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光子晶体的应用
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光子晶体的应用
由于光子带隙的存在，产生了许多特殊的物理性质，如光子局域，光的超棱镜效应和负折射效应等，这些特性使得抑制自发辐射，直角光波导、镜像折射等其它材料难以具备的功能都可能在光子晶体中实现。
光子晶体中光子带隙的存在能够抑止和增加自发辐射。把一个原子放在光子晶体中，并使它自发辐射的频率正好落在光子带隙中，该频率的态密度为零，自发辐射的几率也就为零。在该光子晶体中设计一个点缺陷，缺陷处所对应的角频率处会出现高的态密度，当自发辐射的频率和这个角频率相吻合时，自发辐射会显著增加。这种性质使光子晶体的应用范围相当广，在高效率微波天线、单模发光二极管、低阈值激光器、光子晶体光纤等方面都有应用，而最终目的是实现集成光路代替集成电路。
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光子晶体反射器件
在光子晶体中，不允许光子频率禁带范围内的光子存在，所以当此范围内的一束光入射到光子晶体上时，就会被全反射。利用这特点可以制造出高效率的反射镜，如一维光子晶体全方位反射镜。实际应用中，可以用光子晶体作小型平面微波天线的基底材料，制成高发射率的小型微波天线。
微波波段光子晶体可以用来作小型平面微波天线的基底材料。对于频率位于光子带隙范围里的光波，光子晶体就像一个理想的全反射镜，使原来进入基底而损失的能量全部反射到空间，大大提高了天线的发射效率，并解决了因为转化为热引起的基底材料寿命短的问题。
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高效发光二极管
发光二极管在光通信系统中起着关键性作用。半导体二极管发光中心的内部量子效率达到90 %，但发出的光经过包围介质层层反射，只有3 %～30 %的光耦合出去，发光效率很低。如果在发光二极管的发光中心放一块光子晶体，使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率重合，并在光子晶体中引入一缺陷态，自发辐射将不能沿其它方向传播，只能沿特定的通道传播，这将大大减少能量损失，发光效率可以达90 %以上，且能通过控制缺陷态而成为单模发光二极管。
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低阈值激光器
由于自发辐射的存在，激光出射的方向总会和自发辐射的方向成一定的角度，这样只有在激光器达到一定的阈值时才能产生激光。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，自发辐射的能量几乎全部用来发射激光，这大大减低了激光器的阈值。光子晶体激光器阈值减小到50μA，已着手无阈值激光器的研究。
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典型的光子晶体激光器如图28所示。它把一个中心带有缺陷的二维光子晶体放在镜面上，使光线只能沿缺陷态从上面传出。
图28 光子晶体激光器示意图
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光子晶体在光纤中的应用
在光子晶体中引入一个线缺陷，由于光子带隙的存在，光线将只能允许从线缺陷中传播，形成波导。由于以前的光纤都是利用的全反射机理，这必然使光线在传播过程中有所损失。而当用带有线缺陷的光子晶体作为光纤，就能够极大的减少能量的损失。利用二氧化硅堆积成一个蜂窝状网络结构的空气洞，在正中心有一较大空气洞(缺陷态) (如图29)。这样就形成了一个二维的光子晶体光纤，这种光纤可以减少由于吸收而引起的能量损失，唯一损失来自由光线注入光纤时的能耗。此后又出现了一些新的光子晶体光纤结构，逐渐使光子晶体光纤走向实用。
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图29 光子晶体光纤的SEM图
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聚合物微球自组装得到的胶体晶体是一种拥有不完全带隙的光子晶体。把胶体晶体作为模板也可以得到不同材料的光子完全带隙结构。
模板法可制得二氧化钛光子晶体。二次模板法可以控制样品形态，并利于调节光子带隙宽度。在胶体晶体的生长过程中加压使球形粒子变为椭球形，得到结构上各向异性的胶体晶体，并验证了关于结构上的各向异性能增大胶体晶体的带隙的假设。
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类蛋白石结构法可称为胶体晶体法。光学和红外波段的光子晶体的制备以其广泛而迫切的应用成为目前研究的焦点。在现有的制备方法中，胶体晶体法被公认为制备三维光学波段完全带隙光子晶体的最有前途的方法。
这种方法利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性，成功生长出可见、近红外波段的三维光子晶体。SiO2等球体有易于制备、单分散和粒径大小可控的特点，成为目前胶体晶体法中应用最广泛的制备光子晶体的材料。
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沉积的晶型可以通过不同的工艺条件生长fcc、bcc、hcp 等晶型。在自组装的基础上，衍生出了准平衡蒸发法、毛细作用力组装法、胶体外延法、电泳沉积法、电(磁) 流变技术等胶体晶体制备方法。
为了获得足够高的折射率对比，将胶体晶体作为模板，在间隙填充其它的高折射率介电材料，然后将球体除去即可以得到反面心立方结构。
然而这种方法也存在很多的不足，例如缺陷态的引入存在困难，目前难以获得大尺寸的完美单晶，这些都有待于改进。
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图27 正四方形螺旋结构示意图
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用掠射角沉积法获得一个二氧化硅的正四方形螺旋结构（图27），在这种结构中不存在相互重叠的晶胞单元，其二氧化硅填充率为30 %。这种结构具有完全的光子带隙，而且它的带隙宽度达到带隙中心频率的15 % ，远大于反蛋白石结构中的5 %。
把这种螺旋结构浸泡到二氧化硅的前体溶液中，利用溶胶凝胶法将二氧化硅的填充率增加到79 % ，并且使方形臂相互重叠，再把它作为模板利用CVD 法填充硅，去除二氧化硅后就得到反式结构。这种反式结构的带隙宽度达到23.7 %，（图27(b) 中小图与结构相应的态密度图），这为光子晶体制备提供了一种新方法。

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