光子學與光子器件的研究進展

方云團

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮江212013）

光學在科學中占有獨特的地位,在所有的科學領域中唯有光學貫穿于整個科學發展的進程,從最早墨子的“小孔成像”到今天的“量子通信”。光學讓人類對世界的認識從宏觀到微觀兩個相反的方向無限地延伸。Fast望遠鏡已經觀測到距地球1.6萬光年的脈沖星，最新的顯微鏡已經能看到原子的形狀。

上世紀微電子技術得到了迅猛發展，但在集成電路中的電子器件面臨著處理速度極限和密度極限，這導致此項技術進入瓶頸時期，也在一定程度上阻礙了信息技術的進一步發展。因為作為信息載體來說，光子相對于電子有著更大的優越性：電子器件的響應時間一般為10-9s，而光子器件可達10-12～10-15s；而且通常情況下光子可以獨立傳播、并行處理信息，大大提高了光計算中信息處理的能力。光子憑借著相對于電子速度快、頻帶寬等優勢在不久的未來，正逐漸取代電子作為新興的信息載體登上歷史舞臺，發揮它深遠的研究價值和應用價值。如果說，20世紀電子技術掀起了一次信息革命的巨浪，那么光子技術必將成為21世紀信息革命中一顆耀眼的新星吸引眾人的目光。

光子器件獨特的功能依賴于材料和結構的設計。隨著材料加工技術的發展，特別是隨著納米級加工技術的發展，以前人類無法想象也無法加工的新型光學材料和光學結構隨之脫穎而出，誕生了微納光學和微納光子技術，在此基礎上新方向新領域層出不窮。本組論文涉及以下幾個方面。

1 光子晶體

光子晶體是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構，1987年，E.Yablonovitch在從事自發輻射研究的過程中提出了光子晶體的概念，他的出發點是通過改變光子態的密度從而達到通過自發輻射來控制光子晶體中物質的目的。同年，John從光子局域研究角度也提出了光子晶體這一概念。不同的是，John的想法則是利用光子晶體的光子局域化來控制光的行為。

從材料結構上看，光子晶體是人工設計和制造出來的晶體，所含的介質光學尺度呈周期性變化，其中介質的排列周期和光的波長為同一個數量級。光子在晶體中運動由于存在布拉格散射相長干涉而受到調制，光的透射譜中出現光子能帶和光子帶隙。在光子能帶中的光可以傳輸，但在光子帶隙部分，光子帶隙禁止其在光子晶體中傳輸，通過這樣的方式來控制光子的運動。類似于半導體在電子集成回路的作用，光子晶體充當未來光子集成回路的半導體功能。光子晶體的研究經過最初十年的發展達到頂峰，隨后沉寂了幾年的時間。但從本世紀初開始，隨著新材料的涌現和新概念的提出，光子晶體又煥發出新的生機，呈現欣欣向榮的局面。首先是伴隨“左手材料”概念的提出，光子晶體利用等效折射率的原理同樣實現了左手材料負折射以及超透鏡的功能。其次和新興領域拓撲光子學相聯系，磁性光子晶體的單向邊界態激發了光子晶體新一輪的研究熱潮。Haldane和Raghu提出在時間反演對稱性破缺的六角磁性光子晶體中，存在一種可類比電子系統中量子霍爾效應的單向邊界態，即電磁波在邊界只能沿一個方向傳播，形成光的單行道。單向邊界模式受拓撲結構的保護具有獨特的抗擾動能力。目前國內的南京大學、中科院、東南大學、浙江大學、上海交通大學、深圳大學等均開展這方面的研究。近些年自從Novoselov等通過實驗獲得單層石墨烯晶體后，石墨烯就由于其奇特的物理性質而備受關注。在它的能帶結構中，布里淵區的K和K'點由兩個具有線性色散關系的錐形能帶構成，錐形能帶的中心交點被稱為狄拉克點。光子晶體微結構與電子晶體微結構相似，在類石墨烯光子晶體能帶結構中，也存在類似的狄拉克點，由此又掀起利用光子晶體實現狄拉克點的研究。

總之，光子晶體是一種開放的結構體系，任何新理論和新材料的出現，都會引起新一輪的研究熱潮。

2 超材料

超材料最開始被稱為左手材料或負折射材料，這是由蘇聯理論物理學家Veselago在1968年最先提出的。他最初在麥克斯韋方程組的基礎上，研究了電磁波在擁有負磁導率和負介電常數材料中傳播的情況，對電磁波在其中傳輸時顯現出的電磁特性進行分析可以得到：電磁波在其中傳播時，相速和群速的方向相反，E、H、K三矢量之間表現出左手螺旋關系，與電磁波在傳統材料中傳播的情況完全不同，他將該種材料定義為LHM。科學家當時在自然界中并不能觀察到這種材料，所以當時Veselago所做的工作并沒有運用到實際中，僅僅是理論假說。

在這之后，由于研究手段的不斷發展，科學家取得了許多突破性的成果。英國帝國理工大學的John Pendry教授于1999年提出一種新的具有磁響應的周期結構，即開口諧振環（Split Ring Resonator,SRR）結構，該結構主要是通過使用雙開口的薄銅環內外相套形成。在之后的2001年，美國加州大學的Shelby等在美國《科學》雜志上發表了關于驗證左手材料存在的實驗性文章。文章中提出了一種新的設計方法，將銅線與開口銅環這兩種微結構單元連接成一個整體，擴展創新了結構尺寸上的設計，并且保證了介電常數和磁導率出現負值的頻段相同，這是介電常數和磁導率同時表現出負值的現象第一次呈現在人們眼前。這種復合材料可以被人工合成之后，在微波、電路、光學、材料學等領域可以被極大地拓展，以及其具有的新穎電磁響應特性，使其一躍躋身成為國際物理學界和電磁學界研究的熱門領域。

3 金屬表面等離激元

表面等離激元是由光與金屬表面電子相互作用引起的電磁波模式，它可以突破衍射限制，把電磁波約束在亞波長尺寸范圍，在天線、耦合器件、高速集成回路的互連線、探測器件的集成等方面都有重要應用。在該領域國內也聚集了一批著名專家，像復旦大學的資劍教授和周磊教授、北京大學的龔旗煌教授、同濟大學的陳鴻教授、浙江大學的何賽靈教授、中國科學技術大學明海教授、武漢大學的汪國平教授、中科院李志遠研究員等都在此領域做出了杰出的工作。

本人自2000年研究生畢業，十幾年來一直沉浸于微納光學的研究，從最初的光學非線性孤子現象到光子晶體，從超材料到拓撲光子學，再到基于PT對稱概念光學結構的研究。一路走來，既嘗到成功的喜悅，也經歷過無數次失敗的痛苦。但正是這種成功和失敗的交織，讓我的生活豐富多彩。這次應安慶師范大學學報編輯部的邀請，為學報組織“光子學與光子器件”專欄。其實我是誠惶誠恐，深感才疏學淺，難擔重任。但轉而思之，這不也是一個難得的推廣自己的學術，和為家鄉教育發展貢獻自己力量的機會嗎，因此以自己在學術界的影響，組織了一批微納光學的研究稿件。本期這幾篇稿件主要涉及PT對稱結構同相和反相放大調制器、光子晶體中TE波非互易性傳播特性、光子晶體帶隙特性分析等課題，應該體現了目前微納光學領域較前沿的研究成果，供讀者鑒賞和指正。