光子晶體是什么，我們先簡單介紹一下晶體。

晶體是由大量微觀物質單元（原子、離子、分子等）按一定規則有序排列的周期性結構。晶體在日常生活中經常遇到，如食鹽就是氯化鈉晶體，雪花也是晶體，而且具有多種不同的形狀。

半導體也是晶體。我們熟知的高性能芯片就是大規模、超大規模的半導體集成電路。半導體能夠具有重要的應用價值，是因為半導體這種晶體具有電子的禁帶、導帶。科學家利用電子的能帶結構對電子進行**的控制。但由于電子是帶電的，相鄰電子之間有相互作用，這給控制電子帶來了困難。尤其是當結構的尺寸非常小時，**地控制電子變得極為困難。這使得進一步提高芯片的性能也變得極為困難。即存在量子**的限制。

如何進一步提高芯片的性能呢？這時，人們想到了光子。光子不帶電，光子之間沒有相互作用。控制光子比控制電子更簡單。因此，通過控制光子，可以更容易突破量子**，從而進一步提高芯片的性能。如何才能**地控制光子呢？人們發現，如果傳導光的材料具有晶體一樣的結構，那么，這種材料也會具有光子的禁帶、導帶。這不就是傳導光的晶體嗎！光子晶體就這樣產生了。人們還發現，可以把在半導體中很多控制電子的現成的方法和技術用到對光子的控制上來。

半導體是帶電離子的周期性晶體結構，電子的行為受到周期性的約束和影響。而材料對光傳播特性的影響只能通過折射率（介電常數）來實現。因此，光子晶體一定是折射率（介電常數）在空間的周期性排列，以使光子受到周期性的約束和影響。折射率的周期分布可以是一維、二維或三維的，它們分別對應于一維、二維和三維光子晶體。

光子晶體具有光子能帶結構。有的能帶禁止某些頻率的光在其中傳播，這些頻率（顏色）的光不能在這個帶中存在，這就是光子禁帶。有的能帶允許某些頻率的光在其中傳播，對于這些頻率的光這個能帶就是光子的導帶。

當光子晶體被白光照射射時，其能帶對某些頻率的光是導帶，這些頻率的光可以進入材料并在其中傳播。而對其他某些頻率的光來說，這個能帶是禁帶，這些頻率的光不能進入材料而被完全反射出來。因此，材料就會呈現出不同的色彩。自然界中很多東西有鮮艷的彩色，這其實就與光子晶體有密切關系。如：南美洲有些蝴蝶的翅膀呈現出美麗的色彩，有的蜥蜴類動物也有非常漂亮的顏色，產于澳洲的蛋白石也具有鮮艷的色彩，等等。

既然光子晶體的**特點是光子的能帶結構，人們自然希望光從各個方向照射時都存在禁帶，而不是只在一個方向照射才有禁帶，這就是全空間禁帶。人們還希望禁帶能夠寬一些。人們發現，半導體研究中的很多技術可以用到光子晶體中來。純凈的半導體不好用，按照理論設計摻入雜質（摻雜），半導體的性能明顯提高。于是，人們就把摻雜技術引入到光子晶體的研究中來，從而大大改善了光子晶體的特性。科學家們在光子晶體研究中，還把一定程度上破壞微觀對稱性，增加某些宏觀的旋轉對稱性這些半導體研究中的方法移植過來，都獲得了非常好的效果。

可以有多種方法制作光子晶體，如物理學中的分子束外延，光刻，離子束刻蝕，晶體生長，光學全息，化學中的自組裝等技術。

光子晶體已經在越來越多的領域內得到了應用。光子晶體已經被廣泛用于生物成像、光譜學、人臉識別、激光雷達、虛擬現實等眾多領域。而到目前為止，光子晶體最成功的應用莫過于光子晶體光纖。通過特殊的設計，用光子晶體材料做成光纖，這個光纖的中心對于通訊頻率的光具有導帶，光可以在芯中自由傳播。而芯的周圍對于通訊頻率的光卻是禁帶，不允許這個頻率的光存在。因此，光在光纖的芯中傳播時沒有任何損耗，且不會跑到芯的外部。這使得光纖的性能大幅度提高。光子晶體光纖還具有其他突出的優良性能，因涉及較多的**知識，這里不詳細論述了。最近比較熱門的有關隱身衣的研究也要用到光子晶體材料。

在固態物理中，與光子相對應的是頻率更低的聲子。由此，科學家們把光子晶體引申到聲子晶體。而聲子的頻率更低，波長更長，聲子晶體也更容易制作。因此，聲子晶體的研究與應用也得到了快速的發展，成為繼光子晶體后的一個重要發展方向。

正如前面所述，由于光子之間沒有相互作用，對光子可以實現比電子更**的控制，因此更容易突破量子限制，從而使基于光子晶體的芯片性能能夠比現在的半導體芯片有較大的提高。這將為未來的光計算、光學邏輯，光開關，光信息技術領域的發展提供了新的技術基礎。

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zzj 2021.3.31