学文网摘 要：本文主要对光子晶体谐振腔作了简单介绍，主要是研究了两种主要的谐振腔类型：光子晶体微腔和光子晶体环形腔。
关键词：光子晶体 光子晶体谐振腔 光子晶体微腔 光子晶体环形腔
近年来，光子晶体由于具有控制光子流动的能力等奇特物理性质而备受人们的关注。光子晶体是一种折射率呈空间周期变化的新型微结构材料，入射到光子晶体内的光波收到布拉格散射形成能带结构，能带间有带隙存在。只有频率在光子能带内的光才能在光子晶体中传播，频率落在光子带隙内的光则被禁止。
光子晶体谐振腔][的制作近年来对光电集成器件发挥这巨大的用途，因此引起研究者广泛的注意。光子晶体微谐振腔能达到数值很高的品质因子（Quality factor），这是利用其它材料所制作的谐振腔所无法完成的。如果于光子晶体某个位置中引入点缺陷，相当于将光子局域态引入光子禁带中。在非常小的点缺陷中局域着位于该位置的光场，能量密度可以达到非常高。
制作光子晶体谐振腔的原理是利用缺陷态光子晶体的光子局域和谐振性质。品质因子是用来描述光子晶体谐振腔的一个重要参数，谐振腔的谐振谱的宽窄可以用品质因子相对应，品质因子越大则对应的光子晶体谐振腔的谐振谱越窄。光子晶体微腔可具有小的模式体积和大的Q值，在很多物理和工程领域的应用很广泛而且普遍，如电子光子相干作用、非线性光学效应、量子信息处理、低阈值激光器、滤波器等。本文主要介绍两种常见的谐振腔：光子晶体微腔和光子晶体环形腔。
1、光子晶体微腔
对于光集成发展微谐振腔的制作有着至关重要的意义。传统的谐振腔在尺寸微小方面远远不能达到要求，而且损耗，同时大品质因数小。相比而言，光子晶体微谐振腔的品质因子可以做的很高，这是采用其他材料制作的谐振腔无法实现的。
在完整的光子晶体中去除一个或若干个介质柱，即可形成光子晶体微腔。微腔的获得可以通过改变晶体中某些区域的几何尺寸、介电常数、形状等方式。考虑一个简单的由介质柱构成的二维晶格光子晶体结构，利用制作光子晶体谐振腔的最简单方法，即改变光子晶体中一个介质柱的半径。当将介质柱半径减小时，形成一个受主谐振腔，当介质柱半径增大时，则成为一个施主谐振腔。
光子晶体微腔具有很多重要的特性：如超小体积，高品质因子等。将光子晶体波导和微腔相结合可形成滤波器，当波导的模式与微腔共振模的频率一致时将产生谐振，对不同的波长进行选择性地输出，可应用于光通信系统中信号的上传/***，也可用来形成波分复用/解复用。
在光子晶体结构中引入缺陷后，会在光子晶体中可能产生缺陷态，这种缺陷态对应很窄的频率范围，并且具有很大的态密度，光子晶体微腔品质因子高，模式体积小。目前，在实验中微米及亚微米尺度的光子晶体微腔可运用Si或Ⅲ、Ⅴ主族的半导体材料可以加工出。
光子晶体微腔作为最简单的谐振腔，通过改变微腔的中央介质柱半径，可以改变谐振腔的谐振频率。对于减小中央介质柱半径的受主谐振腔，当介质柱半径越小时，谐振频率呈增大的趋势：而对于增大中央介质柱半径的施主谐振腔，当介质柱半径越大时，谐振频率呈减小的趋势。
2、光子晶体环形腔
本文介绍的环形谐振腔最早是由2004年V.Dinesh Kumar提出来的，他们研究了将一环形谐振腔嵌入光子晶体中之后，直波导中光的传播影响很大程度上取决于直波导与环形谐振腔共振与否，该结构入射光场有时可以被全部局域在环形谐振腔中。Djavid研究小组后来对环形腔结构做了深一步的分析和研究，主要研究了各种影响环形谐振腔光波传输性质的主要参数，以及当改变散射介质柱、内部介质柱和耦合介质柱的折射率，以此来设计波分解复用器。
如***1是正方晶格光子晶体环形腔结构示意***，设计环形腔结构时，特意在***中的环形腔的每个角落处额外添加了一个散射介质柱，可以降低传输模式在波导转弯处的损耗和衰减，见***中圆圈所标示。这与在弯曲波导中通过添加了一个反射镜来减少能量反射是同一原理，计算结果表明：光波的输出效率可以通过添加此散射介质柱得到极大的提高。
研究发现：光子晶体环形腔制作的器件，调节方法所需调节的介质柱数目少，制备简单。
3、总结
由上可见，若我们加大对光子晶体的研究和投入，就光通信和光学集成的发展来看，既符合信息社会发展趋势，又具有前瞻性，在未来大容量、高效、远距离、高安全性方面具有巨大的潜在优势。
作者简介：张佳，江西科技学院理科部物理教研室。