自准直效应的特性及应用研究(2)
因此，人们开始寻找新的材料以满足社会对于发展信息技术日益扩大的需求。
光子材料的得天独厚的优势使它成为人们的不二之选。例如：（1）光子器件的运行速
度比电子器件快得多（2）由于光子是电中性的，因此光子之间不存在像电子那样的
作用力,极大的降低了系统能量损耗（3）偏振等特性，提高了系统信息容量。综上所
述，光学器件对于未来信息技术发展将起着至关重要的作用[1]。
不同于传统的电子材料，光子晶体以光子作为信息的载体，并且人们可以控制光
子的运动行为。 以光子晶体器件来代替传统的电子器件，将会开启光通信的崭新时代。
由于制造工艺的不断成熟，光子晶体越来越广泛地被用于各种集成光学器件的设计
中，即将成为新一代的信息产业基础。研究认为光子晶体对全光网络及全光功能器件
的实现有积极作用。人们为了实现高集成光电器件，如光子晶体波导 、全光开关和
耦合器等，光子晶体已得到十分广泛的应用[5]
。人们人工合成出光子晶体后，人们制
作出了很多具有控制光和信息处理功能的新型器件。例如，半导体加工工艺已经发展
的十分成熟，人们已经可以利用这种加工工艺制作硅基平板光子晶体器件，而且这种
器件具有以往器件所没有的独特优势，即它很容易和传统的电子器件相结合。 [6]随着
信息技术的发展，我们有理由相信，为了适合高带宽传输，人们对于研究宽带自准直
光子晶体的理论与应用的热情仍然不会减退[7]。
在一个很小尺度可以控制电磁波的传播，这个特性使得光子晶体是实现光子集
成极有效的手段，因此一直是研究热点。随着技术的不断进步，人们已经可以利用光
子晶体提高各种器件的性能，比如光子晶体波导、光子晶体超透镜，超棱镜等等[4]。
目前，基于自准直效应，人们已经研发出了多种纳米光器件，其中有许多已经得到了广泛的应用，如马赫－曾德干涉仪[7]
、光子晶体光复用器[8]
、光子晶体分束器[8，9,,10]
、
光滤波器[11]
、环形谐振腔[12]
等。目前，自准直效应仍是研究热点，人们不断在此领域
取得进展，相信在不久的将来光子晶体的自准直效应成果会不断涌现。
1．1 光子晶体概念
1987年由 S.John和E.Yablonovitch 分别独立提出光子晶体的概念[1]
。 光子晶体
和电子晶体有许多相似之处。光子晶体可以控制光子，就像固体中的晶体可以控制电
子。一些光子晶体有能量范围中，光不能在光子带隙中传播，被称作光子带隙（PBG）。
如果在光子带隙中引入线性缺陷，那么光束可以严格地沿着线性缺陷的通道中传播，
这个通道被称为光子晶体波导（PCW）[13,14]
。这个通道弯曲程度非常大时也满足这种
情况[3,6]
。但是，技术上制作有严格光子带隙的光子晶体仍然很难，即使是在垂直均
匀度足够高和光学波段导光的二文光子晶体也是如此。另外，众所周知，光子晶体中
的能量色散和初始色散相比可以产生很大改变，即使它没有严格的光子带隙。实验演
示光的传播有大幅度弯曲，这与在光学波段中应用源自禁带的现象（超棱镜现象）中
光子禁带中的弯曲等效[13]
。
人们一直致力于实现光集成电路，这需要对传播光的轮廓进行精确控制。为了实
现简单互联，尤其需要的是没有发散的束状传播。光子晶体中的自准直效应，允许光
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