光子学与光子器件的研究进展

方云团

（江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江212013）

光学在科学中占有独特的地位,在所有的科学领域中唯有光学贯穿于整个科学发展的进程,从最早墨子的“小孔成像”到今天的“量子通信”。光学让人类对世界的认识从宏观到微观两个相反的方向无限地延伸。Fast望远镜已经观测到距地球1.6万光年的脉冲星，最新的显微镜已经能看到原子的形状。

上世纪微电子技术得到了迅猛发展，但在集成电路中的电子器件面临着处理速度极限和密度极限，这导致此项技术进入瓶颈时期，也在一定程度上阻碍了信息技术的进一步发展。因为作为信息载体来说，光子相对于电子有着更大的优越性：电子器件的响应时间一般为10-9s，而光子器件可达10-12～10-15s；而且通常情况下光子可以独立传播、并行处理信息，大大提高了光计算中信息处理的能力。光子凭借着相对于电子速度快、频带宽等优势在不久的未来，正逐渐取代电子作为新兴的信息载体登上历史舞台，发挥它深远的研究价值和应用价值。如果说，20世纪电子技术掀起了一次信息革命的巨浪，那么光子技术必将成为21世纪信息革命中一颗耀眼的新星吸引众人的目光。

光子器件独特的功能依赖于材料和结构的设计。随着材料加工技术的发展，特别是随着纳米级加工技术的发展，以前人类无法想象也无法加工的新型光学材料和光学结构随之脱颖而出，诞生了微纳光学和微纳光子技术，在此基础上新方向新领域层出不穷。本组论文涉及以下几个方面。

1 光子晶体

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，1987年，E.Yablonovitch在从事自发辐射研究的过程中提出了光子晶体的概念，他的出发点是通过改变光子态的密度从而达到通过自发辐射来控制光子晶体中物质的目的。同年，John从光子局域研究角度也提出了光子晶体这一概念。不同的是，John的想法则是利用光子晶体的光子局域化来控制光的行为。

从材料结构上看，光子晶体是人工设计和制造出来的晶体，所含的介质光学尺度呈周期性变化，其中介质的排列周期和光的波长为同一个数量级。光子在晶体中运动由于存在布拉格散射相长干涉而受到调制，光的透射谱中出现光子能带和光子带隙。在光子能带中的光可以传输，但在光子带隙部分，光子带隙禁止其在光子晶体中传输，通过这样的方式来控制光子的运动。类似于半导体在电子集成回路的作用，光子晶体充当未来光子集成回路的半导体功能。光子晶体的研究经过最初十年的发展达到顶峰，随后沉寂了几年的时间。但从本世纪初开始，随着新材料的涌现和新概念的提出，光子晶体又焕发出新的生机，呈现欣欣向荣的局面。首先是伴随“左手材料”概念的提出，光子晶体利用等效折射率的原理同样实现了左手材料负折射以及超透镜的功能。其次和新兴领域拓扑光子学相联系，磁性光子晶体的单向边界态激发了光子晶体新一轮的研究热潮。Haldane和Raghu提出在时间反演对称性破缺的六角磁性光子晶体中，存在一种可类比电子系统中量子霍尔效应的单向边界态，即电磁波在边界只能沿一个方向传播，形成光的单行道。单向边界模式受拓扑结构的保护具有独特的抗扰动能力。目前国内的南京大学、中科院、东南大学、浙江大学、上海交通大学、深圳大学等均开展这方面的研究。近些年自从Novoselov等通过实验获得单层石墨烯晶体后，石墨烯就由于其奇特的物理性质而备受关注。在它的能带结构中，布里渊区的K和K'点由两个具有线性色散关系的锥形能带构成，锥形能带的中心交点被称为狄拉克点。光子晶体微结构与电子晶体微结构相似，在类石墨烯光子晶体能带结构中，也存在类似的狄拉克点，由此又掀起利用光子晶体实现狄拉克点的研究。

总之，光子晶体是一种开放的结构体系，任何新理论和新材料的出现，都会引起新一轮的研究热潮。

2 超材料

超材料最开始被称为左手材料或负折射材料，这是由苏联理论物理学家Veselago在1968年最先提出的。他最初在麦克斯韦方程组的基础上，研究了电磁波在拥有负磁导率和负介电常数材料中传播的情况，对电磁波在其中传输时显现出的电磁特性进行分析可以得到：电磁波在其中传播时，相速和群速的方向相反，E、H、K三矢量之间表现出左手螺旋关系，与电磁波在传统材料中传播的情况完全不同，他将该种材料定义为LHM。科学家当时在自然界中并不能观察到这种材料，所以当时Veselago所做的工作并没有运用到实际中，仅仅是理论假说。

在这之后，由于研究手段的不断发展，科学家取得了许多突破性的成果。英国帝国理工大学的John Pendry教授于1999年提出一种新的具有磁响应的周期结构，即开口谐振环（Split Ring Resonator,SRR）结构，该结构主要是通过使用双开口的薄铜环内外相套形成。在之后的2001年，美国加州大学的Shelby等在美国《科学》杂志上发表了关于验证左手材料存在的实验性文章。文章中提出了一种新的设计方法，将铜线与开口铜环这两种微结构单元连接成一个整体，扩展创新了结构尺寸上的设计，并且保证了介电常数和磁导率出现负值的频段相同，这是介电常数和磁导率同时表现出负值的现象第一次呈现在人们眼前。这种复合材料可以被人工合成之后，在微波、电路、光学、材料学等领域可以被极大地拓展，以及其具有的新颖电磁响应特性，使其一跃跻身成为国际物理学界和电磁学界研究的热门领域。

3 金属表面等离激元

表面等离激元是由光与金属表面电子相互作用引起的电磁波模式，它可以突破衍射限制，把电磁波约束在亚波长尺寸范围，在天线、耦合器件、高速集成回路的互连线、探测器件的集成等方面都有重要应用。在该领域国内也聚集了一批著名专家，像复旦大学的资剑教授和周磊教授、北京大学的龚旗煌教授、同济大学的陈鸿教授、浙江大学的何赛灵教授、中国科学技术大学明海教授、武汉大学的汪国平教授、中科院李志远研究员等都在此领域做出了杰出的工作。

本人自2000年研究生毕业，十几年来一直沉浸于微纳光学的研究，从最初的光学非线性孤子现象到光子晶体，从超材料到拓扑光子学，再到基于PT对称概念光学结构的研究。一路走来，既尝到成功的喜悦，也经历过无数次失败的痛苦。但正是这种成功和失败的交织，让我的生活丰富多彩。这次应安庆师范大学学报编辑部的邀请，为学报组织“光子学与光子器件”专栏。其实我是诚惶诚恐，深感才疏学浅，难担重任。但转而思之，这不也是一个难得的推广自己的学术，和为家乡教育发展贡献自己力量的机会吗，因此以自己在学术界的影响，组织了一批微纳光学的研究稿件。本期这几篇稿件主要涉及PT对称结构同相和反相放大调制器、光子晶体中TE波非互易性传播特性、光子晶体带隙特性分析等课题，应该体现了目前微纳光学领域较前沿的研究成果，供读者鉴赏和指正。