3.5 光子晶體的應用[30],[34],[35],[37],[41～44]

光子晶體展現了一種全新的控制光子傳播的機理，有著廣泛的應用潛力。目前，光子晶體有下面幾個主要應用。

1.高性能反射鏡

頻率落在光子帶隙中的光子不能在光子晶體中傳播，因此選擇沒有吸收的介質材料制成的光子晶體可以反射從任何方向入射的光，反射率幾乎為100%。這與傳統的金屬反射鏡完全不同。傳統的金屬反射鏡在很大的波長范圍內可以反射光，但在紅外和可見光波段有較大的吸收。金屬對光波的吸收損耗很大，特別是在短波長區域，而介質對光波的吸收損耗卻很小，因此用介質材料制作的光子晶體反射鏡具有極小的損耗，因而可以制成高品質的反射鏡。另外，由于金屬的趨膚效應使金屬反射鏡對光波的吸收集中于極薄（遠小于光的波長）的表層內，使得金屬反射鏡的表層溫度變得很高，容易造成金屬反射鏡的表層變形，使其質量嚴重下降。對于光子晶體反射鏡，由于它對光波的吸收分布在幾個波長的范圍內，所以因吸收光而產生的熱量分布在較大的體積內，由此而引起的光子晶體反射面的溫度升高幅度比金屬反射面的溫度升高幅度小得多。這樣光子晶體反射鏡的表面就不會被燒壞。

光子晶體反射鏡有許多實際用途，如制作新型的平面天線。普通的平面天線由于襯底的透射等原因，向空間發射的能量有很多損失;如果用光子晶體做襯底，由于電磁波不能在襯底中傳播，能量幾乎全部發射到空間。通常認為一維光子晶體不能作為全方位反射鏡，因為隨著入射光偏離正入射，總有光會透射出來。1998年，Fink等研究發現，選擇適當的介質材料，一維光子晶體也可以制成全方位反射鏡。[41]

2.光子晶體微腔與光子晶體激光器

采用光子晶體可以制造出品質因數（Q值）很高的微諧振腔。在一種疊層堆積的三維光子晶體中引入點缺陷便可構造出一個微諧振腔，這種微諧振腔的Q值隨著光子晶體的層數的增加而呈指數增長，當光子晶體的層數不是很多時，Q值就可以超過5000。

在激光器中引入一個帶有缺陷態的光子晶體，使激光器中的自發輻射頻率落在光子晶體的禁帶范圍內，并且使缺陷態形成的波導與出射方向一致，這樣，自發輻射的能量幾乎可以全部用來發射激光，這將大大降低激光器的閾值。1999年，Painter等在二維光子晶體中引入點缺陷形成微腔，制成光子晶體激光器，如圖3.5-1所示[42]。光子晶體激光器具有體積小、閾值低、易集成等優點。目前，人們正在開展無閾值激光器的研究。

3.光子晶體波導

傳統的介質波導可以支持直線傳播的光，但在拐角處會有能量損失。前文提到，在光子晶體中引入線缺陷后，頻率在光子禁帶內的光將被限制在這一線缺陷內部傳播，形成光子晶體波導。光子晶體波導不僅在直線路徑處而且在彎曲路徑處都有很高的傳輸效率。圖3.5-2所示為光子晶體波導的低損耗傳輸示意圖[34]。可見，光子晶體可以用來制作低損耗的彎曲波導。彎曲波導在全光集成系統中很有應用價值。

4.光子晶體光纖

在普通的光纖波導中，當光纖彎曲時，全內反射條件不再滿足，因此將損耗部分光波能量，使傳輸效率降低。但光子晶體波導所利用的是不同方向缺陷模共振匹配原理。原則上只要達到模式匹配，不管拐多大彎，都能達到很高的傳輸效率。圖3.5-3所示為一種光子晶體光纖的結構圖[43]，從光纖的端面看，這是一種具有周期性結構的光子晶體，但在光纖的中心有缺陷態，光便可以沿著缺陷態在光纖中傳輸，圖3.5-3（a）的上圖所示為二維光子晶體結構形成的光纖;另一種結構則為一維光子晶體結構，如圖3.5-3（a）的下圖所示。圖3.5-3（b）所示為一種光子晶體光纖的實物圖，中空芯層呈黑色，芯層外圍是折射率為1.55的聚醚砜（Poly Ether Sulphone，PES）與折射率為2.8的三硒化二砷（As2Se3）形成一維光子晶體，在約3.55μm處產生禁帶。聚醚砜呈灰色，三硒化二砷呈白色。與傳統光纖相比，光子晶體光纖具有的優點包括:①在很寬的頻率范圍內支持單模傳輸，通過合理的設計可以支持任何波長光波的單模傳輸;②光子晶體光纖的纖芯面積可大于傳統光纖纖芯面積的10倍左右，這樣就允許較高的入射光功率;③在大角度彎曲處光波的傳輸幾乎沒有損耗。

5.光子晶體超棱鏡

傳統的棱鏡幾乎無法分開波長相近的光，但用光子晶體制作的超棱鏡具有的分光能力比普通的棱鏡要強100～1000倍，而體積僅為后者的百分之一。圖3.5-4所示為光子晶體的超棱鏡效應的實驗結果[44]，對波長為1.0μm和0.99μm的兩束光，普通的棱鏡幾乎不能將它們分開，但采用光子晶體超棱鏡則可以將它們分開到50°。超棱鏡具有體積小、分光能力強等特點，在光信息處理等方面有重要的應用價值。

6.光子晶體偏振器

在二維光子晶體中，光場分為TE和TM兩種偏振模式。兩種模式具有不同的頻帶結構，如圖3.5-5所示[34]，圖中方形插圖中的白色圓圈表示空氣柱，周圍灰色區域為介質（介電常數ε=13），這是一種正方形格子的二維光子晶體;計算表明，在這種光子晶體中，TM模式具有完全禁帶，而TE模式則沒有禁帶。當一束頻率位于TE模式禁帶中的自然光入射到該光子晶體中，出射光只有TM模式的光，因此具有這種頻帶結構的光子晶體可以用來制作偏振器。與傳統的偏振器相比，光子晶體偏振器具有很多優點，例如工作頻率范圍大、體積小、適于集成等。

7.光子晶體濾波器

利用光子晶體的帶隙特點可以制作具有優良濾波性能的濾波器。光子晶體的濾波帶寬可以做得很大，目前能實現從低頻直到紅外的寬帶濾波。光子晶體濾波器對于發展超高密度波分復用光通信技術和超高精度光學信息測量儀器具有重要的應用價值。

光子晶體還有其他許多應用，如用于制作光開關、光放大器等新型器件。光子晶體帶來許多新的物理現象，隨著對這些新現象了解的深入和制作光子晶體技術的改進，人們將會發現光子晶體更多的用途。