光子晶體是近年來科學與技術方面的一個新成果，具有重要的科學意義和廣泛的應用前景。

為了明白光子晶體是什么，我們先簡單介紹一下晶體。

晶體是由大量微觀物質單元（原子、離子、分子等）按一定規(guī)則有序排列的周期性結構。晶體在日常生活中經(jīng)常遇到，如食鹽就是氯化鈉晶體，雪花也是晶體，而且具有多種不同的形狀。

人們非常熟悉且每天都離不開的半導體也是晶體。我們熟知的高性能芯片就是大規(guī)模、超大規(guī)模的半導體集成電路。半導體能夠具有重要的應用價值，是因為半導體這種晶體具有電子的禁帶、導帶。科學家利用電子的能帶結構對電子進行精確的控制。但由于電子是帶電的，相鄰電子之間有相互作用，這給控制電子帶來了困難。尤其是當結構的尺寸非常小時，精確地控制電子變得極為困難。這使得進一步提高芯片的性能也變得極為困難。即存在量子極限的限制。

如何進一步提高芯片的性能呢？這時，人們想到了光子。光子不帶電，光子之間沒有相互作用?？刂乒庾颖瓤刂齐娮痈唵巍Ｒ虼?，通過控制光子，可以更容易突破量子極限，從而進一步提高芯片的性能。如何才能精確地控制光子呢？人們發(fā)現(xiàn)，如果傳導光的材料具有晶體一樣的結構，那么，這種材料也會具有光子的禁帶、導帶。這不就是傳導光的晶體嗎！光子晶體就這樣產(chǎn)生了。人們還發(fā)現(xiàn)，可以把在半導體中很多控制電子的現(xiàn)成的方法和技術用到對光子的控制上來。

半導體是帶電離子的周期性晶體結構，電子的行為受到周期性的約束和影響。而材料對光傳播特性的影響只能通過折射率（介電常數(shù)）來實現(xiàn)。因此，光子晶體一定是折射率（介電常數(shù)）在空間的周期性排列，以使光子受到周期性的約束和影響。折射率的周期分布可以是一維、二維或三維的，它們分別對應于一維、二維和三維光子晶體。

光子晶體具有光子能帶結構。有的能帶禁止某些頻率的光在其中傳播，這些頻率（顏色）的光不能在這個帶中存在，這就是光子禁帶。有的能帶允許某些頻率的光在其中傳播，對于這些頻率的光這個能帶就是光子的導帶。

當光子晶體被白光照射射時，其能帶對某些頻率的光是導帶，這些頻率的光可以進入材料并在其中傳播。而對其他某些頻率的光來說，這個能帶是禁帶，這些頻率的光不能進入材料而被完全反射出來。因此，材料就會呈現(xiàn)出不同的色彩。自然界中很多東西有鮮艷的彩色，這其實就與光子晶體有密切關系。如：南美洲有些蝴蝶的翅膀呈現(xiàn)出美麗的色彩，有的蜥蜴類動物也有非常漂亮的顏色，產(chǎn)于澳洲的蛋白石也具有鮮艷的色彩，等等。

蝴蝶翅膀的顏色及其結構

 漂亮的蜥蜴類動物

產(chǎn)于澳洲的蛋白石的鮮艷色彩

光子晶體的概念是美國的E. Yablonovitch和加拿大的S.John在1987年提出的。Yablonovitch的研究是為了降低雷達的電力消耗，以及提高雷達的隱身性能。而S.John的工作是光子局域，即，將光子限制在空間的某個范圍內(nèi)。他們的研究目標完全不同，但卻分別提出了相同的新概念。他們的文章于1987年在美國《物理評論快報》上先后發(fā)表。兩人原來并不認識，看到對方的文章后，兩人互相聯(lián)系，決定見一次面。在這次見面中，他們討論了這個新概念的意義，及今后的進一步研究方向。正是在這次見面會上，經(jīng)過協(xié)商，他們共同為這個新生事物起了一個嶄新而響亮的名字—光子晶體（Photonic Crystal）。

光子晶體的概念提出后，引起了全世界科學家的極大興趣和高度重視。一個光子晶體的研究熱潮在世界范圍內(nèi)興起。

既然光子晶體的最大特點是光子的能帶結構，人們自然希望光從各個方向照射時都存在禁帶，而不是只在一個方向照射才有禁帶，這就是全空間禁帶。人們還希望禁帶能夠寬一些。人們發(fā)現(xiàn)，半導體研究中的很多技術可以用到光子晶體中來。純凈的半導體不好用，按照理論設計摻入雜質（摻雜），半導體的性能明顯提高。于是，人們就把摻雜技術引入到光子晶體的研究中來，從而大大改善了光子晶體的特性?？茖W家們在光子晶體研究中，還把一定程度上破壞微觀對稱性，增加某些宏觀的旋轉對稱性這些半導體研究中的方法移植過來，都獲得了非常好的效果。

可以有多種方法制作光子晶體，如物理學中的分子束外延，光刻，離子束刻蝕，晶體生長，光學全息，化學中的自組裝等技術。

光子晶體已經(jīng)在越來越多的領域內(nèi)得到了應用。光子晶體已經(jīng)被廣泛用于生物成像、光譜學、人臉識別、激光雷達、虛擬現(xiàn)實等眾多領域。而到目前為止，光子晶體最成功的應用莫過于光子晶體光纖。通過特殊的設計，用光子晶體材料做成光纖，這個光纖的中心對于通訊頻率的光具有導帶，光可以在芯中自由傳播。而芯的周圍對于通訊頻率的光卻是禁帶，不允許這個頻率的光存在。因此，光在光纖的芯中傳播時沒有任何損耗，且不會跑到芯的外部。這使得光纖的性能大幅度提高。光子晶體光纖還具有其他突出的優(yōu)良性能，因涉及較多的專業(yè)知識，這里不詳細論述了。最近比較熱門的有關隱身衣的研究也要用到光子晶體材料。

在固態(tài)物理中，與光子相對應的是頻率更低的聲子。由此，科學家們把光子晶體引申到聲子晶體。而聲子的頻率更低，波長更長，聲子晶體也更容易制作。因此，聲子晶體的研究與應用也得到了快速的發(fā)展，成為繼光子晶體后的一個重要發(fā)展方向。

正如前面所述，由于光子之間沒有相互作用，對光子可以實現(xiàn)比電子更精確的控制，因此更容易突破量子限制，從而使基于光子晶體的芯片性能能夠比現(xiàn)在的半導體芯片有較大的提高。這將為未來的光計算、光學邏輯，光開關，光信息技術領域的發(fā)展提供了新的技術基礎。