光子晶体

光子晶体是周期性的光学纳米结构影响的运动光子在大致相同的方式，离子晶格影响电子在固体。在自然界中，光子晶体以结构着色和动物反射器的形式出现，并且以不同的形式有望在一系列应用中有用。

1887年，英国物理学家雷利勋爵（Lord Rayleigh）对周期性多层电介质叠层进行了实验，表明它们在一个维度上具有光子带隙。Eli Yablonovitch和Sajeev John在1987年对具有一个以上维度的周期性光学结构进行了研究，研究兴趣随之增长。

可以制造一维、二维或三维的光子晶体。一维光子晶体可以由沉积或粘附在一起的层制成。二维的可以通过光刻或在合适的基板上钻孔来制成。三维模型的制造方法包括以不同角度钻孔，在彼此之上堆叠多个2-D层，直接进行激光写入，或例如促使球体自组装成矩阵并溶解球体。

原则上，光子晶体可以在必须操纵光的地方找到用途。现有的应用包括带有镜片涂层的薄膜光学器件。二维光子晶体光纤用于非线性设备中并引导奇异波长。三维晶体有一天可能会用于光学计算机。三维光子晶体可能会导致更高效的光伏电池作为电子设备的电源，从而减少了对电力输入的需求。

光子晶体是由周期性的电介质，金属-电介质-或甚至超导体微结构或纳米结构影响电磁波以相同的方式，该传播周期性电势中一个半导体晶体会影响电子通过定义允许的和禁止的电子能带。光子晶体包含规则重复的高和低介电常数区域。光子是否传播通过该结构，取决于其波长。传播的波长称为模式，以及允许的模式组组成频段。不允许的波长带称为光子带隙。这引起了独特的光学现象，例如抑制自发发射、高反射全向镜和低损耗波导。直觉上，光子晶体的带隙可以理解为是由于在高和低介电常数区域的界面处在晶体中传播的光的多次反射的破坏性干涉而产生的，类似于固体中电子的带隙。

光子晶体结构的周期性必须大约是要衍射的电磁波波长的一半。对于在光谱的可见光部分工作的光子晶体，此范围约为〜350 nm（蓝色）至〜650 nm（红色），具体取决于平均折射率，甚至更低。因此，必须以这种规模制造高和低介电常数的重复区域，这是困难的。

制造方法取决于光子带隙必须存在的尺寸数。

在一维光子晶体中，可以将不同介电常数的层沉积或粘附在一起，以在单个方向上形成带隙。甲布拉格光栅是这种类型的光子晶体的示例。一维光子晶体可以是各向同性或各向异性的，后者具有用作光开关的潜力。

一维光子晶体可以形成为无限数量的填充有超材料和真空的平行交替层。这为TE和TM模式产生相同的光子带隙（PBG）结构。

最近，研究人员制造了基于石墨烯的布拉格光栅（一维光子晶体），并证明它通过使用633 nm He-Ne激光作为光源来支持周期性结构中表面电磁波的激发。此外，还提出了一种新型的一维石墨烯-介电光子晶体。这种结构可以充当远红外滤波器，并可以支持用于波导和传感应用的低损耗表面等离子体激元。掺杂有生物活性金属的一维光子晶体也已提出作为细菌污染物的传感设备。由聚合物制成的类似的平面一维光子晶体已用于检测大气中的挥发性有机化合物蒸气。除了固相光子晶体外，某些具有定义顺序的液晶还可以显示光子颜色。例如，研究表明几种具有短距离或长距离一维位置排序的液晶可以形成光子结构。

在二维上，可以在对带隙设计为阻挡的辐射波长透明的衬底上钻洞。孔的三角形和正方形晶格已成功使用。

的多孔光纤或光子晶体光纤可以通过利用玻璃的圆柱棒在六方点阵，然后加热和拉伸它们制成，该三角形状的玻璃棒之间气隙成为限制模式中的孔。

已经构造了几种结构类型：

• 钻石晶格中的球体
• 亚布鲁诺维特
• 用射线平版印刷术反复蚀刻木桩结构 –“杆” ，填充并覆盖一层新材料。随着该过程的重复，在每一层中蚀刻的通道都垂直于下面的层，并且与下面两层的通道平行且异相。重复该过程，直到结构达到所需的高度为止。然后使用溶解填充材料但不溶解沉积材料的试剂溶解填充材料。通常很难在该结构中引入缺陷。
• 反蛋白石或反胶体晶体-球形（例如聚苯乙烯或二氧化硅）可以沉积到悬浮在溶剂中的立方密堆积晶格中。然后引入一种硬化剂，该硬化剂可以使溶剂占据的体积变成透明的固体。然后用诸如盐酸的酸溶解球体。胶体可以是球形的或非球形的。包含超过750,000个聚合物纳米棒。取决于偏振、聚焦在此分束器上的光会穿透或反射。

如果我们通过创建纳米腔来部分消除对称性，那么不仅带隙，光子晶体还可能具有其他作用。此缺陷使您可以引导或捕获具有与纳米光子共振器相同功能的光，其特征是光子晶体中的强介电调制。对于波导，光的传播取决于由光子带隙提供的面内控制以及由介电失配引起的光的长时间限制。对于光阱，光被强烈地限制在空腔中，从而导致与材料的进一步相互作用。首先，如果我们在腔体内放一个光脉冲，它将延迟纳秒或皮秒，这与腔的品质因数。最后，如果我们将发射器放置在腔体内，则发射光也会显着增强，甚至共振耦合也会经历拉比振荡。这与腔量子电动力学有关，相互作用是由发射极和腔的弱耦合和强耦合定义的。对一维光子平板中的腔的最初研究通常是在光栅或分布式反馈结构中。对于二维光子晶体腔，它们对于在电信应用中制造高效的光子器件很有用，因为它们可以以小于波长模式的体积提供高达数百万的高质量因子。对于三维光子晶体腔，已经开发了几种方法，包括逐层光刻技术，表面离子束光刻技术和显微操作技术。所有上述提到的紧密束缚光的光子晶体腔为集成光子电路提供了非常有用的功能，但是以允许它们容易地重新定位的方式来制造它们是具有挑战性的。在解决这些问题的研究仍在进行的过程中，无法完全控制腔的创建，腔的位置以及相对于腔最大场的发射器位置。光子晶体中纳米线的可移动腔是定制这种轻物质相互作用的解决方案之一。

高维光子晶体制造面临两个主要挑战：

• 使它们具有足够的精度以防止散射损耗使晶体特性模糊
• 设计工艺可以可靠地大量生产晶体

二维周期性光子晶体的一种有前途的制造方法是光子晶体光纤，例如带孔光纤。使用为通信光纤开发的光纤拉伸技术可以满足这两个要求，并且光子晶体光纤可以从市场上买到。开发二维光子晶体的另一种有前途的方法是所谓的光子晶体平板。这些结构由一块材料组成，可以使用半导体行业的技术对其进行图案化。这样的芯片提供了将光子处理与电子处理结合在单个芯片上的潜力。

对于三维光子晶体，已使用了各种技术，包括与用于集成电路的光刻和蚀刻技术相似的技术。这些技术中的一些已经可以商业获得。为了避免纳米技术方法的复杂机制，一些替代方法涉及从胶体晶体中生长光子晶体作为自组装结构。

现在可以使用剪切组装技术生产大规模3D光子晶体薄膜和纤维，该技术将200–300 nm的胶体聚合物球堆叠到fcc晶格的完美薄膜中。由于颗粒具有较软的透明橡胶涂层，因此可以拉伸和模塑薄膜，从而调节光子带隙并产生醒目的结构色彩效果。

光子晶体是用于控制和操纵光流的有吸引力的光学材料。一维光子晶体已经以薄膜光学的形式被广泛使用，其应用范围从镜片和镜子上的​​低反射涂层和高反射涂层到变色的油漆和油墨。高维光子晶体对于基础研究和应用研究都非常感兴趣，而二维光子晶体正开始找到商业应用。

涉及二维周期性光子晶体的xxx批商业产品已经以光子晶体纤维的形式出现，与用于非线性设备和引导奇异波长的常规光纤相比，其使用微米级结构来束缚具有与根本不同的特性的光。三维对应物还远未实现商业化，但当某些技术方面，如可制造性和主要困难得到控制时，它们可能会提供其他功能，如光学计算机中使用的光学晶体管的操作所需的光学非线性。