二十世紀五十年代開始的以半導(dǎo)體為代表的電子帶隙材料導(dǎo)致了微電子革命，其核心就在于采用這種能夠操縱電子流動的電子帶隙材料。我們所處的時代從某種意義上說是半導(dǎo)體時代，半導(dǎo)體的出現(xiàn)帶來了從日常生活到高科技革命性的影響：大規(guī)模集成電路、計算機、信息高速公等等這些甚至連小學(xué)生都耳熟能詳?shù)臇|西都是由半導(dǎo)體帶來的。幾乎所有的半導(dǎo)體器體都是圍繞如何利用和控制電子的運動，電子在其中起到?jīng)Q定作用。但集成的極限在可以看到的將來會出現(xiàn)，這是由電子的特性所決定的。而光子有著電子所沒有的優(yōu)勢：速度更快，沒有相互作用。

光子晶體是八十年代末提出的新概念和新材料。這種材料有一個顯著的特點，即它可以如入所愿地控制光子的運動，是光電集成、光子集成、光通訊、微波通訊、空間光電技術(shù)以及國防科技等現(xiàn)代高新技術(shù)的一種新概念材料，也是為相關(guān)學(xué)科發(fā)展和高新技術(shù)突破帶來新機遇的關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。由于其獨特的特性，光子晶體可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光學(xué)器件，在光通訊上也有重要的用途，如用光子晶體器件來替代傳統(tǒng)的電子器件，信息通訊的速度快得無法想象。

操縱光波的流動是人類多年的夢想和追求，全球高新技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家與企業(yè)家都期待著新的帶隙材料對光波的操縱。從科學(xué)技術(shù)的角度可以預(yù)言，這一目標一旦實現(xiàn)，將對人類產(chǎn)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(xué)界和產(chǎn)業(yè)界稱為“光半導(dǎo)體”或“未來的半導(dǎo)體”，光子晶體將引發(fā)一場二十一世紀的光子技術(shù)革命。

從二十世紀九十年代中后期起，光子晶體由于巨大的科學(xué)價值和應(yīng)用前景，受到各國政府、軍方、學(xué)術(shù)機構(gòu)以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界的高度重視。根據(jù)部分資料來看，英國去年投入1250萬英鎊開展“超快光子學(xué)合作計劃”;美國國防部高級研究計劃局(DARPA)前年投入2490萬美元設(shè)立“重組天線計劃”;歐共體信息社會技術(shù)委員會去年啟動了“基于光子晶體的光子集成線路計劃”;日本國際貿(mào)易和工業(yè)部下的新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)立項“可調(diào)光子晶體計劃”等等?！禨cience》雜志在1998年底預(yù)計未來的六大研究熱點之一就有光于晶體(其余為衰老、對付生化武器、吸熱池、哮喘治療、全球氣候走向)。

由于光子晶體的優(yōu)越特性以及可能產(chǎn)生的深刻影響，光子晶體被認為是未來的半導(dǎo)體，對光通訊、微波通訊、光電子集成以及國防科技等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。當前，一場關(guān)于光子晶體的國際競爭正在如火如荼的展開。

眾所周知，電子在周期勢場中傳播時，由于電子波會受到周期勢場的布拉格散射，會形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量落在帶隙中，傳播是禁止的。其實，不管任何波，只要受到周期性調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能出現(xiàn)帶隙。能量落在帶隙中的波是不能傳播的，電磁波或者光波也不會例外。

光子晶體是不同介電常數(shù)的材料周期排列構(gòu)成的人工微結(jié)構(gòu)，電磁波在其中傳播時由于布拉格散射，電磁波會受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光子能帶。光子能帶之間可能出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙或光子禁帶。光子晶體的基本特征是具有光子帶隙、頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播的。因為帶隙中沒有任何態(tài)存在。光子帶隙的存在帶來許多新物理和新應(yīng)用。

光子晶體具有重要的應(yīng)用背景。由于其特性，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件：

高性能反射鏡頻率落在光子帶隙中的光子或電磁波不能在光子晶體中傳播，因此選擇沒有吸收的介電材料制成的光子晶體可以反射從任何方向的入射光，反射率幾乎為100%。這與傳統(tǒng)的金屬反射鏡完全不同。傳統(tǒng)的金屬反射鏡在很大的頻率范圍內(nèi)可以反射光，但在紅外和光學(xué)波段有較大的吸收。這種光子晶體反射鏡有許多實際用途，如制作新型的平面天線。普通的平面天線由于襯底的透射等原因，射向空間的能量有很多損失;如果用光子晶體做襯底，由于電磁波不能在襯底中傳播，能量幾乎全部射向空間。這是一種性能非常高的天線，美國軍方對此表現(xiàn)出極大的興趣。以前人們一直認為一維光子晶體不能作為全方位反射鏡，因為隨著入射光偏離正入射，總有光會透射出來。但最近NDr研究人員的理論和實驗表明，選擇適當?shù)慕殡姴牧?，即使是一維光子晶體也可以作為全方位反射鏡，引起了很大的轟動。

光于晶體波導(dǎo)傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)可以支持直線傳播的光，但在拐角處會損失能量。光子晶體波導(dǎo)可以改變這種情況。光于晶體波導(dǎo)不僅對直線路徑而且對轉(zhuǎn)角都有很高的效率。

光于晶體微腔在光子晶體中引入缺陷可能在光子帶隙中出現(xiàn)缺陷態(tài)，這種缺陷態(tài)具有很大的態(tài)密度和品質(zhì)因子。這種由光子晶體制成的微腔比傳統(tǒng)微腔優(yōu)異得多。最近MDT研究人員制成了位于紅外波段的微腔，具有很高的品質(zhì)因子。這種光子晶體微腔可以用來制作激光器，體積可以非常小。

光于晶體光纖在傳統(tǒng)的光纖中，光在中心的氧化硅核傳播。通常，為了提高其折射系數(shù)采取摻雜的辦法以增加傳輸效率，但不同的摻雜物只能對一種頻率的光有效。英國Bath大學(xué)的研究人員用二維光子晶體成功研制成新型光纖：由幾百個傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細管依次綁在一起組成六角陣列，然后在2000度下燒結(jié)而形成。直徑約40微米、蜂窩結(jié)構(gòu)的亞微米空氣孔就形成了。為了導(dǎo)光，在光纖中人為引入額外空氣孔，這種額外的空氣孔就是導(dǎo)光通道。與傳統(tǒng)的光纖完全不同，在這里傳播光是在空氣孔中而非氧化硅中，可導(dǎo)波的范圍很大。

光于晶體超棱鏡常規(guī)的棱鏡對波長相近的光幾乎不能分開，但用光子晶體做成的超棱鏡的分開能力比常規(guī)的要強100到1000倍，而體積只有常規(guī)的百分之一大小。如對波長為1.0微米和0.9微米的兩束光，常規(guī)的棱鏡幾乎不能將它們分開，但采用光子晶體超棱鏡后可以將它們分開到60度。這對光通訊中的信息處理有重要的意義。

光子晶體偏振器常規(guī)的偏振器只對很小的頻率范圍或某一入射角度范圍有效，體積也比較大，不容易實現(xiàn)光學(xué)集成。最近，我們發(fā)現(xiàn)可以用二維光子晶體來制作偏振器。這種光子晶體偏振器具有傳統(tǒng)的偏振器所沒有的優(yōu)點：可以在很大的頻率范圍工作，體積很小，很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。

光子晶體還有其它許多應(yīng)用背景，如無閡值激光器、光開關(guān)、光放大、濾波器等新型器件，光子晶體帶來許多新的物理現(xiàn)象。隨著對這些新現(xiàn)象了解的深入和光子晶體制作技術(shù)的改進，光子晶體更多的用途將會被發(fā)現(xiàn)。

光于晶體在國防科技上也有非常重要的應(yīng)用前景。如光于晶體天線：用光子晶體作為平面天線的基底，天線的發(fā)射效率將有極大的改善。光于延遲線：用光子晶體制作的光子延遲線，可以將光的傳播速度減小，對于信號處理有重要意義。假目標：可以用光于晶體制作假目標，由于在光子禁帶范圍的電磁波有特別大的反射率，可以起到誘惑敵人的目的。隱身：如在紅外波段，用光子晶體材料覆蓋所要隱身之物，由于光子禁帶范圍的電磁波不能發(fā)射出來而達到隱身的目的。

光子晶體現(xiàn)在已進入器件設(shè)計和應(yīng)用時期，大量的高性能新型器件被研制出來，有的已進入實用階段。預(yù)計在不太遠的將來，更多的光子晶體器件也將進入實用階段，并將產(chǎn)生重要的產(chǎn)業(yè)價值。

目前國內(nèi)有多家研究小組在開展相關(guān)工作，如清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授，清華大學(xué)材料工程系周濟。中科院物理所光子晶體理論研究取得很多成就。