方云團(tuán)

（江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

光學(xué)在科學(xué)中占有獨(dú)特的地位,在所有的科學(xué)領(lǐng)域中唯有光學(xué)貫穿于整個(gè)科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程,從最早墨子的“小孔成像”到今天的“量子通信”。光學(xué)讓人類(lèi)對(duì)世界的認(rèn)識(shí)從宏觀到微觀兩個(gè)相反的方向無(wú)限地延伸。Fast望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)到距地球1.6萬(wàn)光年的脈沖星，最新的顯微鏡已經(jīng)能看到原子的形狀。

上世紀(jì)微電子技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，但在集成電路中的電子器件面臨著處理速度極限和密度極限，這導(dǎo)致此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入瓶頸時(shí)期，也在一定程度上阻礙了信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因?yàn)樽鳛樾畔⑤d體來(lái)說(shuō)，光子相對(duì)于電子有著更大的優(yōu)越性：電子器件的響應(yīng)時(shí)間一般為10-9s，而光子器件可達(dá)10-12～10-15s；而且通常情況下光子可以獨(dú)立傳播、并行處理信息，大大提高了光計(jì)算中信息處理的能力。光子憑借著相對(duì)于電子速度快、頻帶寬等優(yōu)勢(shì)在不久的未來(lái)，正逐漸取代電子作為新興的信息載體登上歷史舞臺(tái)，發(fā)揮它深遠(yuǎn)的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。如果說(shuō)，20世紀(jì)電子技術(shù)掀起了一次信息革命的巨浪，那么光子技術(shù)必將成為21世紀(jì)信息革命中一顆耀眼的新星吸引眾人的目光。

光子器件獨(dú)特的功能依賴(lài)于材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。隨著材料加工技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著納米級(jí)加工技術(shù)的發(fā)展，以前人類(lèi)無(wú)法想象也無(wú)法加工的新型光學(xué)材料和光學(xué)結(jié)構(gòu)隨之脫穎而出，誕生了微納光學(xué)和微納光子技術(shù)，在此基礎(chǔ)上新方向新領(lǐng)域?qū)映霾桓F。本組論文涉及以下幾個(gè)方面。

1 光子晶體

光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)，1987年，E.Yablonovitch在從事自發(fā)輻射研究的過(guò)程中提出了光子晶體的概念，他的出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)改變光子態(tài)的密度從而達(dá)到通過(guò)自發(fā)輻射來(lái)控制光子晶體中物質(zhì)的目的。同年，John從光子局域研究角度也提出了光子晶體這一概念。不同的是，John的想法則是利用光子晶體的光子局域化來(lái)控制光的行為。

從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是人工設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的晶體，所含的介質(zhì)光學(xué)尺度呈周期性變化，其中介質(zhì)的排列周期和光的波長(zhǎng)為同一個(gè)數(shù)量級(jí)。光子在晶體中運(yùn)動(dòng)由于存在布拉格散射相長(zhǎng)干涉而受到調(diào)制，光的透射譜中出現(xiàn)光子能帶和光子帶隙。在光子能帶中的光可以傳輸，但在光子帶隙部分，光子帶隙禁止其在光子晶體中傳輸，通過(guò)這樣的方式來(lái)控制光子的運(yùn)動(dòng)。類(lèi)似于半導(dǎo)體在電子集成回路的作用，光子晶體充當(dāng)未來(lái)光子集成回路的半導(dǎo)體功能。光子晶體的研究經(jīng)過(guò)最初十年的發(fā)展達(dá)到頂峰，隨后沉寂了幾年的時(shí)間。但從本世紀(jì)初開(kāi)始，隨著新材料的涌現(xiàn)和新概念的提出，光子晶體又煥發(fā)出新的生機(jī)，呈現(xiàn)欣欣向榮的局面。首先是伴隨“左手材料”概念的提出，光子晶體利用等效折射率的原理同樣實(shí)現(xiàn)了左手材料負(fù)折射以及超透鏡的功能。其次和新興領(lǐng)域拓?fù)涔庾訉W(xué)相聯(lián)系，磁性光子晶體的單向邊界態(tài)激發(fā)了光子晶體新一輪的研究熱潮。Haldane和Raghu提出在時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性破缺的六角磁性光子晶體中，存在一種可類(lèi)比電子系統(tǒng)中量子霍爾效應(yīng)的單向邊界態(tài)，即電磁波在邊界只能沿一個(gè)方向傳播，形成光的單行道。單向邊界模式受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的保護(hù)具有獨(dú)特的抗擾動(dòng)能力。目前國(guó)內(nèi)的南京大學(xué)、中科院、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、深圳大學(xué)等均開(kāi)展這方面的研究。近些年自從Novoselov等通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得單層石墨烯晶體后，石墨烯就由于其奇特的物理性質(zhì)而備受關(guān)注。在它的能帶結(jié)構(gòu)中，布里淵區(qū)的K和K'點(diǎn)由兩個(gè)具有線(xiàn)性色散關(guān)系的錐形能帶構(gòu)成，錐形能帶的中心交點(diǎn)被稱(chēng)為狄拉克點(diǎn)。光子晶體微結(jié)構(gòu)與電子晶體微結(jié)構(gòu)相似，在類(lèi)石墨烯光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中，也存在類(lèi)似的狄拉克點(diǎn)，由此又掀起利用光子晶體實(shí)現(xiàn)狄拉克點(diǎn)的研究。

總之，光子晶體是一種開(kāi)放的結(jié)構(gòu)體系，任何新理論和新材料的出現(xiàn)，都會(huì)引起新一輪的研究熱潮。

2 超材料

超材料最開(kāi)始被稱(chēng)為左手材料或負(fù)折射材料，這是由蘇聯(lián)理論物理學(xué)家Veselago在1968年最先提出的。他最初在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上，研究了電磁波在擁有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)材料中傳播的情況，對(duì)電磁波在其中傳輸時(shí)顯現(xiàn)出的電磁特性進(jìn)行分析可以得到：電磁波在其中傳播時(shí)，相速和群速的方向相反，E、H、K三矢量之間表現(xiàn)出左手螺旋關(guān)系，與電磁波在傳統(tǒng)材料中傳播的情況完全不同，他將該種材料定義為L(zhǎng)HM?？茖W(xué)家當(dāng)時(shí)在自然界中并不能觀察到這種材料，所以當(dāng)時(shí)Veselago所做的工作并沒(méi)有運(yùn)用到實(shí)際中，僅僅是理論假說(shuō)。

在這之后，由于研究手段的不斷發(fā)展，科學(xué)家取得了許多突破性的成果。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的John Pendry教授于1999年提出一種新的具有磁響應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)，即開(kāi)口諧振環(huán)（Split Ring Resonator,SRR）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)使用雙開(kāi)口的薄銅環(huán)內(nèi)外相套形成。在之后的2001年，美國(guó)加州大學(xué)的Shelby等在美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于驗(yàn)證左手材料存在的實(shí)驗(yàn)性文章。文章中提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，將銅線(xiàn)與開(kāi)口銅環(huán)這兩種微結(jié)構(gòu)單元連接成一個(gè)整體，擴(kuò)展創(chuàng)新了結(jié)構(gòu)尺寸上的設(shè)計(jì)，并且保證了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率出現(xiàn)負(fù)值的頻段相同，這是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)表現(xiàn)出負(fù)值的現(xiàn)象第一次呈現(xiàn)在人們眼前。這種復(fù)合材料可以被人工合成之后，在微波、電路、光學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域可以被極大地拓展，以及其具有的新穎電磁響應(yīng)特性，使其一躍躋身成為國(guó)際物理學(xué)界和電磁學(xué)界研究的熱門(mén)領(lǐng)域。

3 金屬表面等離激元

表面等離激元是由光與金屬表面電子相互作用引起的電磁波模式，它可以突破衍射限制，把電磁波約束在亞波長(zhǎng)尺寸范圍，在天線(xiàn)、耦合器件、高速集成回路的互連線(xiàn)、探測(cè)器件的集成等方面都有重要應(yīng)用。在該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)也聚集了一批著名專(zhuān)家，像復(fù)旦大學(xué)的資劍教授和周磊教授、北京大學(xué)的龔旗煌教授、同濟(jì)大學(xué)的陳鴻教授、浙江大學(xué)的何賽靈教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)明海教授、武漢大學(xué)的汪國(guó)平教授、中科院李志遠(yuǎn)研究員等都在此領(lǐng)域做出了杰出的工作。

本人自2000年研究生畢業(yè)，十幾年來(lái)一直沉浸于微納光學(xué)的研究，從最初的光學(xué)非線(xiàn)性孤子現(xiàn)象到光子晶體，從超材料到拓?fù)涔庾訉W(xué)，再到基于PT對(duì)稱(chēng)概念光學(xué)結(jié)構(gòu)的研究。一路走來(lái)，既嘗到成功的喜悅，也經(jīng)歷過(guò)無(wú)數(shù)次失敗的痛苦。但正是這種成功和失敗的交織，讓我的生活豐富多彩。這次應(yīng)安慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部的邀請(qǐng)，為學(xué)報(bào)組織“光子學(xué)與光子器件”專(zhuān)欄。其實(shí)我是誠(chéng)惶誠(chéng)恐，深感才疏學(xué)淺，難擔(dān)重任。但轉(zhuǎn)而思之，這不也是一個(gè)難得的推廣自己的學(xué)術(shù)，和為家鄉(xiāng)教育發(fā)展貢獻(xiàn)自己力量的機(jī)會(huì)嗎，因此以自己在學(xué)術(shù)界的影響，組織了一批微納光學(xué)的研究稿件。本期這幾篇稿件主要涉及PT對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)同相和反相放大調(diào)制器、光子晶體中TE波非互易性傳播特性、光子晶體帶隙特性分析等課題，應(yīng)該體現(xiàn)了目前微納光學(xué)領(lǐng)域較前沿的研究成果，供讀者鑒賞和指正。