1.微波领域中的应用
　　
      微波天线

      光子晶体的一个实际应用是在微波天线方面。微波天线在军事及民用方面都有很多可以发挥的领域。如卫星电视、雷达探测等等都要广泛利用。然而传统的微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致大量的能量被天线基底所吸收，因而效率很低。

      例如，对一般用GaAs（钙、砷）介质作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底中，只有2％的能量被发射出去，同时造成基底的发热。但是光子晶 体的发现给此领域带来了福音。如针对某微波频段可设计出需要的光子晶体，并让该光子晶体作为天线的基片。因为此微波波段落在光子晶体的禁带中，因此基底不 会吸收微波，这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。

      第一个以光子晶体为基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功。
　　
      手机的辐射防护

      手机是一个小型的、但能量极强的电磁波发生器，其工作频率在890MHz—965MHz，辐射出的电磁波对人 体细胞具有极强的致畸作用。手机在使用过程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。长期、高频率使用手机，会造成正常脑的支持细胞——胶质细胞DNA分子链的 电离损害，导致DNA碱基分子链的断裂，引起细胞的癌变。在—般情况下，人体内正常的免疫监控系统，能及时识别和清除这些畸变的细胞。但这种损害长期、反 复地发生，身体也就周而复始地进行这种畸变与抗畸变的过程，在体内的监控系统“疲劳”时，失去了对畸变细胞的修复或清除能力，肿瘤就会发生。

      利用光子晶体可以抑制某种频率的微波传播的原理，可以在手机的天线部位制造维播放护罩，从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用户的头部。这种技术 目前还没有成熟，但是至少有一个美好的前景。需要提到的是，同样可以用来作为手机辐射防护的还有纳米技术，但是也没有成熟的技术可以直接应用。

      2.电子计算机中的应用

      自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速 度在同时期随之翻番，价格减半。然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几年内保持持续的增长，但总体的增长速度必将逐渐的走向平缓，直至计算机速 度达到目前的极限，无法继续增长。

      我们现在可以轻松买到运行在1G Hz（109 Hz）的个人电脑，这确实让人感觉很兴奋。然而可否想过100G Hz的电脑走上您的书桌呢？实际上，根据我们目前对半导体技术（现在计算机芯片技术的根本）的所知，即使仅仅想实现10G Hz的速度已经很困难。但是，假若用光线来代替半导体中的电子来传递信号，则可以让生产百亿Hz（1012 Hz）的个人电脑成为可能。研究人员目前相信，如今看来可以成为可怕的这种高速的处理器可以用被称之为“光子晶体”（quasicrystal）的物质所产生的光成分实现。这些材料均具有高度的周期性结构，这种周期性可以用来控制和操纵光波的产生和传播。

      目前的电脑依靠半导体晶体来控制数百万的电子信号，然而用光子来控制电子信号的电脑将比目前的电脑速度快得多，效率也高得多。目前人们是依靠电子来实现 微电子技术革命，今后则将依靠光子来继续这场革命，这就需要能捕获和控制光传播方式的光子晶体之类的新材料。而光子晶体正是可以胜任这种工作的材料。
　　电脑CPU芯片

      传统芯片技术的局限性：

      尽管现在的CPU速度提升幅度之大、之快实在前所未有，但从体系 结构上来看，其变化还是比不上从486到奔腾的飞跃。奔腾相对486来说，最最重要的是引入了指令流水线的概念，指令得到了精简，执行效率更高。而奔腾以 后的处理器，除了多了几条专用指令以及集成二级缓存之外，更多的优势来自于制造工艺的进步，使得处理器速度节节攀升。

      让我们先来简单 描述一下CPU的工作流程。CPU完成一条指令，大致可分为四个步骤：从内存中提取数据，翻译或者解释指令，按照指令对数据进行操作，把操作结果返回到内 存中。这一系列的过程，被称为一个指令周期。CPU的频率越高，指令周期就越短，CPU单位时间内处理的指令就越多。但是，我们能够无限制的提高CPU的 频率吗？你可以看到，CPU完成一条指令的过程还是相当复杂的。要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，这就必须要求更好的设计方法和制造技 术，减少电信号在各个微电子元件的延迟时间。这就要求减小微电子元件体积，缩短它们之间的距离，提高集成规模。但是元件缩小到一定程度后就很难再有大的 突，而且，超大规模的集成电路，其电子元件的发热量将十分惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。可以说，在目前这种情况 下，这种方法已经没有多大的发挥余地了。

      这也正是目前预测常规半导体技术只能支持10G Hz左右的运算速度的原因。然而光子晶体就可以避免这个问题，其实从目前的光纤技术（注意：光纤利用的是光的全反射，而非光子晶体技术）和普通电缆传输数 据的网络系统比较就可以看出，光传播数据相对电子传播数据的优势所在。其速度上可以有本质上的提升。故此现在关于这方面的研究是一个很热门的领域。
　　
      网络方面的应用

      光纤网络是目前速度最快的通讯方式，而光纤是由纤芯和包层两种光学性能不同的介质构成。内部的介质对光的折射 率比环绕它的介质的折射率高。由物理学可知，在两种介质的界面上，当光从折射率高的一侧射入折射率高的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射 现象，能量将不受损失。这一点很类似光子晶体通过带隙（Bandgap）防止能量损失一样，是光纤传输数据的优势所在。
 
      然而传统光纤 的缺点是不同波长的光穿过光纤纤芯的速度也不同。考虑长距传输时，在信号中就将出现时间延迟，所以信号就需要在不同的波长编码。这种现象叫做延迟——光纤 纤芯越粗延迟越厉害，因为光将沿不同的路径或“模式”通过纤维。通过这样的纤维的一个光脉冲变宽，必将限制能精确接收的数据率。

      解决的方法还有一种就是采用单模光纤，即尽量减少光纤纤芯的直径，从而可以只允许一个模式的光路通过，从而避免上述问题。但同时成本将大大提高。

      除此以外，传统光纤的损耗也是需要考虑的问题。

      而光子晶体制作的新型光纤在这些方面都有显著的优势。光子晶体带隙保证了能量的基本完全无损失，而且不会出现延迟等影响数据传输率的现象。英国Bath 大学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结从而形成直径约 40微米的蜂窝结构亚微米空气孔。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道，与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔 中而非氧化硅中，可导波的范围很大，从而增加数据传输量。

      如图是目前英国斯温顿Bath大学的实验性光子晶体光纤实物图和传输效果图。

      除了对于光纤本身的改进以外，光纤通信必须要用到的发光二极管（LED）等光学元件也都可以用光子晶体来进行更大幅度的改进。

      相信在本个世纪内，我们一定可以用上高速的光子计算机和快速便捷的光子通信设施。

      3.光电元件中的应用
　　
      低阈值激光发射器

      由光电发射材料制作的光子晶体，例如III-V 型半导体和涂上稀土元素的玻璃，也可以用来发射很纯的激光，从而可以与光通讯系统中其它组件一起很好的工作。在光子晶体晶格中引入一些或稍小或稍大于晶格中其它空气空穴的空穴就可以生成光子带隙中的缺陷模式——前面简单提到过。

      当材料可以发射很宽范围内的光（如白光也就是混合光）的时候，只有符合缺陷模式要求的波长的光波可以在该材料中自由穿梭而被扩增。在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而形成一个激光发射腔。被选择的光不断被连续反射从而频繁穿梭于光子晶体中间，故此强度不断被集中而增强。同时，其它波长的光被光子晶体内部吸收而无法继续增大。这意味着可以简单得到很窄波长范围内的激光发射器。而这个波长还可以通过使用特殊的几何学的光子晶体晶格来进行选择。

      这种激光发射器要比普通半导体二极管激光腔能够更有效的“捕获”光——因为相对于普通半导体来说，它有更少的方向让光子从中逃逸。

      由于光子晶体带隙可以作为光子捕获器，所以它们还可以有效的提高普通发光二极管的发射效率，而对于光纤的数据传输来说，更是至关紧要的。因为光纤就是要靠发光二极管（LED）来提供光源！

      此外，光电效应的效率增长，意味着显微孔隙二极管和光子晶体激光要比传统的设备具有更快速的转换速率，而这正是高速数据传输和高效利用能量的关键。实际上，这些设备的研发是光电子学领域热门的课题。
　　
      光子晶体波导

      传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量。理论计算表明，光子晶体波导可以改变这种情况。光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率，最近的实验证实了理论预言。
　　
      光子晶体超棱镜

      常规的棱镜的对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000 倍，体积只有常规的百分之一大小。如对波长为1.0微米和0.9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到 60度。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。
　　
      光子晶体偏振器

      常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较大，不容易实现光学集成。最近，我们发现 可以用二维光子晶体来制作偏振器。这种光子晶体偏振器有传统的偏振器所没有的优点：可以在很大的频率范围工作，体积很小，很容易在Si片上集成或直接在 Si基上制成。

      4.未来展望

      预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。

      而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今“视顶盒”类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。

      在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体“二极管”和“晶体管”；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位； 在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体 薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。

      如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。