光子晶体
缺陷真的是不完美吗？——光子晶体的理论计算、制作工艺以及器件应用（综述报告）Do defects really mean imperfection?On theory, fabrication and applications of photonic crystals（Review）胡小龙034698无研01摘要光子晶体材料的介电系数在空间中呈周期分布，这种材料存在光子带隙，引入缺陷对光有局域效应，为更好地控制光和利用光提供了新的方法。
本文综述了近几年来光子晶体理论和实验方面研究进展，包括：理论计算方法、制作工艺以及器件应用。
AbstractThe dielectric coefficient of photonic crystals is periodic in space. Photonic bandgap exits and light can be localized in the defect. The emergence of this new material provides new methods and possibilities for the control and manipulation of light. A brief overview of the progress in both theoretical and experimental research in recent years is presented, including: theoretical computation methods, fabrication and applications.§1 引言在刚刚过去的50年里，半导体物理以及相关技术迅猛发展，影响并推动了整个社会现代化的进程。
人们通过控制材料导电特性、改变电子能带实现了各种各样功能卓越的电子器件。
如果能找到合适的材料来改变（tailor）光子能带，那么是不是同样对光进行控制呢？光子晶体的概念是1987年由S.John[1]和E.Yablonovitch[2]等人分别提出来的。
近年来成为科学研究的热点之一，并在理论和实验两方面取得了很大进展。
人们之所以对光子晶体有浓厚的兴趣，因为这种材料具有光子带隙（Photonic Bandgap），而且，如果引入缺陷，就可以在带隙内产生缺陷模，对光进行局域。
光子晶体的这两点特性使得它可以有效地对光进行控制，因此光子晶体被认为是可以控制和操纵(Control and Manipulation)光的材料[3]。
John Maddox这样写道[4]：“只要能制作出使特定频率的电磁波不能通过的介电材料，各种各样近乎幻想的事都会成为可能。
”按照带隙限制的维数，光子晶体可以分为1维、2维以及3维光子晶体（图1）。
禁带中心波长在微波或者远红外的光子晶体相对而言，比较容易实现，早期制作出来的光子晶体禁带波长多落于此波段。
然而，可见光波段的光子晶体，尤其是三维光子晶体，比较难于实现。
主要原因是这么小的晶格常数在工艺上难于实现。
世界上第一个完整的三维带隙限制是由Yablonovitch和Gmitter实现的，这种光子晶体在一块介质上打孔而得到，带隙的中心频率大约在1GHz。
后来有许多小组用不同的方法实现了三维光子晶体。
图1 光子晶体空间结构示意图These picture are kindly borrowed from:/在固体物理的研究中发现，晶体的周期结构所产生的周期性势场对电子有特殊的约束作用。
在这样的空间周期结构中电子运动由如下薛定谔方程描述：222[(())](,)m E V r r t ψ∇+−=G 0K = (1) 其中，是电子的势能函数，它具有空间周期性。
在求解方程（1）时可以发现，电子能量E 只能取某些特殊值。
在某些能量区间，该方程是无解的，也就是说电子的能量不可能落在这样的能量区间，这个能量区间称之为能量禁带。
研究发现，在这种周期性结构中电子的德布罗意波长与晶格常数具有大致相同的数量级。
而在介电材料中，根据经典电磁场理论，电场满足方程：()V r G 21()()()H r H r c r ωε⎛⎞⎛⎞∇×∇×=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠JJ G G JJ G G G (2)方程（1）和方程（2）具有一定的相似性。
当()()r r d εε=+G G J G 时，即介电常数周期性变化，并且变化的空间周期与光波波长相似时，计算表明，对于特定的频率ω方程（2）无解，也就是说存在光子带隙（PBG ）。
在光子带隙中，没有光波模式，因此频率在带内的自发辐射就被抑制[2,5]。
研究表明，光子晶体材料可以提高半导体激光器的效率[2,6]，制成具有波长选择特性的反射镜、带阻滤波器以及谐振腔。
另外，十分有趣的是，在光子禁带中不存在零点能，尽管零点能即使在真空中也是存在的[7~12]。
这使得人们发现许多不同寻常的物理现象，比如：原子或者分子放在光子晶体材料中，可以被长时间锁定在激发态。
本文将对光子晶体近几年来的研究成果与进展进行回顾与综述，包括： 1．光子晶体的理论计算方法在第二节首先对现有的常用计算方法进行综述，然后比较详细地介绍布洛赫波展开的方法，因为这种方法物理概念比较明晰，指出光子晶体中的本征模式是布洛赫波。
2．三维光子晶体的制作工艺光子晶体尤其是三维光子晶体的制作相当复杂。
这方面的研究很多，第三节对十几年来人们在工艺方面的努力以及成果进行回顾与总结，对比较新的以及就有代表性的工作做了较为详细的介绍。
3．二维光子晶体在器件上的应用三维光子晶体的研究主要处于对工艺的探索阶段，然而目前利用二维光子晶体已经可以实现许多集成光电子中的功能器件，将在第四节中介绍。
4．光子晶体光纤作为一种新型的光纤以及二维光子晶体的例子，光子晶体光纤比之普通光纤有许多新的特性，有着广阔的应用前景，这将在第五节介绍。
5．光子晶体中的非线性在前面的几节无论是理论还是应用，大都是在线性光学的范畴讨论。
在第六节集中讨论与光子晶体相关的非线性光学的一些问题以及研究进展。
§2 光子晶体的理论计算方法计算方法综述早期对于光子晶体的理论研究多用标量近似，即认为电磁波的两个偏振态相互独立，然后解两个独立的波动方程。
这种方法的计算结果尽管表明带隙存在，但是带隙的大小和带隙的位置都与实验结果相去甚远[13~14]。
这表明，在计算能带的过程中，电磁场的矢量性是非常重要的，往往不能忽略。
在标量近似方法的结果发表不久，有几个小组分别独立地用矢量方法求解麦克斯韦方程组[15~17]，他们大都是将电磁波做平面波展开，用布洛赫定理将问题转化为一组线性方程组进行求解。
这种平面波展开的方法主要用于计算无限周期的光子能带色散，可是实验中都是用有限周期结构，即使计算获得了能带色散，要获得透射系数也是相当麻烦。
还有，有时我们要计算电磁波的衰减系数以及缺陷模的特性，尽管人们提出基于平面波展开的supercell的方法[18~19]，但是计算相当复杂，需要消耗大量的时间。
Pentry和Mackinnon采用一种转移矩阵（TMM）方法来研究光子晶体的能带结构。
将整块材料划分成若干小格，每个小格中的场只与相邻格中的场相关联。
定义转移矩阵将相邻小格中的场相关联，并且定义转移矩阵表征这种关联。
TMM方法不仅可以计算无限大周期结构的能带，而且这种方法的主要优点在于可以计算有限厚度的PBG材料的透射系数和反射系数。
需要强调的是，转移矩阵的方法在平面波展开的方法失效的情况下也能应用。
比如，当介质介电常数是频率的函数或者存在虚部的时候，也就是有色散或者损耗的时候，平面波展开的方法就不再适用，而转移矩阵的方法依然有效。
TMM方法最初用于研究2D光子晶体的缺陷，其中的介电常数就是复数且与频率有关，后来还用于研究3D layer-by-layer 的结构，2D和3D金属光子晶体，这些理论计算和预言都和实验吻合得比较好。
另一种比较常用的光子晶体的理论计算方法是时域有限差分方法[3]，其基本思想是：定义初始时间的一组场分布，然后根据周期性边界条件，利用麦克斯韦方程组可以求得场强随时间的变化，随着时间的演化最终得到光子晶体的色散关系，也能计算金属结构的光子晶体的色散关系。
利用最佳匹配边层(Perfectly Matched Layer),可以处理光子晶体的局域态、本征模以及表面态等一系列问题。
此外，还有多波散射法、格林函数法等方法。
光子晶体中的本征模式光子晶体是具有空间周期结构的媒质，电磁波在其中传播的本征模式是布洛赫波(Bloch Wave)。
目前处理这类在周期结构中电磁波的传播问题的理论基础依然是宏观电磁场理论(Macroscopic Electromagnetism Theory)。
下面，首先从Maxwell Equation出发考察电磁波在混合介电媒质中的传播，将问题转化为一个哈密顿算符(Hamiltonian)的本征值问题(Eigen Value Problem, EVP)。
根据布洛赫定理，给出光子晶体中的本征模式布洛赫波。
以下给出该理论处理方法的大体的脉络，更为具体的讨论参见[6]。
Maxwell Equation在cgs单位制下写作：0B ∇⋅=J G (3)10B E c t∂∇×+=∂J G J G (4) 4D πρ∇⋅=JG (5)14D H c t cJ π∂∇×−=∂JG J G JJ G (6) 其中 和分别是电场强度和磁场强度，E J G H JJ G B J G 为磁感应强度，D 电位移矢量，c 为真空中的光速，JG ρ和分别为电荷密度以及电流密度。
考虑无源介质，J J G ρ=0且=0，并在如下的假设下：(1)线性媒质(Linear);(2)各向同性(Isotropic);(3)非色散(No dispersive);(4)无损(Low-Loss);(5)时谐场(Harmonic Mode)，磁场强度满足方程：J J G H JJ G 21()()()H r H r c r ωε⎛⎞⎛⎞∇×∇×=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠JJ G G JJ G G G (7) 引入算符： Θ1()()()H r H r r ε⎛⎞Θ≡∇×∇×⎜⎝⎠JJ G G JJ G G G ⎟ (8) (7)式可以简记为：2()()H r H r c ω⎛⎞Θ=⎜⎟⎝⎠JJ G G JJ G G (9) 电场与磁场的关系为：()(()()ic E r H r r ωε−=∇×J G G JJ G G G (10) 这样，电磁波在媒质中的传播问题归结为如(9)所示的本征值问题：本征函数是磁场强度，相应的本征值是2c ω⎛⎞⎜⎟⎝⎠。
光子晶体及其在激光电磁学中的应用
光子晶体及其在激光电磁学中的应用光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其晶格常数比可见光波长要小得多，所以具有对光的完美控制特性，其光学性质优于普通的材料。
因此，光子晶体在激光电磁学中有着广泛的应用。
一、光子晶体的构造及其特性光子晶体是一种由周期性结构单元构成的材料，其周期性结构单元必须满足材料中的光子能够在其中传播的条件，也就是说，其周期应该与波长相当。
光子晶体可以用于在某些特定波段和极化状态下完美地反射和透射光线，其光学特性与普通材料不同。
光子晶体的物理特性随着结构和材料的变化而发生变化。
通过调整其内部的构造和成分，可以实现对光场的高度定制，可以控制光的传播方向、速度、损耗等性质。
光子晶体还具有非线性光学性质，可以产生与普通材料不同的非线性光学效应。
二、光子晶体在激光电磁学中的应用光子晶体是一种典型的光学材料，其在激光电磁学中有着很多的应用。
1. 光子晶体光纤光子晶体光纤是一种由光子晶体材料制成的光纤，受到物理尺寸和波长限制的传统光纤无法彻底解决多模干扰问题，导致光纤通信中的数据传输质量下降。
与传统光纤相比，光子晶体光纤的中心井宽和周期性结构单元的数量可以调整，改变传播模式，可实现单模传输，光传输带宽更大，并且混合模式可以避免在传输中的失真。
因此，光子晶体光纤可以用于长距离通讯、高速通讯、卫星通讯等领域。
2. 光子晶体激光器光子晶体激光器是一种基于光子晶体材料制成的激光器，可以用于光通信、光信息存储等领域。
光子晶体激光器利用光子晶体中的光子能带结构，实现了高效的光增强效应，它的光学特性比传统的激光器具有更好的稳定性和更高的高功率输出。
光子晶体激光器也可以实现波长调制，可以在大范围内实现波长调整，具有优良的单模性、高精度和低成本等优点。
这种波长可调激光器可以用于激光雷达、气体探测、医学诊断等领域。
3. 光子晶体光学振荡器光子晶体光学振荡器是一种基于光子晶体材料制成的光学器件，有着极高的透过率和较低的损耗率。
光子晶体
光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
(2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
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。
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。
' r
2
c
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
三、光子晶体的应用 --光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤
2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E ）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；
2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数相当于
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的应用－光子晶体光纤 四、光子晶体的发展前景
一、光子晶体简介
光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。 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。
优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。
光子晶体颜色变化的原理
光子晶体颜色变化的原理
光子晶体的颜色变化原理基于光的干涉与衍射现象。
光子晶体是一种由有序排列的微米尺度周期性结构组成的材料，其结构和物理性质具有光学禁带结构。
当入射光与光子晶体的周期结构相互作用时，会发生两种重要的现象：干涉和衍射。
干涉是指光的波峰与波谷相互叠加形成明暗条纹的现象。
光子晶体的周期性结构可以形成光的干涉效应，使得入射光以不同的角度和波长被反射、透射或吸收。
当光子晶体的周期与入射光的波长或角度匹配时，就会发生干涉现象。
干涉现象会使得特定波长的光被反射、透射或吸收，其他波长的光被晶体表面散射。
衍射是光波在穿过狭缝或障碍物后绕过其边缘产生扩散现象。
光子晶体的周期性结构会限制光波的传播方向和传播范围，使得不同波长的光在光子晶体中发生衍射，进而产生不同的波长分量，从而表现出不同的颜色。
由于光子晶体的周期性结构具有宽禁带结构，可以选择性地反射、透射或吸收特定波长的光，因此光子晶体在不同入射角度和观察方向下对光的反射、透射和散射的颜色也会发生变化。
这就是光子晶体颜色变化的原理。
光子晶体
光子晶体光子晶体（Photonic Crystal）指能对光作出反应的特殊晶格。
光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。
光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。
原理光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。
这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。
我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。
特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
应用光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。
使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。
2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。
这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。
光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。
英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。
光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体技术
光子晶体技术光子晶体是一种具有周期性介电常数或介电导率分布的材料结构。
由于其特殊的光学性质，光子晶体技术已经成为光学、光电子学和纳米科技领域的研究热点。
本文将探讨光子晶体技术的原理、应用以及未来发展方向。
一、光子晶体技术的原理光子晶体技术的实现是通过制备周期性的结构，使得材料对特定波长的光具有反射、传播、干涉等特殊性质。
光子晶体的周期性结构通常是由两种或多种材料交替排列组成，其中每种材料的折射率或导电性质不同。
二、光子晶体技术的应用光子晶体技术在光学和光电子领域有着广泛的应用。
一方面，光子晶体技术可用于设计和制备各种光学器件，例如光波导、光滤波器、光传感器等。
另一方面，光子晶体技术也可应用于光子集成电路、光子计算和光子通信等领域。
1. 光子晶体传感器光子晶体传感器利用光子晶体对特定波长光的敏感性，可以实现高灵敏度和高选择性的传感器。
通过调控光子晶体的结构参数，可以实现对特定物质的浓度、温度、压力等参数的检测。
2. 光子晶体光波导光子晶体光波导是一种基于光子晶体的光传输手段，其具有低损耗、高传输效率的特点。
通过调节光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行引导和控制，从而实现光信号的调制和耦合。
3. 光子晶体滤波器光子晶体滤波器是一种具有特定波长选择性的光学器件。
通过调整光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行滤波，从而实现光的频率选择和光谱分析。
三、光子晶体技术的发展趋势光子晶体技术凭借其独特的光学性质和广泛的应用前景，受到了越来越多的研究关注。
未来，光子晶体技术有望在下述方面有进一步的发展和应用。
1. 多功能光子晶体材料的设计与合成当前的光子晶体材料多局限于某一特定波长范围内应用。
未来，研究人员将致力于开发具有更宽波长范围响应的多功能光子晶体材料，并探索更灵活的调节机制，以满足不同应用场景的需求。
2. 新型光子晶体器件的研发与应用随着光子晶体技术的发展，越来越多的新型光子晶体器件被提出和实现。
光子晶体
光子晶体绪论光子晶体是一种在微米亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，按照其折射率变化的周期性，可以分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出[1]。
1991年，由E. Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子晶体后，随着各种工艺的发展，多种多样的晶体结构陆续的被制备出来，许多理论预测得到了验证。
光子晶体的原理光子晶体的原理是从类比晶体开始的。
晶体中原子的周期性的排列使晶体中产生了周期性的势场，当电子在这种周期性势场中运动时会受到布拉格散射，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带隙中，就无法继续传播。
不论电磁波还是其它波(如光波)，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都可能出现带隙，而能量落在带隙中的波一样也不能传播。
光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率(如人工造成的气泡)的材料，高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动[2~5]。
自然界中存在一些有着光子晶体结构的物质，例如用来装饰的蛋白石( Opal)，还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉，它们在不同的角度反射不同波长的光。
通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的[6~7]。
参见图1~5。
但是，这些都是粗糙的光子晶体，因为它们没有形成完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系。
一般说来，两种材料的折射率差值越大，就越有可能形成光子禁带，当两种材料的折射率差大于2的情况，可以形成完全禁带。
在自然界尚未曾发现此类的晶体。
因实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备。
常见的光子晶体的制备方法有自然生长法，机械制备法，光刻法，光学方法，化学刻蚀方法，薄膜生长法，胶体自组织密堆积方法，反蛋白石光子晶体合成方法等[8~13]。
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
光子晶体设计
光子晶体设计光子晶体是一种具有周期性光学性质的材料, 通过改变其周期性结构以控制光的传播和特性, 广泛应用于光学器件、传感器、光学通信等领域。
在光子晶体的设计过程中，选择合适的材料和优化结构是关键的步骤。
本文将介绍光子晶体设计的基本原理、常用方法和一些应用案例。
一、光子晶体设计原理光子晶体的设计原理基于布拉格衍射和能带理论。
通过在材料中引入周期性的折射率变化，产生布拉格衍射，使特定波长的光在晶体中发生反射和传播。
这种周期性结构的形成会引起光子禁带的产生，即某一范围内的光无法在晶体中传播。
二、光子晶体设计方法1. 自下而上设计方法自下而上的设计方法是通过改变结构参数和材料属性来实现对光子晶体光学性质的调控。
其中一种常用的方法是利用微纳加工技术，如电子束曝光、光刻技术等，在二维或三维材料中制造特定的结构，从而实现光子晶体的设计。
2. 自上而下设计方法自上而下的设计方法是基于计算机模拟和优化算法。
通过选择材料的折射率和结构的周期，采用计算工具如有限元方法、傅里叶光学等进行模拟计算，最终得到满足特定光学性质需求的光子晶体结构。
三、光子晶体应用案例1. 光子晶体波导光子晶体波导是一种在光子晶体中实现光的传播的结构。
由于光子晶体波导的禁带导致传播模式的束缚，使其具有较大的带宽和高的传输效率。
光子晶体波导在微波通信、光通信和集成光学领域有着重要的应用。
2. 光子晶体传感器光子晶体结构对光的敏感性使其成为理想的传感器平台。
通过对光子晶体纳米孔洞或微球的设计，可以实现对不同物质的检测和监测。
光子晶体传感器在生物医学、环境监测和食品安全等方面有广泛的应用。
3. 光子晶体滤波器光子晶体滤波器是利用光子晶体的光学特性实现对特定波长光的选择性传输。
通过调整光子晶体的结构参数和材料折射率，可以实现对光的波长选择性滤波。
光子晶体滤波器在光通信、光谱分析和光学传感等领域中起到重要的作用。
结论光子晶体设计作为一种关键的光学器件设计方法，具有广泛的应用前景。
光子晶体是指具有
光子晶体光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的，这种结构有时也称为PBG光子晶体结构，这种新型人工材料即为光子晶体材料。
光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John 和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。
在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。
电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。
与半导体类似，光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构，从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。
同样，光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlic Band Gap)。
频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。
其实不管任何波，只要受到周期性的调制．都有能带结构，也都有可能出现带隙。
能量落在带隙中的波是不能传播的，电磁波或者光波也不例外．如果只在一个方向上具有周期结构，光子带隙就只可能出现在这个方向上，如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。
我们将具有光子禁带的周期性介质结构称为光子晶体面(Phoooc crystal)，或叫做光子带隙材料(Photonic Bandgap Materials)。
由于电磁场的矢量特性，使得光子晶体的理论模拟变的较为困难。
不过，经过许多理论物理学家的努力，目前几种理论上的模拟和实验结果已经取得较好的一致性。
这些理论方法比电子能带理论计算方法更为完善，因为光子之间不存在库仑相互作用，是真正的单粒子问题，而在电子系统中库仑作用不可忽略，固体物理只能采取一定的近似条件来计算。
光子晶体的性质与应用
光子晶体的性质与应用光子晶体是一类具有周期性结构的光学材料，通常由两种或多种材料组成，这些材料呈现出了周期性的光学参数。
光子晶体的周期性结构，使得它具有一些特殊的性质与应用。
一、光子晶体的性质1.1 光子带隙光子晶体具有光子带隙，光子带隙是光子能量不允许通过的区域，类似于晶体中的禁带。
具有这个性质，所以光子晶体对特定波长的光线呈现反射或吸收现象，也因此具有良好的光学过滤和反射效果。
1.2 负折射率光子晶体不同于一般材料，它可以具有负的折射率。
这种特殊性质也被称为“光学超介质”，提供了制造一些控制光波行为的新途径。
在模拟全息成像、隐形光学、纳米光学器件等多个领域都有具体应用。
1.3 自显影光子晶体具有自显影的特性，即在光照射下，光子晶体能够通过光聚合发生构型变化。
这个特性可以用于制造微观光学器件、光子晶体电路、以及光学计算。
二、光子晶体的应用2.1 光子晶体光伏材料光子晶体通过调整材料的性质和结构，可以做成高效光伏材料，光子晶体太阳能电池在提高转换效率的同时，还能降低重量、厚度、成本等因素。
2.2 光子晶体传感器光子晶体还可以通过外部的物理、化学、生物因素等引起材料结构的改变，使光学特性发生改变，因而光子晶体成为非常有用的传感器材料。
例如，光子晶体传感器可以用于检测空气中的气体浓度、湿度、温度等，并且具有快速的反应速度和高灵敏度。
2.3 光子晶体光学器件光子晶体还可以作为光学器件的制造和控制材料。
它被广泛应用于制造滤波器、反射镜、透镜、波导等光学元件。
光子晶体的微小结构和周期性使得可以制造具有可控波长的微分光学元件，具有定制化和精密化的优势。
2.4 光子晶体纳米粒子光子晶体纳米粒子的结构变化对于它们的光学性质也有很大的影响。
例如，光子晶体纳米粒子可以通过改变内部的结构，来切换不同的发光波长，其在生物成像和检测、量子信息等领域都有广泛的应用前景。
在实际应用中，光子晶体材料的制备技术得到了快速发展。
也有很多的研究机构和公司开始将光子晶体技术过程转化为生产中的应用。