第3章 光在光子晶体中的传播

1987年，美国贝尔通信研究所的E. Yablonovitch在研究抑制自发辐射问题时，提出了光子晶体的概念[27]。几乎同时，S. John在讨论光子局域特性时也独立地提出了这个概念[28]。光子晶体是折射率在空间周期性变化的介质结构，折射率的空间变化周期和光的波长为同一个数量级。光子晶体具有独特的光学性质。例如，对特定的波矢，一定频率的光不能在晶体中传播，从而产生光子禁带。因此，光子晶体也称为光子带隙材料。光子晶体除具有光子禁带的特性外，还具有所谓光子局域的特性。

光子晶体具有广泛的用途，可以制成光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体反射镜、光子晶体微腔激光器、光子晶体滤波器等光子器件，广泛用于光通信、光计算等领域。最初，光子晶体是人工设计制造的，但研究发现自然界也存在天然的光子晶体，如孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、蛋白石、海鼠毛等，这些自然物所表现出来的彩色图案与其三维亚微米尺度的周期性微结构密切相关。

本章将介绍光子晶体的结构与特性，光在光子晶体中传播的理论分析方法，以及光子晶体的应用等内容。为了便于理解光子晶体的特性，先介绍周期性结构涉及的一些基本概念，如倒格矢、布洛赫定理及布里渊区等。