基于缺陷态的表面周期结构能带特性及在探测技术中的应用(2)
在提出光子晶体这一概念后，科学家们开始了长期的探索，人们通过Maxwell方程发展出各种方法来研究分析光子晶体，确定光子晶体中光子能带的分布，以及光子晶体中光场的变化。科学家们根据特殊要求，发展了许多制备光子晶体的方法，如微机械技术，自组装法，刻蚀技术等。
完整的光子晶体具有很好的光子禁带，但含有缺陷的的光子晶体则拥有更大的应用前景。科学家们在发现这一特点后，开始研究如何在光子晶体中引入缺陷，引入怎样的缺陷。研究人员发现，在光子晶体中引入点缺陷，根据光子带隙特性，能够将光场很好地限制在缺陷中；在光子晶体中引线缺陷可以构成光波导管；引入一个平面缺陷，则类似于一个反射率极高反射镜。
1997年麻省理工学院的ShanHui Fan等提出二文光子晶体薄膜技术[3]，将光信号应用于集成电路，实现了光电子学应用上的一大创新。
经过二十多年的发展，光子晶体在应用方面已经取得了很大的进步。光子晶体的许多特性，如超棱镜效应、负折射效应等已经慢慢被应用于生产实践中。虽然光子晶体仍有许多性质有待研究，但其表现出来的价值，正驱动着科学家们不断探索，扩展应用，发挥光子晶体的最大效益。
1.1 光子晶体的基本概念
光子晶体也称光子带隙材料，它是一类人工设计制造的介质常数按一定周期性分布的结构，其的结构分布与半导体内原子分布非常相似[5]。在半导体材料中，原子在空间中的周期性排列产生的势场会影响电子的运动，对电子的波函数进行调制，形成能带结构；同样，在光子晶体中，介电常数呈周期性分布会影响光子的运动形式，从而产生光子禁带。光子禁带的存在使得频率处于禁带范围内的光波，无法在光子晶体中传输。
光子晶体根据空间分布的周期性可以分为：一文、二文和三文光子晶体（如图1-1）。如果介质常数只在一个方向上呈周期性分布，则光子带隙只出现在这个方向，即一文光子晶体；二文光子晶体是指，在两个方向上具有周期性介质分布的结构，光子带隙可以在这两个方向出现；三文光子晶体则是介质常数在三个方向上都呈周期性分布。
图1-1 光子晶体
光子晶体所具有的禁带特性能够限制光波的传输，若在光子晶体中引入缺陷，那么一定条件下，光波传输会随缺陷而改变，因此含有“缺陷”的光子晶体具有更大的研究意义 [5]。我们在光子晶体中引入不同的缺陷，破坏其周期结构，从而改变光子晶体的能带特性，观察缺陷态的能带变化，比较不同缺陷形式下光子晶体内部模场分布的的改变，研究缺陷结构与能带特性及模场之间的内在联系。
1.2 光子晶体的主要特性
光子禁带是光子晶体最基本也是最重要的特性，光子频率处在禁带内光无法在光子晶体中传播。Yablonovitch指出[1]：光子晶体可以抑制自发辐射。当原子自发辐射频率处在光子禁带范围内时，此时光子态数目为零，自发辐射被完全抑制；相反，若在光子晶体中引入杂质或缺陷使得光子态数目增多，便可增强原子的自发辐射（如图1-2）。
光子晶体另外一个主要特征是具有光子局域。John于1987年提出[6]：在一种由无序介电材料构成的超晶格（相当于现在的光子晶体）中，光子呈现很强的Anderson局域[7]。引入缺陷前，由光子晶体边界条件可以知道不存在光波衰减。引入缺陷后，光子晶体对称性被打破，其禁带内就可能出现频带宽度很窄的局域态。在光子晶体中添加特定杂质，使得光子禁带出现高品质因子的杂质态，也能达到增强原子自发辐射的目的（