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光子晶體（photonic crystal）是E.Yablonovich于1987年提出的新概念和新材料，從晶體結構來說，晶體內部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢場的存在，使得運動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結構，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在這種帶隙中，就無法繼續傳播。其實，不論是電磁波，還是其它波如光波等，只要受到周期性調制，都有能帶結構，也都有可能出現帶隙。而能量落在帶隙中的波同樣不能傳播。在1991年，Yablonovich制作了第一塊光子晶體，如圖1所示。他所采用的方法是在折射率為3.6的材料上用機械方法鉆出許多直徑為1mm的孔，并呈周期性分布。這種材料從此被稱為“Yablonovich”，它可阻止里面的微波從任何方向傳播出去。



光子晶體可控制光子的運動，是光電集成、光子集成、光通信的一種關鍵性基礎材料。用光子晶體器件來代替傳統的電子器件，將會引起光通信領域的一場革命，信息通訊的速度快得無法想象。

　　首先，光子晶體波導具有優良的彎曲效應。在一般的光纖波導中，當波導拐彎時，全內反射條件不再有效．因此會漏掉部分光波能量，使傳輸效率降低。而光子晶體彎曲波導中，所利用的是不同方向缺陷模共振匹配原理。原則上只要達到模式匹配，不管拐多大彎，都能達到很高的傳輸效率。圖2為光子晶體波導的低損耗傳輸示意圖。彎曲效應在全光集成系統中很有應用價值。



其次，光子晶體光纖較傳統光纖具有顯著的優勢。光子晶體帶隙特性不但保證了能量傳輸中的基本無損失，而且不會出現延遲等影響數據傳輸率的現象。另外，光子晶體光纖還具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸。如圖3是目前英國斯溫頓Bath大學的實驗性光子晶體光纖實物圖和傳輸效果圖。



世界領先的光子晶體光纖產品商業化的公司-----丹麥Crystal Fiber A/S（www.crystal-fibre.com）最近推出了新的光子晶體光纖產品系列。該公司在原有“非線性光子晶體光纖”（Nonlinear Photonic Crystal Fiber）、“大模場區域光子晶體光纖”(Large Mode Area Photonic Crystal Fiber)、“多模光子晶體光纖”(Multimode Photonic Crystal Fiber)三種系列產品的基礎上，推出兩類新產品；一種是中空的“空氣波導光子帶隙晶體光纖”（air-guiding Photonic Bandgap Fiber），此晶體光纖的纖芯是中空的，利用空氣作為波導，使光可以在特殊的能帶隙中傳輸。另外一種是“雙包層高數值孔徑摻鐿晶體光纖”（Double Clad High NA Yb Fiber），該光纖可以用在光纖激光器或光纖放大器中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在其上刻寫光纖光柵。此外，Crystal Fiber A/S公司在推出新產品系列的同時還對原先的一些產品做了許多改進。

　　此外，光子晶體還可用于制造各種性能優良的光通訊器件，如光子晶體激光器。在傳統的激光器中存在著一些問題。例如，激光器的發射波長的變化使傳輸損耗發生變化，這對波分復用系統是十分不利的，而且隨著激光器功率的增加，激光器的線寬趨于飽和，并開始重新展寬，這對于相干光纖通信，特別是PDM調制十分不利。激光器的輻射角雖然比LED已經大大減小，但仍然不理想，這也導致了激光器的耦合效率不高，只能達到30%-50%。而在激光器中引入一帶有缺陷的光子晶體，使缺陷態形成的波導與出射方向成一樣的角度，這樣，自發輻射的能量就幾乎可以全部用來發射激光，這就大大降低了激光器的閾值。光子晶體激光器，如圖4所示。目前，人們正在進行著無閾值激光器的研究。



利用光子晶體的帶隙特點，可以制造了出理想帶阻濾波器，獲得優良的光波濾波性能。光子晶體的濾波帶寬可以做得很大，目前能實現從低頻（幾乎為0Hz）直到紅外的寬帶濾波。這種大范圍的濾波作用利用傳統的濾波器是難以實現的。

　　OADM是光通信中的一個重要器件，而濾波器又是其中的重要元件，主要實現channel add/drop功能。圖5（a）是一種光子晶體channel drop濾波器示意圖。這種結構是通過在一塊具有二維的光子晶體平板中引入單點缺陷來實現的。頻率為fi的光可以被分離出來，轉移到其它的波導中，而其它頻率的光將不會受任何影響，從理論上來說，這種分離方法是不會給光造成任何損失的。最近人們又成功的實現了channel add的功能，如圖5（b）所示。

利用光子晶體的帶隙特點，可以制造了出理想帶阻濾波器，獲得優良的光波濾波性能。光子晶體的濾波帶寬可以做得很大，目前能實現從低頻（幾乎為0Hz）直到紅外的寬帶濾波。這種大范圍的濾波作用利用傳統的濾波器是難以實現的。

　　OADM是光通信中的一個重要器件，而濾波器又是其中的重要元件，主要實現channel add/drop功能。圖5（a）是一種光子晶體channel drop濾波器示意圖。這種結構是通過在一塊具有二維的光子晶體平板中引入單點缺陷來實現的。頻率為fi的光可以被分離出來，轉移到其它的波導中，而其它頻率的光將不會受任何影響，從理論上來說，這種分離方法是不會給光造成任何損失的。最近人們又成功的實現了channel add的功能，如圖5（b）所示。



光子晶體在光通信系統中還有其它許多應用，如光開關、光放大和光交換機等新型器件。光子晶體優良的特性，以及其在光電子領域巨大的應用潛力，必將推動光通信技術的飛速發展。目前光子晶體正處于深入研究和應用推廣階段，許多美好的設想成為現實，還有待對光子晶體進行大量的研究工作。光子晶體電路和裝置的出現看起來只是時間問題。

　　操縱光波的流動是人類多年的夢想和追求，全球高新技術領域的科學家與企業家都期待著新的帶隙材料對光波的操縱。從科學技術角度可以預言，這一目標一旦實現，將對人類產生不亞于微電子革命所帶來的深刻影響。因此，光子晶體也被科學界和產業界稱為“光半導體”或“未來的半導體”。可以預計，在五年之內，光子晶體的許多基本應用將會在市場上體現出來，在這些應用中，將會有高效光子晶體激光發射器和高亮度的發光二極管。在十年內，應該制造出第一個光子晶體“二極管”和“晶體管”。在二十年內，應該制造出第一個光子晶體邏輯電路，再接下來，光子晶體驅動的光子計算機可能會出現。由光子晶體制造的光通訊器件將會改變光通訊的現狀，光子晶體技術的發展必將對光通信技術產生重大而深遠的影響。