图2.光子禁带示意图
2.光子晶体的特征
光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出：光子晶体可以抑制自发辐射。我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制。反过来，光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子的态的数目便可实现。如在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强(如图3)。
图3.子禁带对原子自发辐射的影响：(a) 在自由空间 ; (b) 在光子晶体中(自发辐射被抑制) ;(c) 在有缺陷的光子晶体中(自发辐射被增强)
光子禁带的出现依赖于光子晶体的结构和介电常数的配比。一般来说，光子晶体中两种介质的介电常数比越大，入射光将被散射得越强烈，就越有可能出现光子禁带。影响禁带的存在还有一个重要因素:晶体的几何构形。1990年，美国的何启明(Ho)、陈子亭(Chan)和Soukoulis小组第一个成功地预言了在一种具有金刚石结图3 光子禁带对原子自发辐射的影响(a)在自由空间;(b)在光子晶体中(自发辐射被抑制);(c)在有缺陷的光子晶体中(自发辐射被增强)构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带，禁带出现在第二条与第三条能带之间(如图4)。Yablonovitch于1991年在实验室中人工制造了第一块当时认为具有完整禁带的三维光子晶体。在一块高介质材料的底板平面上分布着呈三角点阵的空气洞，以偏离中心轴(与底板垂直)35126度的方向对每个空气洞钻眼3次，这3次钻入方向彼此夹120度角(如图5)。从三维来看，这是一种面心立方结构[5]。但是后来的研究表明，这种结构不存在绝对禁带。天然的具有完整禁带的三维光子晶体在自然界非常少，为了获取符合我们要求的光子晶体，通过人工适当地改变一些晶体的对称结构应该是一种可行而且实际有效的方法。
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引入缺陷的光子晶体在激光或光学回路中有广泛的应用，计算有单点缺陷、多点缺陷、线缺陷以至表面态的光子晶体能带可以用超元胞法进行平面波展开；当混有多种缺陷时，可采用格林函数法。
上述的理论计算方法只是在给定光子晶体的结构组成后才能定量定性地得出准确的结论。虽然我们知道有几个参数(如介电常数比、填充比、晶格结构等)对光子禁带有影响,但“到底是什么物理机制在光子禁带的形成中起了决定作用?”,也就是“怎样从物理上定性、定量或者半定量地分析和设计光子禁带?”尚没有明确的答案。例如,如果要得到一定频率范围的光子禁带,我们该找什么样的光子晶体结构组成呢?由于这方面的研究迄今不过十余年,所以还有大量的工作需要人们去做。
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