3.5 光子晶体的应用[30],[34],[35],[37],[41～44]

光子晶体展现了一种全新的控制光子传播的机理，有着广泛的应用潜力。目前，光子晶体有下面几个主要应用。

1.高性能反射镜

频率落在光子带隙中的光子不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介质材料制成的光子晶体可以反射从任何方向入射的光，反射率几乎为100%。这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的波长范围内可以反射光，但在红外和可见光波段有较大的吸收。金属对光波的吸收损耗很大，特别是在短波长区域，而介质对光波的吸收损耗却很小，因此用介质材料制作的光子晶体反射镜具有极小的损耗，因而可以制成高品质的反射镜。另外，由于金属的趋肤效应使金属反射镜对光波的吸收集中于极薄（远小于光的波长）的表层内，使得金属反射镜的表层温度变得很高，容易造成金属反射镜的表层变形，使其质量严重下降。对于光子晶体反射镜，由于它对光波的吸收分布在几个波长的范围内，所以因吸收光而产生的热量分布在较大的体积内，由此而引起的光子晶体反射面的温度升高幅度比金属反射面的温度升高幅度小得多。这样光子晶体反射镜的表面就不会被烧坏。

光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线。普通的平面天线由于衬底的透射等原因，向空间发射的能量有很多损失;如果用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部发射到空间。通常认为一维光子晶体不能作为全方位反射镜，因为随着入射光偏离正入射，总有光会透射出来。1998年，Fink等研究发现，选择适当的介质材料，一维光子晶体也可以制成全方位反射镜。[41]

2.光子晶体微腔与光子晶体激光器

采用光子晶体可以制造出品质因数（Q值）很高的微谐振腔。在一种叠层堆积的三维光子晶体中引入点缺陷便可构造出一个微谐振腔，这种微谐振腔的Q值随着光子晶体的层数的增加而呈指数增长，当光子晶体的层数不是很多时，Q值就可以超过5000。

在激光器中引入一个带有缺陷态的光子晶体，使激光器中的自发辐射频率落在光子晶体的禁带范围内，并且使缺陷态形成的波导与出射方向一致，这样，自发辐射的能量几乎可以全部用来发射激光，这将大大降低激光器的阈值。1999年，Painter等在二维光子晶体中引入点缺陷形成微腔，制成光子晶体激光器，如图3.5-1所示[42]。光子晶体激光器具有体积小、阈值低、易集成等优点。目前，人们正在开展无阈值激光器的研究。

3.光子晶体波导

传统的介质波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会有能量损失。前文提到，在光子晶体中引入线缺陷后，频率在光子禁带内的光将被限制在这一线缺陷内部传播，形成光子晶体波导。光子晶体波导不仅在直线路径处而且在弯曲路径处都有很高的传输效率。图3.5-2所示为光子晶体波导的低损耗传输示意图[34]。可见，光子晶体可以用来制作低损耗的弯曲波导。弯曲波导在全光集成系统中很有应用价值。

4.光子晶体光纤

在普通的光纤波导中，当光纤弯曲时，全内反射条件不再满足，因此将损耗部分光波能量，使传输效率降低。但光子晶体波导所利用的是不同方向缺陷模共振匹配原理。原则上只要达到模式匹配，不管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。图3.5-3所示为一种光子晶体光纤的结构图[43]，从光纤的端面看，这是一种具有周期性结构的光子晶体，但在光纤的中心有缺陷态，光便可以沿着缺陷态在光纤中传输，图3.5-3（a）的上图所示为二维光子晶体结构形成的光纤;另一种结构则为一维光子晶体结构，如图3.5-3（a）的下图所示。图3.5-3（b）所示为一种光子晶体光纤的实物图，中空芯层呈黑色，芯层外围是折射率为1.55的聚醚砜（Poly Ether Sulphone，PES）与折射率为2.8的三硒化二砷（As2Se3）形成一维光子晶体，在约3.55μm处产生禁带。聚醚砜呈灰色，三硒化二砷呈白色。与传统光纤相比，光子晶体光纤具有的优点包括:①在很宽的频率范围内支持单模传输，通过合理的设计可以支持任何波长光波的单模传输;②光子晶体光纤的纤芯面积可大于传统光纤纤芯面积的10倍左右，这样就允许较高的入射光功率;③在大角度弯曲处光波的传输几乎没有损耗。

5.光子晶体超棱镜

传统的棱镜几乎无法分开波长相近的光，但用光子晶体制作的超棱镜具有的分光能力比普通的棱镜要强100～1000倍，而体积仅为后者的百分之一。图3.5-4所示为光子晶体的超棱镜效应的实验结果[44]，对波长为1.0μm和0.99μm的两束光，普通的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜则可以将它们分开到50°。超棱镜具有体积小、分光能力强等特点，在光信息处理等方面有重要的应用价值。

6.光子晶体偏振器

在二维光子晶体中，光场分为TE和TM两种偏振模式。两种模式具有不同的频带结构，如图3.5-5所示[34]，图中方形插图中的白色圆圈表示空气柱，周围灰色区域为介质（介电常数ε=13），这是一种正方形格子的二维光子晶体;计算表明，在这种光子晶体中，TM模式具有完全禁带，而TE模式则没有禁带。当一束频率位于TE模式禁带中的自然光入射到该光子晶体中，出射光只有TM模式的光，因此具有这种频带结构的光子晶体可以用来制作偏振器。与传统的偏振器相比，光子晶体偏振器具有很多优点，例如工作频率范围大、体积小、适于集成等。

7.光子晶体滤波器

利用光子晶体的带隙特点可以制作具有优良滤波性能的滤波器。光子晶体的滤波带宽可以做得很大，目前能实现从低频直到红外的宽带滤波。光子晶体滤波器对于发展超高密度波分复用光通信技术和超高精度光学信息测量仪器具有重要的应用价值。

光子晶体还有其他许多应用，如用于制作光开关、光放大器等新型器件。光子晶体带来许多新的物理现象，随着对这些新现象了解的深入和制作光子晶体技术的改进，人们将会发现光子晶体更多的用途。