光子晶体：全球研究主要集中在美国和日本

本文刊载于《科学观察》2006年第1卷第5期P24-P29。

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光子晶体被认为是未来的半导体，对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。如果能够突破光子晶体制备的瓶颈，光子晶体将在高性能反射镜、波导、光学微腔、光纤等光学及光电器件上显示其优势，同时在隐身材料等国防科技上也将有非常重要的应用前景。

具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子带隙”或“光子禁带”。光子晶体的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。目前光子晶体研究基本内容主要是三维光子晶体的制造，尤其是通过引入可控制的点缺陷或线缺陷，实现对光波的操控以及相关理论研究和应用探索。

三维光子晶体的制备，尤其是具有足够小的周期结构的光子晶体的制备一直是光子晶体研究的关键课题。目前光子晶体的制备方法主要包括介质棒堆积、精密机械加工法、半导体微纳米制造法以及胶体晶体自组装法等。寻找一种制作简易、组成单元维度低结构的制备方法一直是科学家追求的目标。点缺陷或线缺陷所带来的杂质态，有导引光波的可能，因而引入可控制的点缺陷或线缺陷，是光子晶体相关领域的重要研究课题。由于实验上制作光子晶体较为困难，理论方面的模拟计算就显得格外重要。因此各种计算光子能带、透射频谱及电磁场传递的方法研究也是光子晶体的重要研究领域。由于光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学及光电器件，因此将光子晶体用于波导、光学微腔、光纤、低阈值激光发射器等领域的应用研究一直是光子晶体研究的热点。然而要获得实际应用，尚需要有效地解决以下问题：新的光子晶体制备方法的开发，能在光波长区域内构造完全的光子禁带；能够在光子晶体的任意位置引入任意的缺陷态；如何将电流和电压加到光子晶体上，使晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换，成为可调节的光子晶体。

由于光子晶体对于光的可操控性，以及光子有着电子所没有的优势：速度更快，没有相互作用等，光子晶体被认为是未来的半导体，对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。如果能够突破光子晶体制备的瓶颈，光子晶体将在高性能反射镜、波导、光学微腔、光纤等光学及光电器件上显示其显著的优势，同时在隐身材料等国防科技上也将有非常重要的应用前景。

1994—2003年，光子晶体领域的SCI论文共计4 129篇。从该领域SCI论文的年代分布来看呈现从少到多、逐年增长的发展态势。2003年的论文数量是1994年的12倍多（见图1）。在10年的全部论文中，共涉及58个国家和地区，而论文数量最多的TOP20国占了全部论文的92.8%，可见，光子晶体领域的研究工作主要集中在TOP20国。(www.xing528.com)

美国和日本两国是光子晶体领域的超级强国，两国的论文数量占了世界总量34.8%。近10年来，美国和日本在该领域的领先地位坚如磐石。自2001年起，中国脱颖而出，2003 年跃居世界第3位，仅次于美国和日本（见表7）。

在TOP20国中，中国是发展势头最为强劲的国家。将10年的数据分成前后两个5年期进行观察，中国的论文数量，从前一个5年期的世界第7名上升至第二个5年期的世界第3名。1994年中国在光子晶体领域仅有6 篇论文，到2003年达到138篇论文，为当年世界排名第3（见表7）。中国的论文被引频次，从前一个5年期的世界第9名上升至第二个5 年期的世界第7名。1994 年中国在光子晶体领域的论文被引频次排名世界第16位，到2003 年跃居世界第5位（见表8）。数据表明，最近5年是中国光子晶体研究工作的高速发展时期。

将中国论文的篇均引文指标和世界TOP10%引文基准线进行比较，中国还存在一定的差距。1994年—2003年，达到世界TOP10%引文基准线的中国论文数量微乎其微，远不如美国、日本和德国（见表1）。在篇均引文指标上，中国与世界平均水平相去甚远，落后于美国、英国、德国科技三强（见表2）。1996年和1998年中国出现了一些亮点工作，该指标有了明显的提高，甚至在1998 年超过了日本、法国（见图3）。

意大利、韩国、丹麦在光子晶体领域的发展也很强劲。三国的论文数量在1994年均为空白，到2003年分别跃居世界第8、11 和12名。比较前后两个5 年期的被引频次数量，三个国家的世界排名也有大幅度的提升（见表7、表8）。

从光子晶体领域SCI论文数量的世界TOP10科研院所的分布来看，俄罗斯实力非凡，其中莫斯科大学和俄罗斯科学院名列前茅。美国和日本也颇具实力，各有2所大学入围TOP10机构。此外，在机构被引频次的世界排名中，美国有5个科研院所入围TOP10，其中，麻省理工学院位居世界机构被引频次首位，日本的京都大学位于第5名（见表3、表4）。中国机构在论文数量和引文数量上与世界一流机构还有相当大的距离。