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带隙(energy gap)。与此类似，在光子晶体中，
电磁波也会受到周期结构的布拉格散射，并形成与电子能带类似的光子能带
(photonic band)。同样，在光子各能带之间也可能形成与电子能隙类似的光子带
隙(photonic band gap, PBG)，又叫光子禁带。当光子频率处于光子晶体的禁带中
时，其态密度(density of states, DOS)为零，这样的电磁模式将无法在该光子晶体
中传输。
由于光子带隙的存在，使得光子晶体具有能够“操控”光在固体中传播的特
性，例如能够使光沿着一定的方向传导，而几乎不会产生什么能量损失，或者将
光子聚集在某个固定的空间之内，即实现光子局域，这些有趣的新现象是以前任
何光学器件没有能力实现的。所以，光子晶体逐渐成为了当今材料学中研究的热
点，其重要性越来越受到人们的关注。
3 光子晶体特性
光子禁带
由以上的叙述可知，光子晶体最主要的特性之一就是存在光子禁带。对于光
子禁带形成的原因，是布里渊区边界光子的能量的不连续跳变所导致的，跳变的
范围就形成了光子禁带，即禁止某种频率范围的光子通过；光子禁带以外的区域
则称为光子通带，即允许光子通过。对于光子带隙来说，如果只在固体的某些方
-2-向上出现，则称为赝光子带隙；如果在所有方向上都出现，并且能够互相重叠在
一起，则称为完全光子带隙。由此可知，只有三维光子晶体才可能拥有完全光子
带隙。一般来说，光子禁带的存在与否，宽与窄，主要取决于以下两种因素：
(1)光子晶体的结构特性。比如介质材料的填充率、结构类型等等；
(2)光子晶体的两种不同材料的介电常数比。通常来说，介电常数比越高，
越容易实现完全光子带隙。
所以，在光子晶体的设计过程中，合理地选择适合的材料，并且设计相应的
结构，对于光子带隙的形成是至关重要的。虽然光子禁带中的态密度为零，由此
导致光子在禁带无法发生自发辖射，但是，与半导体类似地， 通过引入某种与原
来介电常数不同的材料，或者去除某些物质，将会形成缺陷，虽然禁带中的大部
分范围内的发射还是被抑制，但是在缺陷所在光子能级的极窄的范围内，会出现
光子态密度的高度集中，相当于光子禁带中被抑制的能量集中体现在了某个特定
的能级上，导致在此处的高强度自发辖射。这种现象可以被用来调制光子晶体的
发射光谱。[3]
光子局域
光子晶体的另一个重要特性是光子局域。光子晶体的发现者之一 S. John 早
在发表第一篇论文时就指出，在一定的非周期性超晶格结构中，如果这种材料具
有足够高的介电常数比，那么在某个频率窗口内，将会实现可预测的强烈的光子
局域现象。John 发现在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格中，光
子可呈现出很强的“Anderson 局域”。且当光子晶体是理想的且无缺陷的时候，
根据其周期性边界条件的要求，是不存在光的衰减模式的。但一旦当光子晶体的
对称性被破坏时，光子晶体的禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态。[3]
(a) 自由空间中 (b) 光子晶体中 (c)缺陷光子晶体中
图 2 缺陷光子晶体态密度示意图
事实上，如果将光子晶体的完美结构中去除某些格点，或者加入新的介质，
那么这种缺陷将会构成缺陷能级，相应频率内的光子就会被局域在缺陷能级内，
这与之前提到的缺陷态发射相类似。不同的是，光子局域同时还强调了物理尺寸
-3-上的限制。如果光子晶体结构中存在微小的缺陷，则会将某一频率的光子“局限”
在这一很小的范围内，光子无法逃出此缺陷而存在，于是就被限制在一定的空间
内。这种结构事实上类似于激光器中的微腔，光子受到各个方向的阻碍，不断在
其中反射。这样，就可以实现普通材料无法实现的物理功能，比如使光沿着一定
的轨