光子晶体技术的发展与趋势

光子晶体概念

现就职于美国加州大学伯克利分校的Yablonovitch解释光子晶体这一概念，这是源于一对密集空间电解质镜控制自发辐射过程。他提出边缘介质限制，概念阻止光束从镜面侧面泄露，形成1-、2-、3-维的光约束的概念。图2所示的是包括不同折射率的两种电介质材料薄层交替构成的结构，每一层像一块干涉滤波片，都能反射一个共振带透射的其他波长。

在光子晶体的另外一篇早期报道中，麻省理工学院的John Joannopolis将共振发射波长称为类似于固体电子带隙的“光子带隙”。光子带隙的能量由薄层的厚度和反射系数决定。像电子一样，如果光子能量在能带传输过程中下降了，它就不能再在固体中传输了。在大多数应用中，光子晶体将缺乏同能级光子能隙的光限制在材料中，因此光能在其中传输。

图2 不同折射率两种材料的交替层。

光子晶体光纤

光子晶体的首次成功应用是“多孔”光纤或微结构光纤。实心光子晶体光纤类似于传统光纤，其中的孔减少了构成光子晶体的各薄层折射率。由于光子晶体效应捕获了低折射率区域光子带隙的波长，对其他折射率区域没有响应，空心光纤与传统光纤有实质性的不同。对于这两种光纤结构曾经对其分别命名，空心光纤称为“光子带隙光纤”，实心光纤称为“光子晶体光纤”，但是今天已经不对其进行区分了。

实心和空心光纤具有普通光纤不具有的特性，实心光纤能够在很宽的频率范围内支持单模形式导光，缩小芯径可以增加光纤非线性特性而应用于超连续谱，扩大单一模式填充可以降低非线性特性，应用于光纤激光器；空心光纤填充氢元素可以应用于拉曼光谱。在某些波长上，空心光纤的光学衰减比实心光纤低。

光子晶体光纤领域持续创新，如将光子晶体光纤中的小孔尺寸进行分级。标准尺寸的孔在某一波长处产生强烈共振，在临近频段产生大的光散射。为了限制这一散射，俄罗斯萨拉托夫大学的Julia Skibina和她的同事制造了增加外层尺寸的光子晶体覆层，使得各层在不同波长处谐振，以扩大透射带，降低散射。