光子晶体的发展前景

光子晶体又称光子禁带材料、PBG光子晶体结构，是由不同折射率的介质周期性排列而形成的人工微结构。在自然界中，结构着色和动物反射器都是光子晶体的表现形式。光子晶体具有光子局域、光子禁带等特性，随着研究不断深入，光子晶体将在不同领域获得广泛应用。根据维度不同，光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体。

光子晶体光纤是当前光通信领域前沿的热点课题。在通讯，传感，激光器等各个领域都有着广泛的应用前景。前面几年一度在学术界非常热门，但是这一两年热度有所退潮。编辑请教背后的原因。廉博士告诉编辑，光子晶体光纤成为学术界宠儿，离不开南安普顿大学等在技术上的突破。当时南安普顿的成果达到了每公里4dB的损耗，而现在一些更新的成果可以实现每公里2dB以下。技术上的突破加上无比美好的应用前景，促成了那几年学术界空前的热情。不过，这一两年来，由于光子晶体光纤在实际应用上还比较远，影响了一些机构对此投资的信心。经费少了，科研热度自然有所降低。不过，坚持在这个领域的学者还是很多。廉博士还指出，在光子晶体光纤生产领域拥有特别技术的丹麦NKT公司的封闭态度也是导致学术界兴趣消退的原因。NKT掌握在光子晶体光纤生产中气压控制的关键专利，而且收费很高。除非开发新的生产工艺，否则很难绕过NKT的专利垄断。尽管如此，廉博士指出，光子晶体光纤在中国还是有很大的发展潜力。以长盈通为例，他们现在可以为客户定制任何要求的光子晶体光纤。由于暂时没有商业应用，所以不存在专利侵权。另一方面，他们也在努力研究如何规避NKT的技术。有了长盈通在光子晶体光纤方面的强大开发生产能力，国内对于光子晶体光纤的研究和应用势必能上一个新台阶。

光子晶体概念最早出现于1987年，全球首个在光学尺寸上的一维光子晶体则现于1996年，自此之后，光子晶体便被用于半导体材料生产与制造。作为新型光学材料，光子晶体具有操控光子行为的独特能力，逐渐在众多领域获得广泛应用。根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年光子晶体行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，近年来，光子晶体市场规模呈快速增长趋势，2021年全球光子晶体市场规模达2678.4亿元，同比增长7.4％。

三维光子晶体的制备,尤其是具有足够小的周期结构的光子晶体的制备一直是光子晶体研究的关键课题。目前光子晶体的制备方法主要包括介质棒堆积法、精密机械加工法、半导体微纳米制造法以及胶体晶体自组装法等,但寻找一种制作简易、组成单元维度低结构的制备方法仍然是科学家所追求的目标。点缺陷或线缺陷所带来的杂质态,使导引光波成为可能,因而引入可控制的点缺陷或线缺陷,是光子晶体相关领域的重要研究课题。由于实验上制作光子晶体较为困难,理论方面的模拟计算就显得格外重要。因此各种计算光子能带、透射频谱及电磁场传递的方法研究也是光子晶体的重要研究领域。由于光子晶体可以制作具有全新原理或以前所不能制作的高性能光学及光电器件,因此将光子晶体用于波导、光学微腔、光纤、低阈值激光发射器等领域的应用研究一直是光子晶体研究的热点,但要获得实际应用,尚需要有效地解决以下问题:新的光子晶体制备方法的开发;能在光波长区域内构造完全的光子禁带;能够在光子晶体的任意位置引入任意的缺陷态;以及如何将电流和电压加到光子晶体上,使晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。

由于光子晶体对于光的可操控性,以及光子有着电子所没有的优势———速度更快,没有相互作用等,光子晶体被认为是未来的光半导体,对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。如果能够突破光子晶体制备的瓶颈,光子晶体将在高性能反射镜、波导、光学微腔、光纤等光学及光电器件上显示其显著的优势,同时在隐身材料等国防科技上也将有非常重要的应用前景。

1994—2003年,光子晶体领域的SCI论文共计4 129篇。从该领域SCI论文的年代分布来看呈现从少到多,逐年增长的发展态势。2003年的论文数量是1994年的12倍多(表521和封二图5)。在10年的全部论文中,共涉及58个国家和地区,而论文数量多的TOP20国占了全部论文的92. 8%,可见,光子晶体领域的研究工作主要集中在TOP20国。