光子晶體的發(fā)展前景

光子晶體又稱光子禁帶材料、PBG光子晶體結(jié)構(gòu)，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而形成的人工微結(jié)構(gòu)。在自然界中，結(jié)構(gòu)著色和動物反射器都是光子晶體的表現(xiàn)形式。光子晶體具有光子局域、光子禁帶等特性，隨著研究不斷深入，光子晶體將在不同領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)維度不同，光子晶體可分為一維、二維和三維光子晶體。

光子晶體光纖是當(dāng)前光通信領(lǐng)域前沿的熱點課題。在通訊，傳感，激光器等各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。前面幾年一度在學(xué)術(shù)界非常熱門，但是這一兩年熱度有所退潮。編輯請教背后的原因。廉博士告訴編輯，光子晶體光纖成為學(xué)術(shù)界寵兒，離不開南安普頓大學(xué)等在技術(shù)上的突破。當(dāng)時南安普頓的成果達(dá)到了每公里4dB的損耗，而現(xiàn)在一些更新的成果可以實現(xiàn)每公里2dB以下。技術(shù)上的突破加上無比美好的應(yīng)用前景，促成了那幾年學(xué)術(shù)界空前的熱情。不過，這一兩年來，由于光子晶體光纖在實際應(yīng)用上還比較遠(yuǎn)，影響了一些機構(gòu)對此投資的信心。經(jīng)費少了，科研熱度自然有所降低。不過，堅持在這個領(lǐng)域的學(xué)者還是很多。廉博士還指出，在光子晶體光纖生產(chǎn)領(lǐng)域擁有特別技術(shù)的丹麥NKT公司的封閉態(tài)度也是導(dǎo)致學(xué)術(shù)界興趣消退的原因。NKT掌握在光子晶體光纖生產(chǎn)中氣壓控制的關(guān)鍵專利，而且收費很高。除非開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，否則很難繞過NKT的專利壟斷。盡管如此，廉博士指出，光子晶體光纖在中國還是有很大的發(fā)展?jié)摿?。以長盈通為例，他們現(xiàn)在可以為客戶定制任何要求的光子晶體光纖。由于暫時沒有商業(yè)應(yīng)用，所以不存在專利侵權(quán)。另一方面，他們也在努力研究如何規(guī)避NKT的技術(shù)。有了長盈通在光子晶體光纖方面的強大開發(fā)生產(chǎn)能力，國內(nèi)對于光子晶體光纖的研究和應(yīng)用勢必能上一個新臺階。

光子晶體概念最早出現(xiàn)于1987年，全球首個在光學(xué)尺寸上的一維光子晶體則現(xiàn)于1996年，自此之后，光子晶體便被用于半導(dǎo)體材料生產(chǎn)與制造。作為新型光學(xué)材料，光子晶體具有操控光子行為的獨特能力，逐漸在眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2027年光子晶體行業(yè)深度市場調(diào)研及投資策略建議報告》顯示，近年來，光子晶體市場規(guī)模呈快速增長趨勢，2021年全球光子晶體市場規(guī)模達(dá)2678.4億元，同比增長7.4％。

三維光子晶體的制備,尤其是具有足夠小的周期結(jié)構(gòu)的光子晶體的制備一直是光子晶體研究的關(guān)鍵課題。目前光子晶體的制備方法主要包括介質(zhì)棒堆積法、精密機械加工法、半導(dǎo)體微納米制造法以及膠體晶體自組裝法等,但尋找一種制作簡易、組成單元維度低結(jié)構(gòu)的制備方法仍然是科學(xué)家所追求的目標(biāo)。點缺陷或線缺陷所帶來的雜質(zhì)態(tài),使導(dǎo)引光波成為可能,因而引入可控制的點缺陷或線缺陷,是光子晶體相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題。由于實驗上制作光子晶體較為困難,理論方面的模擬計算就顯得格外重要。因此各種計算光子能帶、透射頻譜及電磁場傳遞的方法研究也是光子晶體的重要研究領(lǐng)域。由于光子晶體可以制作具有全新原理或以前所不能制作的高性能光學(xué)及光電器件,因此將光子晶體用于波導(dǎo)、光學(xué)微腔、光纖、低閾值激光發(fā)射器等領(lǐng)域的應(yīng)用研究一直是光子晶體研究的熱點,但要獲得實際應(yīng)用,尚需要有效地解決以下問題:新的光子晶體制備方法的開發(fā);能在光波長區(qū)域內(nèi)構(gòu)造完全的光子禁帶;能夠在光子晶體的任意位置引入任意的缺陷態(tài);以及如何將電流和電壓加到光子晶體上,使晶體結(jié)構(gòu)可在外加電場和磁場控制下進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而成為可調(diào)節(jié)的光子晶體。

由于光子晶體對于光的可操控性,以及光子有著電子所沒有的優(yōu)勢———速度更快,沒有相互作用等,光子晶體被認(rèn)為是未來的光半導(dǎo)體,對光通訊、微波通訊、光電子集成以及國防科技等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。如果能夠突破光子晶體制備的瓶頸,光子晶體將在高性能反射鏡、波導(dǎo)、光學(xué)微腔、光纖等光學(xué)及光電器件上顯示其顯著的優(yōu)勢,同時在隱身材料等國防科技上也將有非常重要的應(yīng)用前景。

1994—2003年,光子晶體領(lǐng)域的SCI論文共計4 129篇。從該領(lǐng)域SCI論文的年代分布來看呈現(xiàn)從少到多,逐年增長的發(fā)展態(tài)勢。2003年的論文數(shù)量是1994年的12倍多(表521和封二圖5)。在10年的全部論文中,共涉及58個國家和地區(qū),而論文數(shù)量多的TOP20國占了全部論文的92. 8%,可見,光子晶體領(lǐng)域的研究工作主要集中在TOP20國。