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基于光子晶体全光控制研究
光子晶体是一种由周期性调制介质构成的结构，在特定波长范围内具有宽带反射和光子禁带现象。通过控制光子晶体的结构和环境，可以实现光的吸收、透射、反射、散射、拦截等多种控制，因此被广泛应用于光电通信、光子芯片、光学传感器和激光器等领域。本文将介绍光子晶体的基本原理、全光控制方法和应用研究进展。
1.光子晶体的基本原理
光子晶体的可见光波长区间内的反射和折射特性，是由介质中的周期性结构所决定的。这个周期性的结构，即晶格，由两类材料的交替排列组成，形成了一个具有周期性的矩阵。当光子射入晶格时，光子会被晶格的周期性结构限制，只有波长与晶格周期匹配的光子能够通过晶格结构，而其他的光子则被反射或散射掉。这种现象被称为布拉格散射，在晶格内引起解散的光波相互干涉；由于散射的干涉是相干的，所以它必须是不散射的拍声，只有在平面晶格的布拉格反射点处出现。这种与光的波长密切相关的反射现象是光子禁带的基础。
与晶体禁带相似，光子禁带是一个能隙，在该频段内，光子不能通过晶格结构，因此也被称为停带。过了该频段之后，晶体会形成透明带，光子也可以通过这个晶体。晶体的带隙宽度随着晶格周期增加而增加，而且带隙宽度会受到晶格的形状、材料的折射率、晶格的对称性、温度、压强等因素的影响。
2.光子晶体的全光控制方法
目前，常用的光子晶体全光控制方法有两种，分别为光调制方法和光照射方法。
光调制方法通过改变外界的光场强度、相位或极化方向，来改变晶格的周期性结构和折射率。其中，一种比较常用的是利用非线性光学效应，如光折变、光吸收和光电效应等，通过泵浦光或激光束对光子晶体进行激发，来实现光调制。例如，光学开关就是一种基于非线性光学效应的光调制器，它利用激光束对薄膜光子晶体进行激发，使其在泵浦光作用下发生逆转特性。当停带充满入射波长时，将构成传输态，在关键泵浦强度下，晶体将有几率转换为散射态，从而导致光的阻断。
光照射方法是通过使用光敏物质或光敏聚合物，来实现全光控制。光敏物质或光敏聚合物可通过光遗传学、复杂离子通道运输等控制光子晶体中的粒子位置、形态、方向和交互等。例如，Percec等人利用光敏克隆技术，制备了基于光子晶体的三维微结构，可以通过紫外线辐照和紫外线照射解开串珠特性和联结分子间距定量控制其激发。
3.光子晶体的应用研究进展
光子晶体的全光控制技术得到了许多研究人员的关注，也取得了许多研究进展。光子晶体的应用主要涵盖了光传感器、光子硅芯片和光通信领域等。
光传感器是光子晶体应用领域中的一个重要方向，它可以通过晶格中存在的频率分数峰来检测信号。例如，根据光子晶体的反射率变化特性，可以制备出折射率或经典物理量传感器。与传统传感器相比，光子晶体传感器具有高分辨率、高稳定性和成像速度快等优点，可以应用于血压传感器、生物传感器和无损检测等领域。
光子芯片是一种新型的微电子器件，具有光子传输和光与电相互作用等优异特性。光子晶体可以用作微结构的引导和耦合器件，具有小型化、高速率和低功耗的优点。在光子芯片的制造中，光子晶体结构因其不同的控制方式对制造工艺和性能的影响进行了大量的研究。例如，光子晶体可用于制造纸式激光器，具有小型化、高效率和低功率的特点，可用于微型激光器和微流控芯片等领域。
光子晶体在光通信领域中具有广泛应用，尤其是在光纤通信领域中。利用光子晶体的光衰减和全光控制特性，可以制造大容量光传输器件。在X波段中，由于其在1550nm频率下有一个严格的波长控制，因此可以用来制造低噪声光放大器和光滤波器。例如，利用光子晶体的3dB光分路器和光储存器，制造了高速光通信器件。
总之，光子晶体具有宽带反射和光子禁带现象的特性，可以实现多种控制，包括光调制和光照射两种全光控制方法。随着光子晶体的制备和应用技术的不断提高，光子晶体将在光子学和微电子学领域中发挥重要的作用，成为未来高速通信和高精度传感器的重要组成部分。