得光学级丝素蛋白溶液.c,在硅的衬底上生成直径分别为250,320和350nm的PMMA蛋白石球.d, 丝素蛋白溶液渗透到硅上的蛋白石.e,干燥后,从硅晶片上移除丝膜.独立丝膜中的PMMA球溶解在丙酮中.用氮气鼓风机除去SIO膜空隙中的丙酮.该图是2.5×1.5厘米带有反蛋白石的独立丝膜图案的图片. 相应的SEM图像显示的是绿色（左）和蓝色（右）丝状蛋白石。
比例尺,500nm.
无论是通过掺杂丝绸或填充相应的结构，这都是可以实现的。
白光照明下使用光学装置收集可见光-近红外反射光谱测量光谱响应。
减小折射率的折射差值,反射峰所对应的波长红移。
要简单地说明这个概念，我们在丙酮中暴露SIO，丙酮具有足够低的表面张力来渗透纳米结构的晶格和足够的挥发性从而不造成任何蛋白基质膨胀。
丙酮（n≈1.36）导致折射率对比度从原始的Δ≈0.54减小到Δ≈0.18，从而使得pPBG的转换频率降低。
图2显示了这些结果。
图2a中可以观察到清晰的结构颜色变化，以及在图2b中所计算的能带结构和图2c中的实验结果。
在图2c中可以很清楚的看到两个反射峰。
第一个出现蓝颜色的峰集中在λ=438nm处，相应的SIO晶格常数Λ=240nm，第二个绿色的峰集中在λ=540nm处，相应SIO 晶格常数Λ=300nm。
峰的位置和移位的幅度与从的PPBG计算得到的理论估计一致。
有能力制造出一个三维的纳米结构光子晶格完全是由于蚕丝提供了更多的机会，因为它是具有生物相容性，可降解和可植入性的材料。
一个对全蛋白谱元素如SIOS可能的应用，是在生物体组织内使用它们，以提供非内源性的光谱特征。
假如在一个高度分散的环境中，
如活组织，PPBG仍然可检测，那么这些结构则可以设想作为蛋白类造影剂而不需要染料或化学品。
这是通过进行体外实验而得到验证的，在这个实验中，SIO被放置在可变厚度的组织切片（鸡胸肉）下面。
其结果示于图3a,b中，验证对应PPBG2毫米和5毫米的组织的光衰减区域的检测能力。
SIOs也可被用于色度度量检测。
例如，一种不溶于水的SIO暴露于不同浓度的葡萄糖溶液（0,5,12.5和21.25％）。
不同葡萄糖浓度的溶液剂有不同的折射率，并诱导PPBG中的转变，如图3c所示。
值得注意的是折射率增大的函数的斜率在减小。
我们推测这是因为更高浓度溶液的表面张力被葡萄糖加强了。
线性拟合得到的灵敏度为430 nm RIU-1（RIU，折射率单位），但必须指出的是，处理选择性，灵敏度和干扰物的存在需要进一步发展。
蚕丝可以轻而易举地掺杂使得手工制作功能蛋白石变得很容易并且扩展了蚕丝生物材料的应用空间。
作为示范，我们使用了金的纳米颗粒掺杂的蚕丝溶液制造了功能性SIO.这种独立金纳米颗粒掺杂的SIO以上面所描述的类似的方式制造。
通过匹配它们的吸收光谱到SIO PPBG，金纳米粒子的表面等离子体吸收被增强。
融入薄膜的金纳米粒子SIOs有一个稍微不同的pPBG，发现反射峰出现在λ=512 nm和546 nm处对应SIOs晶格常数Λ=280
图2 SIO薄膜的光学响应，a，在白光照明空气（左）和丙酮（右）下的图片，清楚地显示结构色的变化。
所有的图像在与SIO膜垂直的方向被捕获到。
b，采用平面波展开方法计算空气（蓝色）和丙酮（红色）中的SIO光子能带结构。
在模拟中使用的折射率为蚕丝1.54，空气1.36和丙酮1.00。
未转换和转换的pPBG 在图中突出显示。
晶格常数Λ=300nm的SIO频域反射光谱绘制在右边，与的能带结构进行比较。
c，从300纳米（左）和240纳米（右）蛋白石测量得到的反射光谱。
丙酮在SIO上沉积时反射率峰红移。
插图：个别发生色移的蚕丝蛋白石图像。
nm和300 nm。
该反射区域对应于pPBG。
图4a,b显示了金纳米粒子SIOs测得的吸收光谱，同时图中显示的金纳米粒子吸收谱，表明Λ=300nm的SIO的光子带边缘（λ≈525nm）增强了金纳米粒子的吸收。
以前的研究中，在光子带边缘处，光子传播缓慢地通过光子晶体，加强了光子和大块材料之间相互作用。
即使SIOs（面心立方结构的晶胞中SIO占用空间的分数）的填充率只有0.26，在频带边缘的局域化光子表明，该结构能够增加光与金纳米粒子之间的耦合效率。