光子晶体在控制光传播中的作用

光子晶体主要是一种人工合成的结构，其折射率的调制周期与材料中光的波长相当。这些晶体采用最先进的（SOTA）半导体微加工技术制造而成。本文将讨论光子晶体及其在控制光传播方面的作用。

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光子晶体的重要性
 

在光子晶体中，人为地引入了与光波长相似的周期性，以确保形成光子带状结构。光在光子晶体中的色散证明了光子带结构的形成。光子带隙的存在是光子带形成的关键因素之一。

具体来说，光子晶体必须在间隙波长区域内表现为光子绝缘体，在该区域内，光的传播会受到抑制，而不会产生任何吸收损失。此外，还可以在带隙之外对光的传播进行大幅操控。

利用光子晶体控制光传播
 

光子晶体结构为传播光子提供了折射率的周期性变化。根据应用的不同，周期范围从几厘米到几十纳米不等。智能设计的结构周期可以抑制电磁辐射在材料内部一维、二维或三维空间的传播。

光子晶体由于其周期性结构所产生的光子带隙，可以有效地反射特定波长带。光子晶体反射波段的性质取决于三个变量，包括晶体设计、组成材料的折射率差以及组成材料在晶体中所占的相对体积。

晶体设计至关重要，因为穿过光子晶体的不同方向对应不同的周期间隔。组成材料的折射率差和相对体积会影响晶体内非传播/驻留波的性质。

布拉格衍射
 

布拉格衍射发生在三个维度上，当光子晶体选择了所有三个变量的正确组合时，同一波长带就会出现一个完整的三维（3D）光子带隙。三维光子带隙可以阻止特定电磁辐射波段在晶体中向任何方向传播。

这种现象可用于不同的应用，例如设计并在设备中加入纳米级路径，通过布拉格衍射将光束/脉冲从一个地方引导到另一个地方。

强调制光子晶体，如二维（2D）六方柱状砷化镓（GaAs）晶体，在光子带隙附近表现出负折射，光束折射方向相反。

此外，负折射还产生了不同的非常规光传播现象，例如，在负指数光子晶体中，点光源产生的光汇聚在一起，平坦的负指数材料表面就像一个透镜。

这种平面透镜不同于传统透镜，因为它没有主轴或特定焦距。因此，负指数透镜能在负指数材料中产生真正的镜像。

利用互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术精确制造的二维光子带隙材料可实现强光约束。虽然在二维系统中无法实现完美的带隙约束，但可以通过几个步骤来优化二维带隙产生的约束。

例如，二维光子晶体中的超高品质因数（Q）光腔基于理论上无损耗的线缺陷波导。波导的终止会使原来的无损耗模式剖面变形，从而导致严重的面外辐射损耗。

为了解决这个问题，可以将特定数量的气孔位置稍微偏移几个纳米，而不是终止波导，以防止改变原来的无损耗模式剖面，并创建一个强约束空腔模式。

光子晶体可通过光子带的形成大幅改变群速度，从而显著降低光速。谐振器也可用于实现色散管理的慢光模式。

谐振器在共振频率下会产生两倍于空腔光子寿命的群延迟。此外，在共振频率上不会出现群速度色散。因此，高 Q 值和小 Q 值空腔都能产生无色散的慢速光。例如，光子晶体中的超高 Q 值纳米空腔由于空腔尺寸小和超高 Q 值，可以大大降低光速。

最新研究
 

空间变异光子晶体（SVPC）已证明能够控制近红外光谱中光的方向和传播。在最近发表于《科学报告》（Scientific Reports）杂志上的一项研究中，研究人员设计了空间变异的独特单元晶胞结构，以开发能保持光的方向和自准直的光子晶体，从而实现所需的光束调谐应用。

研究人员利用有限差分时域技术预测了合成 SVPC 的光束弯曲和自准直能力。SVPC 设计和仿真结果通过实验室测试进行了验证。

结果表明，二维 SVPC 能够实现自准直，并能通过急弯引导光线。此外，SVPC 设计的质量和简易性使其能够在现代设备中实现。这些光子晶体可用作数据传输、多路复用和光计算光学系统的新型解决方案。

参考资料

Volk, A., Rai, A., Agha, I., Payne, T. E., Touma, J. E., Gnawali, R. (2022). Development of spatially variant photonic crystals to control light in the near-infrared spectrum. Scientific Reports, 12(1), 1-11. https://doi.org/10.1038/s41598-022-20252-1

Vukusic, P. (2006). Manipulating the flow of light with photonic crystals. Physics Today, 59(10), 82–83. https://doi.org/10.1063/1.2387101

Notomi, M. (2009). Manipulating Light by Photonic Crystals [Online] Available at https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr200909rp1.html (Accessed on 09 August 2023)

作者：Samudrapom Dam