1987年春天的一天，Eli Yablonovitch和Sajeev John一起吃了顿他们俩都记忆犹新的午餐。这两位研究人员从未见过面。他们联系的原因是各自向《物理评论快报》提交了一篇基于相同新颖想法的论文——这个想法现在被认为是开创性的。
Yablonovitch是新泽西州红岸贝尔通信研究中心（或称贝尔核心）的一名电气工程师。他已经因其在改进光纤通信主干激光器方面的工作而闻名。John是一位很有前途的理论物理学家；他最近加入了普林斯顿大学的教职员工。当他们在普林斯顿大学餐厅的文明环境中坐下来时，社会生物学上的动态就像两只大狗互相嗅探一样。
“谈话很活跃，”John回忆道。
“会议很活跃，但也有些紧张，”Yablonovitch说。两人都知道他们正在研究一个大项目，尽管他们各自的论文都只做了适度的预测。Yablonovitch说这个想法“有朝一日可能在半导体激光器的研究中发挥作用。”John的论文只说它“可能导致许多有用的设备应用。”这两个结论现在看起来都像是巨大的轻描淡写。如今，世界各地数十个实验室发表了数百篇论文，引用了1987年的那些论文。然而，当时，Yablonovitch和John是孤独的。成为一个孤独的天才可能令人满足。但拥有一个竞争对手可能令人安心：它表明你不是一个疯狂的孤独天才。
两人友好地结束了午餐。他们还就他们的想法达成了一致：它应该被称为光子带隙。他们的想法后来以光子晶体的形式实现，这可能被证明是与半导体一样影响深远的创新。光子晶体具有天然晶体的规则晶格结构。它们看起来有点像笼子，而它们也确实是笼子。它们是捕获光子——以每秒186,000英里速度移动的光粒子——的笼子，就像罐子里的萤火虫一样。
在不吸收光线的情况下阻止它，这只会破坏光线；在保持光线完整和有用的情况下捕获光线——这是一个巧妙的技巧。任何人都可以通过吸收光线来阻止它；我们每个人每秒都会阻止数万亿个光子。诀窍不是杀死光子，而是驯服它们。一旦它们进入笼子，你就可以找到一种方法在需要时释放光线。你可以引导它，使其只在你想要的地方流动。你可以像我们已经控制微芯片或集成电路中的电子一样控制光线。
物理学家Sajeev John（上图）手持一个光子微芯片，他说“互联网是这项技术的最大推动力”。照片拍摄于马克斯·普朗克微结构物理研究所
“我们对半导体所做的一切都将通过光来完成，”开创了光子晶体领域的Eli Yablonovitch说。照片拍摄于马克斯·普朗克微结构物理研究所
微芯片由半导体材料制成，半导体材料的特点是具有带隙。在任何固体材料中，电子只存在于离散的能带中，就像它们在单个原子周围以离散能级轨道运行一样。但在半导体中，原子束缚电子的能带与导电电流的更活跃的电子能带之间存在一个大间隙。正是这个带隙使得控制芯片中的电流流动成为可能。在纯硅晶体中，电子根本无法存在于带隙能量中。但如果你用杂质——例如一些砷离子——掺杂晶体，你就可以注入你想要的移动电子数量。这是集成电路的基本原理。
如果我们能对光子集成电路中的光也这样做，信息流动的速度和容量将比现在快得多。一台以光而非电处理信息的光学计算机每秒可以处理数万亿比特。这比当今最先进计算机中1千兆赫的微处理器快数千倍。而且，早在我们拥有光学计算机之前，光子集成电路就能显著加速互联网。现在，一封电子邮件从你的电脑发出时是电子信号，到达光纤主干线时会转换成光信号——然后它在网络中路由时会多次来回转换。如果网络使用光子微芯片，其速度和容量至少可以增加一百倍。
要制造光芯片，你需要光子版的硅：一种能够捕获光的材料。最近用于此目的的奇异气体（参见下方的“通往量子计算机之路上的红绿灯”）帮助不大：所涉及的设备会充满整个实验室。你可能会认为作为互联网和电话网络骨干的光纤会是很好的选择。毕竟，光线在其玻璃核心中可以被限制数千英里，因为它在玻璃包层上反弹。但是，如果光线以任何比掠射角更陡的角度撞击包层，它就会离开光纤——这意味着它永远无法在微芯片上弯曲的电路中穿行。“你需要一种捕获光线的方法，使其没有逃逸通道，”现在多伦多大学的John说。
当约翰在20世纪80年代初第一次开始思考捕获光线时，光子微芯片的设想还远未进入他的脑海。那时他还是哈佛大学的研究生，正在撰写一篇受普林斯顿大学菲利普·安德森启发而成的论文。在安德森1958年的一篇著名论文中，他展示了电子可以被困在无序材料中——即原子随机排列的材料。如果材料足够无序，电子会频繁地与原子碰撞，以至于它会不断地被弹回到它开始的地方。约翰的论文考虑了是否可以用光子做到这一点。“我只是在问一个关于自然的基本问题，”他说。
他的回答是肯定的，光可以被局域化——但并非易事。直到1997年，欧洲研究人员才成功地在无序材料中捕获了光。佛罗伦萨欧洲非线性光谱实验室的Diederik Wiersma及其同事，以及阿姆斯特丹大学的Ad Lagendijk，使用了一种研磨得极细以至于颗粒小于光波长的砷化镓粉末。他们证明激光束无法穿透一层该粉末，即使该层厚度不到百分之一英寸。光线只是在颗粒之间以循环路径反弹，没有找到出口。这是人类首次捕获光线。但微芯片不能由粉末制成。
到1986年，当约翰加入普林斯顿大学的安德森时，他开始思考是否有可能有一种系统的方法来捕获光。他决定，也许一个有序的晶体会起作用；也许可以为光线建造一个晶体笼。对约翰来说，这仍然是一个纯粹的物理学问题。
Eli Yablonovitch 在贝尔核心的工作不是提出关于自然的基本问题。而是制造更好的激光器。1986 年，从铜缆到光纤电话电缆的转换刚刚开始，能够传输信号而不浪费大量光线的半导体激光器是当务之急。最大的浪费来自一种叫做自发辐射的现象。在激光器核心的半导体层开始发射激光（发出紧密的光子束）之前，它会随机喷射出大量的光子。如果这些光子能够被困在半导体中，它们就会增加激光脉冲，但其中大部分只是从堆栈的侧面喷射出去。“我当时试图制造一个在所有三个维度上都没有泄漏的陷阱，”Yablonovitch 说，他现在在加州大学洛杉矶分校。
布拉格定律晶体的每个平面都会反射一部分光束并透射其余部分。如果平面之间的间距是波长的一半，则反射波会排列并发生相长干涉，从而增强反射。有了足够多的平面，晶体可以反射特定波长的所有光，这就是为什么例如蛋白石会闪烁绿色或红色。
图示：Matt Zang
1986年10月的一天，当Yablonovitch在他的办公室里涂鸦时，“我开始画交叉线，并在所有交叉处加重标记。不知不觉中，我画了一个棋盘。然后我说，‘嗯，我也可以把它画成三维的。’”后来，在思考那个三维棋盘时，Yablonovitch有了一个顿悟。
他意识到，他所画的是一种晶体结构，可能通过干涉捕获光。干涉发生在两个相同波长的光波相遇时。如果它们的波峰对齐，它们就会发生相长干涉：光线增强。如果一个波的波峰与另一个波的波谷对齐，相消干涉就会使光线变暗。
光线穿过晶体，一个接一个地撞击晶格平面，会以一种特殊的方式发生干涉。每个平面反射一部分光，但透射其余部分。现在考虑一下，如果这些平行平面之间的间距恰好等于一个光波峰到相邻波谷的距离——或者说半个波长（参见上图），会发生什么。一个穿过一个平面但被下一个平面反射回来的光波，在再次到达第一个平面时，将比被第一个平面反射的光波多传播一个完整的波长。两个反射波的波峰将对齐——它们也将与从其他平面反射回来的所有波对齐，因为它们每一个都将多传播一个波长的精确倍数。所有这些波将发生相长干涉，增强反射光。有了足够多的平面，晶体可以反射所有撞击它的光，这被称为布拉格反射。
Yablonovitch 看到，如果你能设计一个无论光从哪个方向射入都能布拉格反射的晶体，你就制造了一个陷阱。无论光从外部试图进入晶体的哪个方向，它都会被排斥；无论它试图从晶体内部哪个方向逃逸，它都会被反射回来。这只适用于窄波长范围内的光——一个特定的光子带隙，正如 Yablonovitch 和 John 后来描述的那样。即使对于这些波长，也很难做到：只有当晶格平面的间距在所有方向上大致相同时，才能在所有方向上获得这种关键的干涉。
现在环顾你平坦的房间，问问自己是否可能你与每面墙上的每个点——甚至是一面墙——的距离都完全相同。除非房间是一个球体，否则不可能，对于由平面晶格组成的晶体中的光子来说也不可能。晶体需要由球形壳组成，即便如此，它也只对中心的单个光子起作用。这就是 Yablonovitch 顿悟的全部内容。他看到了哪种晶体结构最接近球形理想——它被称为面心立方。
如何构建更好的光陷阱一种光笼是反蛋白石，它模仿了真实蛋白石的晶格结构。Sajeev John 的研究小组通过将直径几百纳米的玻璃球排列成面心立方体来制造这种光子晶体，这种构型类似于堆叠的橙子。
半导体硅蒸气被插入球体之间。然后用氢氟酸蚀刻掉玻璃。结果：围绕着空气球的半导体晶格。Matt Zang的图示面心立方体是许多天然材料的晶体结构。在一个单位立方体中，每个角和六个面的中心都有原子——因此得名。这是水果摊上堆叠橙子的图案。当你画一个棋盘，然后垂直延伸，黑立方体堆叠在红立方体上，反之亦然，你也会得到这种结构。一个非常普通的结构，但直到Yablonovitch画他的涂鸦之前，没有人认识到它的光捕获潜力。然而，John在差不多同一时间达到了相同的结论，尽管他是通过更数学的方法得出的。当他们在1987年共进午餐时，两人确信他们发现了一个“非常非常好的想法”，正如Yablonovitch所说。但他们的同行并没有立即被说服。“它发展得很慢，”Yablonovitch说。“很多人一开始都不明白。”
那些早期的人们可能已经注意到，Yablonovitch 在制造光子晶体方面遇到了困难。他不能只使用普通的体心立方晶体。可见光的波长在400到700纳米之间，而天然晶体中原子平面之间的距离只有几纳米——远小于半波长。（一纳米是十亿分之一米。）为了反射可见光，光子晶体必须是一种经过设计的、晶体状的结构，由比原子大得多但仍只有几百纳米大小的元素组装而成。
1987年，这很难做到。而且，甚至不清楚应该从哪种原材料开始——只知道结构必须在气穴和某种密度大得多但仍半透明的材料之间交替。材料越致密，它传输光的速度越慢，并且折射或反射光的能力越强。这以材料的折射率来衡量，它只是真空中光速除以材料中光速的商。空气的折射率为1，玻璃为1.5（意味着它传输光的速度是空气的三分之二），硅或砷化镓为3.6。最强的反射发生在两种高度对比的材料之间——例如空气和硅。原则上，由这种材料制成的晶体可以产生足够强的布拉格反射，从而在所有方向上阻挡某些波长带——这是光子带隙的要求——尽管晶体不可能在所有方向上都具有完美的半波长间距。无论如何，这是Yablonovitch的乐观计划。“虽然我有了这个概念，但完全没有证据表明它可以实现，”他说。“也许它需要一百的折射率——嗯，自然界中没有什么东西的折射率是一百！但我们还是做了几个。你猜怎么着？它们不起作用！”
Yablonovitch 甚至没有尝试捕获可见光；为了证明原理，他试图捕获微波，其波长比可见光长100,000倍。他的第一次尝试是一块边长16英寸的有机玻璃，他在上面钻了一堆气孔。后来他给它裱了框；它挂在他在加州大学洛杉矶分校的办公室里。标签上写着：“第一个失败的光子晶体。” 随后又出现了更多失败。“这持续了四年，”Yablonovitch 说。“那时，已经投入了大量的资金、时间和精力。我们靠希望支撑着。” 最终，他得到了爱荷华州立大学理论家 Kai-Ming Ho 的帮助。Ho 和他的同事们计算出，捕获光（或微波）的最佳晶体是一种特殊类型的面心立方体：金刚石。Yablonovitch 通过在一块塑料上钻三组倾斜的柱子来近似它，使这些柱子在内部交叉形成一个交错的气孔网格。
他发现那块塑料在 1991 年能够阻挡来自所有角度的微波：这是第一个三维光子带隙。但它的用途不大——它无法阻挡我们看到的可见光光子，也无法阻挡传输电话和电子邮件的近红外光子。在过去十年中，世界各地的研究人员一直在竞相完成捕获这些光子的任务。
在阿姆斯特丹大学的 Willem Vos 办公室里，白色的霓虹灯正从一套架子鼓上散射开来——那是 Vos 的爱好——架子鼓就放在房间中央。白光也从 Vos 时髦的剃光头上散射开来。但它与 Vos 举起手中的蛋白石的相互作用方式却不同。当 Vos 慢慢转动蛋白石时，它先是闪烁绿色，然后是红色。这些颜色在那些特定的角度无法穿透宝石。“这就是蛋白石的光泽，”Vos 说。“蛋白石的光泽实际上就是布拉格反射。”
图片插画：Jana León
他解释说，蛋白石是一种特殊的晶体，其层不是由原子组成，而是由微小的玻璃珠组成。沿着蛋白石中的某些路径，层间距是绿光波长的一半；当白光从这些方向射入时，蛋白石会反射其绿色成分。在其他方向，间距是红光波长的一半，蛋白石会反射红色。它没有从所有方向反射的波长。它不是一个真正的光笼。自然界中也没有这样的东西。
最近一些最成功的构建这种笼子的尝试并非受到大自然的启发，而是受到微芯片产业的启发，该产业拥有在半导体晶圆上蚀刻图案的精细工艺。基本方法是用半导体“木条”的“木堆”来近似金刚石晶体结构，这些木条以交叉图案堆叠，木条之间留有空气。迄今为止最强劲的结果是京都大学的Susumu Noda及其同事去年报告的：他们的木堆由直径仅0.7微米（一微米是百万分之一米）的砷化镓木条制成，阻挡了他们照射的近红外光的99.99%。
但 Vos 认为未来在于一种不同且更便宜的方法，灵感来自蛋白石。他举起一个装有乳白色液体的玻璃瓶，里面含有直径不到一微米的聚苯乙烯球体。这些球体悬浮在水中，随机散射白光。然而，它们会慢慢从悬浮液中沉淀出来，并在沉淀时像橙子一样堆叠起来：一个面心立方晶体在玻璃瓶底部自行组装。当 Vos 在光线中转动它时，它闪烁着绿色和红色。
一种光子带隙材料会一直闪烁一种颜色，无论入射光的角度如何。为了达到这一点，Vos 需要比聚苯乙烯和水之间更大的折射率对比。一旦他将晶体干燥，他就会用高折射率材料（如砷化镓）填充聚苯乙烯球体之间的空气间隙。然后他加热晶体，使聚苯乙烯蒸发。现在他拥有的是围绕着空气球的半导体晶格：一种“反蛋白石”。
反蛋白石已经在世界各地的实验室中涌现。去年，一个由Sajeev John领导的团队用硅制造了一个。“我们工作的重点是，”John说，“你不需要那些复杂而费力的微影技术，那会花费巨大的费用。你可以通过自组装来完成。”John的团队声称他们的材料在近红外区域显示出“完整的 трёх维光子带隙”。
关于约翰、野田或其他任何人是否建造了一个防漏的光阱，众说纷纭。沃斯认为，真正的证据将出现在有人将微型光源放入光子晶体内部并发现光无法逸出之时。他自己的晶体尚未达到那个地步，但他表示“我们已经近在咫尺。”
对于那些有兴趣创建光子电路的人来说，这已经足够接近了——尤其是考虑到互联网对通信容量永不满足的需求。“这就像半导体物理学的早期，”约翰说。“第一个挑战是：你能否合成具有所需规格的材料？我们现在才刚刚克服这个瓶颈。这就是为什么这个领域正在爆炸式发展。”
从技术上讲，没有人需要一个完美的光子晶体。一个完美的晶体将是一个黑暗而空旷的笼子，从外面锁着。正如半导体必须掺杂杂质才能使其有用一样，光子晶体也将掺杂精心选择的缺陷——晶体栅栏中的裂缝，只允许禁止波长的光在这些点穿透。一个单一的缺陷允许光进入笼子；一系列缺陷可以引导光一旦进入就在里面传播。“你创造了一种材料，在这种材料中你消除了所有光的路径，”约翰解释说，“然后你通过引入缺陷，选择性地放入你想要的路径。你基本上是在为光写入一条电路路径。”
光笼下图显微照片显示的是一个反蛋白石的模板。在此横截面图中，可见玻璃球的排列，每个玻璃球直径为几百纳米。添加硅以生产光子晶体。
由马德里材料科学研究所 (cisc) 提供 (2)
一个实用的光子晶体可能在另一方面不完美：它可能只在二维方向上具有带隙。二维光子晶体是一种附着在基底上的薄半导体薄膜，并被规则排列的孔洞穿透。来自孔洞的布拉格反射阻止光在薄膜内部水平方向漫射；周围空气的普通反射阻止大部分光在第三个垂直方向逸出。如果你堵住其中一个孔洞，你就创建了一个捕光缺陷，光子可以在其中来回振荡并刺激原子发射更多光子——一个激光器的核心。加州理工学院由Axel Scherer领导的团队最近利用这种效应创造了世界上最小的激光器，直径仅几百纳米。它在近红外波段辐射，类似它的一种设备有朝一日可能会在光子电路中发挥作用。
如果你不仅仅堵住一个孔，而是堵住你的二维晶体中的一排孔，你就创建了一个波导，它可以引导光线，甚至可以绕过锐角。如果你再将波导一侧的一个孔扩大一定量，你就为特定波长的光创造了一个逃逸路径；京都的野田研究小组去年展示了这种效应。他们展示了，通过一系列扩大不同量的孔，你就拥有了一个设备的基本原理，它可以将数百个同时通过光纤传输的、每个都编码为不同波长的单独对话进行分类。目前，这是通过大型设备完成的，这些设备首先将所有光信号转换为电子信号。
通过缩小通信设备的尺寸，光子晶体将使其更便宜。“所有电信网络的基本组件都将受到影响，”约翰说。
这甚至包括主干网——长距离光纤。它们无法拐急弯并不是唯一的限制；更大的问题是玻璃会对光线产生不良影响。它会吸收光线，削弱信号；它会在单个脉冲中分散不同波长，导致脉冲扩散并与相邻脉冲重叠。电话公司花费大量资金来纠正这些问题——例如，每隔约50英里沿电缆安装放大器，甚至在海底。
但如果光线能通过空气，沿着中空光纤传输，问题就会迎刃而解。这就是光子带隙光纤的承诺。英国巴斯大学的菲利普·拉塞尔及其同事制造了一种中空光纤，其壁由数百根玻璃毛细管组成，像太妃糖一样被拉伸得又长又细。毛细管中微小的气孔形成了一种晶体图案，通过布拉格反射将光线限制在中空纤芯中。麻省理工学院的一个团队尝试了另一种方法：一种同轴光纤，光线在两个同心、布拉格反射圆柱体之间的空气空间中传播。这两种方法都有可能传输更高功率、更宽波段的光线，从而显著提高光纤的容量。这样你就可以将公众从互联网交通拥堵中解救出来。
就像1960年没有人能预料到半导体如今的普及程度一样，现在也很难预见光子带隙材料最终可能被用于哪些方面。
图片插画：Jana León
十四年前，Yablonovitch 和 John 共进午餐，并为一个物理学研究领域命名；现在他们正在为公司命名，而这次他们不再孤单。Yablonovitch 的初创公司 Ethertronics 将利用光子晶体来重定向手机发送和接收的微波，使其更高效。Philip Russell 表示，尽管他的心在学术界，但他迫于对他的光子晶体光纤的巨大兴趣，被迫创立了一家公司；它名为 Blaze Photonics。“这个领域最令人着迷的事情之一，”Russell 的竞争对手、麻省理工学院的 Yoel Fink 说，“是基础研究和商业化之间存在一个封闭而短暂的循环。”Fink 的公司名为 OmniGuide Communications。“现在开公司真的很流行，”为通信巨头 NEC 工作的研究员 David Norris 说，“因为人们看到他们可以，第一，个人变得非常富有，第二，推进他们的研究。”
约翰也正在创办自己的公司。他希望在两三年内生产各种电信设备，并最终进入光计算领域。“我认为我们可以在这个领域成为一个大玩家，”他说。但他最近才想出一个名字：KeraLight Technologies。“给一家光子学公司起名字很难，”约翰说，“任何包含‘光子’的名称可能都已经被注册了。”
通往量子计算机之路上的红绿灯
今年一月，哈佛大学的两个物理学家团队证明，捕获光束的方法不止一种。这两个团队独立工作，首次将光线困在原子云中，使其从每秒186,000英里的正常速度减速到完全停止。这项工作有朝一日可能为超快且无法被破解的量子计算机铺平道路。
哈佛-史密森天体物理中心物理学家罗纳德·沃斯沃斯及其同事用一个装在小型玻璃容器中的温热铷原子蒸气制造了他们的光阱。（哈佛大学物理学家莱内·豪和她的团队使用了超冷钠原子。）通常情况下，铷原子会像沥青一样吸收光线。沃斯沃斯团队用一束控制光束照射它们，使铷蒸气变得透明。控制光束还使原子准备好与单个光子耦合。接下来，处理过的原子被第二束20毫秒长的光脉冲照射。该脉冲中的光子与铷原子连接，脉冲速度急剧减慢。第二束光束安全地嵌套在玻璃容器中后，控制光束被关闭。铷气不再透明；光信号被困住了。它似乎消失了。
Walsworth和他的团队随后能够重新激活光脉冲。通过量子力学的一个奇特之处，脉冲的信息以“自旋态”的形式被印刻到气体原子中。当控制光束重新开启时，这些信息被原子释放，并转化回原始的光脉冲。“光与物质之间的这种耦合正是构建量子计算机所需的，”Walsworth说。当然，他补充道，“我们很长时间都不知道这一切是否真的能实现。”—— Kathy A. Svitil
Sajeev John和Eli Yablonovitch，作为这一领域的开创性科学家，各自拥有广泛的网站。Yablonovitch的页面是www.ee.ucla.edu/labs/photon；John的可以在www.physics.utoronto.ca/~john找到。
研究员 Philip Russell 也有一个网站，jdj.mit.edu/photons/index.html，Willem Vos 也有：www.thephotonicbandgaps.com。Nature 最近发表了几篇关于光子物理学的文章，包括 John 在第 405 卷（2000 年 5 月 25 日，第 437 页）的信件和 Yablonovitch 在第 401 卷（1999 年 10 月 7 日，第 539 页）的文章。
有关侧栏中描述的阻止光子的替代方法的更多信息：“原子蒸汽中光的存储”，D. F. Phillips、A. Fleischhauer、A. Mair、R. L. Walsworth 和 M. D. Lukin，《物理评论快报》，第 86 卷，第 5 期，2001 年 1 月 29 日，第 783-786 页。“使用停滞光脉冲观察原子介质中相干光学信息存储”，Chien Liu、Zachary Dutton、Cyrus H. Behroozi 和 Lene Vestergaard Hau，《自然》，第 409 卷，2001 年 1 月 25 日，第 490-493 页。另请访问 Walsworth 研究组的网站：cfa-www.harvard.edu/Walsworth。
