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(dòng)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(diǎn)課題。在通訊，傳感，激光器等各個(gè)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(qǐng)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(kāi)南安普頓大學(xué)等在技術(shù)上的突破。當(dāng)時(shí)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(shí)現(xiàn)每公里2dB以下。技術(shù)上的突破加上無(wú)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(guò)，這一兩年來(lái)，由于光子晶體光纖在實(shí)際應(yīng)用上還比較遠(yuǎn)，影響了一些機(jī)構(gòu)對(duì)此投資的信心。經(jīng)費(fèi)少了，科研熱度自然有所降低。不過(guò)，堅(jiān)持在這個(gè)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(fèi)很高。除非開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝，否則很難繞過(guò)NKT的專利壟斷。盡管如此，廉博士指出，光子晶體光纖在中國(guó)還是有很大的發(fā)展?jié)摿?。以長(zhǎng)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(shí)沒(méi)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(zhǎng)盈通在光子晶體光纖方面的強(qiáng)大開(kāi)發(fā)生產(chǎn)能力，國(guó)內(nèi)對(duì)于光子晶體光纖的研究和應(yīng)用勢(shì)必能上一個(gè)新臺(tái)階。

光子晶體概念最早出現(xiàn)于1987年，全球首個(gè)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(dú)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(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，近年來(lái)，光子晶體市場(chǎng)規(guī)模呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，2021年全球光子晶體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2678.4億元，同比增長(zhǎng)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(jī)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(jiǎn)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(diǎn)缺陷或線缺陷所帶來(lái)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)上制作光子晶體較為困難,理論方面的模擬計(jì)算就顯得格外重要。因此各種計(jì)算光子能帶、透射頻譜及電磁場(chǎng)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(diǎn),但要獲得實(shí)際應(yīng)用,尚需要有效地解決以下問(wèn)題:新的光子晶體制備方法的開(kāi)發(fā);能在光波長(zhǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(duì)于光的可操控性,以及光子有著電子所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)———速度更快,沒(méi)有相互作用等,光子晶體被認(rèn)為是未來(lái)的光半導(dǎo)體,對(duì)光通訊、微波通訊、光電子集成以及國(guó)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(shì),同時(shí)在隱身材料等國(guó)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(jì)4 129篇。從該領(lǐng)域SCI論文的年代分布來(lái)看呈現(xiàn)從少到多,逐年增長(zhǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。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(gè)國(guó)家和地區(qū),而論文數(shù)量多的TOP20國(guó)占了全部論文的92. 8%,可見(jiàn),光子晶體領(lǐng)域的研究工作主要集中在TOP20國(guó)。