张 宁
(北京邮电大学，北京，100876）
光子晶体（photonic crystal）是E.Yablonovich于1987年提出的新概念和新材料，从晶体结构来说，晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在这种带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不能传播。在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体，如图1所示。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。
光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通信的一种关键性基础材料。用光子晶体器件来代替传统的电子器件，将会引起光通信领域的一场革命，信息通讯的速度快得无法想象。
首先，光子晶体波导具有优良的弯曲效应。在一般的光纤波导中，当波导拐弯时，全内反射条件不再有效．因此会漏掉部分光波能量，使传输效率降低。而光子晶体弯曲波导中，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2为光子晶体波导的低损耗传输示意图。弯曲效应在全光集成系统中很有应用价值。
其次，光子晶体光纤较传统光纤具有显著的优势。光子晶体带隙特性不但保证了能量传输中的基本无损失，而且不会出现延迟等影响数据传输率的现象。另外，光子晶体光纤还具有极宽的传输频带，可全波段传输。如图3是目前英国斯温顿Bath大学的实验性光子晶体光纤实物图和传输效果图。
世界领先的光子晶体光纤产品商业化的公司-----丹麦Crystal Fiber A/S（www.crystal-fibre.com）最近推出了新的光子晶体光纤产品系列。该公司在原有“非线性光子晶体光纤”（Nonlinear Photonic Crystal Fiber）、“大模场区域光子晶体光纤”(Large Mode Area Photonic Crystal Fiber)、“多模光子晶体光纤”(Multimode Photonic Crystal Fiber)三种系列产品的基础上，推出两类新产品；一种是中空的“空气波导光子带隙晶体光纤”（air-guiding Photonic Bandgap Fiber），此晶体光纤的纤芯是中空的，利用空气作为波导，使光可以在特殊的能带隙中传输。另外一种是“双包层高数值孔径掺镱晶体光纤”（Double Clad High NA Yb Fiber），该光纤可以用在光纤激光器或光纤放大器中，另外由于该光纤具有光敏性，还可以在其上刻写光纤光栅。此外，Crystal Fiber A/S公司在推出新产品系列的同时还对原先的一些产品做了许多改进。
此外，光子晶体还可用于制造各种性能优良的光通讯器件，如光子晶体激光器。在传统的激光器中存在着一些问题。例如，激光器的发射波长的变化使传输损耗发生变化，这对波分复用系统是十分不利的，而且随着激光器功率的增加，激光器的线宽趋于饱和，并开始重新展宽，这对于相干光纤通信，特别是PDM调制十分不利。激光器的辐射角虽然比LED已经大大减小，但仍然不理想，这也导致了激光器的耦合效率不高，只能达到30%-50%。而在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体，使缺陷态形成的波导与出射方向成一样的角度，这样，自发辐射的能量就几乎可以全部用来发射激光，这就大大降低了激光器的阈值。光子晶体激光器，如图4所示。目前，人们正在进行着无阈值激光器的研究。
利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。光子晶体的滤波带宽可以做得很大，目前能实现从低频（几乎为0Hz）直到红外的宽带滤波。这种大范围的滤波作用利用传统的滤波器是难以实现的。
OADM是光通信中的一个重要器件，而滤波器又是其中的重要元件，主要实现channel add/drop功能。图5（a）是一种光子晶体channel drop滤波器示意图。这种结构是通过在一块具有二维的光子晶体平板中引入单点缺陷来实现的。频率为fi的光可以被分离出来，转移到其它的波导中，而其它频率的光将不会受任何影响，从理论上来说，这种分离方法是不会给光造成任何损失的。最近人们又成功的实现了channel add的功能，如图5（b）所示。
光子晶体在光通信系统中还有其它许多应用，如光开关、光放大和光交换机等新型器件。光子晶体优良的特性，以及其在光电子领域巨大的应用潜力，必将推动光通信技术的飞速发展。目前光子晶体正处于深入研究和应用推广阶段，许多美好的设想成为现实，还有待对光子晶体进行大量的研究工作。光子晶体电路和装置的出现看起来只是时间问题。
操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求，全球高新技术领域的科学家与企业家都期待着新的带隙材料对光波的操纵。从科学技术角度可以预言，这一目标一旦实现，将对人类产生不亚于微电子革命所带来的深刻影响。因此，光子晶体也被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”。可以预计，在五年之内，光子晶体的许多基本应用将会在市场上体现出来，在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。在十年内，应该制造出第一个光子晶体“二极管”和“晶体管”。在二十年内，应该制造出第一个光子晶体逻辑电路，再接下来，光子晶体驱动的光子计算机可能会出现。由光子晶体制造的光通讯器件将会改变光通讯的现状，光子晶体技术的发展必将对光通信技术产生重大而深远的影响。
摘自 光纤新闻网
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