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研究光子晶体带隙有用途:1. 与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光;2. 与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用3. 光子晶体光纤应用随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。4. 狄拉克锥在光子晶体中的实现
导读
背景
与使用电力的传统电路相比，光子集成电路使用光线取代电力进行计算和信号处理，具有更快的速度、更大的带宽、更高的效率。
但是它们的尺寸还不够小，无法与在电气电路继续占主导地位的计算以及其他应用进行竞争。
创新
罗切斯特大学的电气工程师认为，他们在解决这个问题上迈出了重要一步。该校团队采用光子学研究人员普遍采用的材料，创造出迄今为止最小的电光调制器。该调制器是基于光子学的芯片的关键组件之一，控制光线如何通过电路。
下面的示意图展示了电气与计算机工程系教授林强（音译：Qiang Lin）教授实验室开发的电光调制器。
在《自然·通讯》（ NatureCommunications ）中，林教授实验室描述了采用粘合在二氧化硅层上的铌酸锂（LN）薄膜，不仅可以制造出最小的LN调制器，而且它还可以高速运行并且节能。
这篇论文的领导作者、林教授实验室的研究生李明晓（音译：Mingxiao Li）写道：“这为实现大规模的LN光子集成电路奠定了至关重要的基础，而LN光子集成电路对于数据通信、微波光子学以及量子光子学中的广泛应用具有极其重要的意义。”
技术
林教授表示，由于铌酸锂具有出色的电光和非线性光学特性，它已经“成为光子学研究和开发的主打材料系统”。“然而，目前在块状晶体或薄膜平台上制造的LN光子器件都需要较大的尺寸，并且难以按比例缩小尺寸，这样就限制了调制效率、能耗以及电路集成度。主要挑战在于打造高精度、高质量的纳米光子结构。”
该调制器项目建立在实验室之前使用铌酸锂创造光子纳米腔（光子芯片中的另一个关键组件）的基础上。林教授表示，纳米腔只有大约一微米的大小，只能在室温下使用两到三个光子来调谐波长，“我们第一次知道甚至有两到三个光子已经在室温下以这种方式被操纵过”。《光学设计》（Optica）杂志上的一篇论文对该设备进行了描述。
这款调制器可以配合纳米腔使用，创造出纳米级的光子芯片。
关键词
参考资料
【1】Mingxiao Li, Jingwei Ling, Yang He, Usman A. Javid, Shixin Xue, Qiang Lin. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17950-7
【2】
魏立柱;王卓;;基于FDTD的区域电磁场分析[A];第17届全国电磁兼容学术会议论文集[C];2007年 李童;;Matlab与电磁场算法FDTD[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集（上）[C];2006年 孟萃;陈雨生;程建平;刘以农;;瞬态电磁场对双层圆柱腔体耦合效应的三维FDTD数值模拟[A];第十三届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（下册）[C];2006年
研究光子晶体带隙有用途:1. 与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光;2. 与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用3. 光子晶体光纤应用随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。4. 狄拉克锥在光子晶体中的实现
拓扑光子学 开始于拓扑边缘态作为鲁棒波导的发现，而另一种最常用的光学元件--光腔也可以利用拓扑缺陷态做出性能上的独特创新。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L01组陆凌研究员等人的团队，理论提出并且实验证实了一种全新的 拓扑光子晶体微腔 —— 狄拉克涡旋腔 ， 不但可以支持任意简并度的腔模 ， 而且是目前已知光腔中, 大面积单模性最好的 。这个拓扑光腔填补了半导体激光器在选模腔体设计上的空白，为下一代高亮度单模面发射器件提供了符合商用激光器 历史 规律的新发展方向，对激光雷达和激光加工等技术有潜在的积极意义。此项工作也是对拓扑物理应用出口的一次 探索 ，相关研究成果以“Dirac-vortex topological cavities”为题于2020年10月19日在线发表在Nature Nanotechnology杂志网站上（）， 相关专利也已获得授权。
半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、波长范围广、易于集成和调制等优点被广泛应用于通信、加工、医疗和军事等领域。 其中单模器件因为其最理想的线宽和光束质量 ， 成为众多应用的首选 ， 而单模工作的关键是选模 ， 依靠的都是光子晶体结构 （图一）。比如整个光纤互联网络的光源是分布式反馈激光器（Distributed Feedback: DFB，图1左上），早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但是因为有两个带边模式相互竞争，导致单模输出不够稳定。教科书般的解决方案是引入一个缺陷（四分之一波长的相移，图1右上），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，保证了稳定单模工作。此外，现在广泛使用于近距离通讯、光电鼠标、激光打印机和人脸识别中的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL）的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而由于上述两种主流产品都是采用一维光子晶体来选模的，所以在其他两个没有周期结构的方向就因为没有选模机制而无法在尺寸上超过波长量级，否则就会多模激射。器件尺寸上不去，单模功率也就遇到了瓶颈。 一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构 ，而二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers: PCSEL，图1左下）的产品也已经在2017年由日本滨松公司成功推出，具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等多方面优势，但PCSEL也至少有两个高品质因子(Q)的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样， 设计出鲁棒的二维带间缺陷模式 ， 有可能成为未来高功率单模激光器的主流方向 。
物理所的研究团队运用拓扑原理设计出了具有二维带间缺陷模式的光腔 。团队首先意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，与很多熟知的一维拓扑模型相等价，包括Shockely, Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的质量涡旋解，并且原则上可以在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。团队通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出了这种拓扑光腔，并且实验上在硅晶片(SOI)上和光通信波段（1550nm）实现了这种狄拉克涡旋腔（图1右下）。 该腔可实现带间单模 、 任意多简并模式 、 最大的自由光谱范围 、 小远场发散角 、 矢量光场输出 、 模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等优良特性 。
最佳的大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的最独特优势 ，大面积单模性有利于提高单模激光器的功率和稳定性。市场对于功率的需求永远在增长，已有产品在单模能量输出上已经达到瓶颈，需要新的思路。而且高功率和单模本身就是一对矛盾，因为高功率需要大面积的光腔，而模式数量必然随着光腔的尺寸增加，让单模工作更加难以稳定维持，现在狄拉克涡旋腔的出现就是一个潜在的新技术路线。光腔的单模性可以用自由光谱范围（Free Spectral Range: FSR）来表征，之前已知所有光腔的模式间距（FSR）都和模式体积成反比（V -1 ），所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比（V -1/2 ，图1右下），所以在同等模式体积下FSR远超普通光腔（大一到两个数量级）。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数，模式等间距排布；而狄拉克点频率处的光子态密度等于零，两边的模式间距（FSR）最大化（图2左）。
任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个独特的地方 ，因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number: w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都是接近频率简并的，图2右展示了w=+1,+2,+3的实验光谱。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。
论文的通讯作者为物理所陆凌研究员，共同第一作者为南开大学与物理所联合培养的博士生高晓梅（现为物理所博士后）和物理所博士生杨乐臣，其他作者为物理所博士生林浩、南开大学本科生张琅（现为耶鲁大学博士生）、清华大学高等研究院汪忠研究员、北京理工大学物理学院李家方教授（原物理所副研究员）和南开大学物理科学学院薄方教授，拓扑微腔的样品制备在中科院物理所微加工实验室完成，物理所博士后李广睿参与了工作的后期讨论。该工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0303800, 2016YFA0302400），国家自然科学基金 (11721404)，中科院先导专项(XDB33000000)和北京市自然科学基金 (Z200008)等项目的支持。
首先说点原理吧，以便讲应用时候你很好理解，这些是我课题论文里面内容：当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构光子晶体。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。l通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。 而如果沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着“光子导线”（即缺陷条纹）传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。从原理可以看出，利用光子晶体带隙我们可以控制光，试想一下能控制光是什么概念？应用：光子晶体波导：利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在PBG中形成新的光子态，而在缺陷模周围光子态密度为零。因此，光子晶体波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄漏，基于这种优异的光子局域化特性，可实现光波导的任意弯曲，从而大大减少集成光学器件的体积，实现光路芯片化。也就是说，弯曲损耗不存在。 光子晶体光纤：类似于单模光纤。利用光子晶体所具有的光子频率禁带特性，将特定频率的光波强烈地束缚在纤芯内进行传导，光纤弯曲或折叠状态对光波的影响非常小，几乎在所有的传播波长处都能够保持单模运转，且其零色散波长从传统光纤的红外波段移到了可见光波段，可将光通信波段从1.3~1.6um扩展到整个可见光波段。另外，光子晶体光纤具有极强的非线性效应，在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下就可产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光。光子晶体超棱镜：光子晶体超棱镜的体积只有常规棱镜的1%左右，但其色散能力比常规棱镜强100~1000倍。对波长相近的光，常规棱镜几乎无法分辨，但光子晶体棱镜却很容易实现。例如，对波长为1.0um和0.9um的两束光，常规棱镜无法将它们分开，但光子晶体超棱镜可将它们分开到60°左右。该特性在光通信信息处理中具有重要的意义。光子晶体反射镜：由于光子晶体光子频率禁带范围内不允许光子存在，当一束在此光子频率禁带范围内的光入射到光子晶体中时将被全反射。利用这一原理可以制备高品质的反射镜。特别是在短波长区域，金属对光波的损耗很大，而介质对光波的吸收损耗非常小，因此，介质材料光子晶体反射镜具有极小的损耗。另外，由于金属反射镜对光波的吸收集中于极薄的表层内，这使表层温度很高，容易造成金属反射镜表层变形，使其质量严重下降。光子晶体反射镜对光波的吸收分布在较大的体积内，光子晶体反射面的温度比金属反射面的温度要低得多，这使光子晶体反射镜的表面不容易烧坏。当然还有光子晶体微带天线等。就不一一赘述了，我想楼主应该大致了解它的应用了吧。
人工晶体学报 [1000-985X] 本刊收录在： Ei Compendex (2010年)本刊收录在： Ei Compendex (2011年)本刊收录在： Ei Compendex (2013年)本刊收录在： 中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊(2009-2010)提示: CSCD核心库(C)本刊收录在： 中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊库(2013-2014)提示: CSCD核心库(C)本刊收录在： 中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊核心库(2011-2012)本刊收录在： 中国科技期刊引证报告(2010年版)提示: 《引证报告》2010年版影响因子:0.278本刊收录在： 中国科技期刊引证报告(2011年版)提示: 《引证报告》2011年版影响因子:0.602本刊收录在： 中国科技期刊引证报告(2012年版)本刊收录在： 中国科技期刊引证报告(2013年版)提示: 《引证报告》2013年版影响因子:0.661本刊收录在： 中文核心期刊要目总览(2008年版)提示: 排序：化学、晶体学 - 第23位本刊收录在： 中文核心期刊要目总览(2011年版)提示: 排序：化学，晶体学类 - 第22位主题分类：Chemistry: CrystallographyChemistry: General and OthersChemistry: SynthesisO6,O7：化学，晶体学: O6,O7：化学，晶体学
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《人工晶体学报》现为中文核心期刊、EI核心期刊，2011年中国期刊引证报告（核心版）发布的影响因子为0.602，清华知网发布的影响因子为0.880.
《人工晶体学报》现为中文核心期刊、EI核心期刊，2011年中国期刊引证报告（核心版）发布的影响因子为0.602，清华知网发布的影响因子为0.880.《人工晶体学报》从2012年3月份起，将按照电子邮件投稿进行登记分发稿件，但同时作者仍需将打印稿和投稿报审表寄出，审稿周期将基本保持在1个月，通过评审的稿件将在6个月内刊发，欢迎大家投稿。
【晶体缺陷对材料性能的影响】晶体缺陷的存在对材料的性质会产生明显的影响。实际晶体或多或少都有缺陷。适量的某些点缺陷的存在可以大大增强半导体材料的导电性和发光材料的发光性，起到有益的作用；而位错等缺陷的存在，会使材料易于断裂，比近于没有晶格缺陷的晶体的抗拉强度，降低至几十分之一。【晶体缺陷】在理想完整的晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。分为：点缺陷、线缺陷（位错）、面缺陷、体缺陷四种。
晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。 点缺陷：是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原子 空位是指未被原子所占有的晶格结点。间隙原子是处在晶格间隙中的多余原子。点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。使材料的强度、硬度和电阻率增加。所以金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。 线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。属于这类缺陷主要是位错。什么是位错呢？ 位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。通常是指晶界和亚晶界。 缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，表面化学活性，化学能等等。总之影响非常大，但是如果合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能，比如人工在半导体材料中进行掺杂，形成空穴，可以极大地提高半导体材料的性能。
晶体缺陷:类型有点、线、面。通常工业上应用的多晶体材料通过增加缺陷数目都可以提高材料的机械性能。比如加入合金元素形成固溶体可以产生固溶强化，提高强度，这主要是增加了点缺陷造成的；金属经过冷加工变形也可以提高强度，这是通过增加线缺陷--位错数目来实现的；金属通过细化晶粒提高强度的原因：增加了面缺陷：晶界的数目。