光子晶體概念

現(xiàn)就職于美國加州大學(xué)伯克利分校的Yablonovitch解釋光子晶體這一概念，這是源于一對密集空間電解質(zhì)鏡控制自發(fā)輻射過程。他提出邊緣介質(zhì)限制，概念阻止光束從鏡面?zhèn)让嫘孤�，形�?-、2-、3-維的光約束的概念。圖2所示的是包括不同折射率的兩種電介質(zhì)材料薄層交替構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，每一層像一塊干涉濾波片，都能反射一個共振帶透射的其他波長。

在光子晶體的另外一篇早期報道中，麻省理工學(xué)院的John Joannopolis將共振發(fā)射波長稱為類似于固體電子帶隙的“光子帶隙”。光子帶隙的能量由薄層的厚度和反射系數(shù)決定。像電子一樣，如果光子能量在能帶傳輸過程中下降了，它就不能再在固體中傳輸了。在大多數(shù)應(yīng)用中，光子晶體將缺乏同能級光子能隙的光限制在材料中，因此光能在其中傳輸。

圖2 不同折射率兩種材料的交替層。

光子晶體光纖

光子晶體的首次成功應(yīng)用是“多孔”光纖或微結(jié)構(gòu)光纖。實心光子晶體光纖類似于傳統(tǒng)光纖，其中的孔減少了構(gòu)成光子晶體的各薄層折射率。由于光子晶體效應(yīng)捕獲了低折射率區(qū)域光子帶隙的波長，對其他折射率區(qū)域沒有響應(yīng)，空心光纖與傳統(tǒng)光纖有實質(zhì)性的不同。對于這兩種光纖結(jié)構(gòu)曾經(jīng)對其分別命名，空心光纖稱為“光子帶隙光纖”，實心光纖稱為“光子晶體光纖”，但是今天已經(jīng)不對其進(jìn)行區(qū)分了。

實心和空心光纖具有普通光纖不具有的特性，實心光纖能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)支持單模形式導(dǎo)光，縮小芯徑可以增加光纖非線性特性而應(yīng)用于超連續(xù)譜，擴(kuò)大單一模式填充可以降低非線性特性，應(yīng)用于光纖激光器；空心光纖填充氫元素可以應(yīng)用于拉曼光譜。在某些波長上，空心光纖的光學(xué)衰減比實心光纖低。

光子晶體光纖領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，如將光子晶體光纖中的小孔尺寸進(jìn)行分級。標(biāo)準(zhǔn)尺寸的孔在某一波長處產(chǎn)生強(qiáng)烈共振，在臨近頻段產(chǎn)生大的光散射。為了限制這一散射，俄羅斯薩拉托夫大學(xué)的Julia Skibina和她的同事制造了增加外層尺寸的光子晶體覆層，使得各層在不同波長處諧振，以擴(kuò)大透射帶，降低散射。