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始於二十世紀中葉的微電子革命，帶來了積體電路、晶片、電腦、移動電話這些連小學生都耳熟能詳的東西，深刻地改變了人類從生活到科技的方方面面，使人類進入了資訊時代，其核心就基於能操縱電子流動的半導體材料。

新穎光電技術—光子晶體

操控光的流動一直是人類的夢想。可以預測，這一目標一旦實現，對人類帶來的影響必將不亞於微電子革命。一個重要的原因是作為資訊載體，光子擁有電子所沒有的優勢，即速度快、帶寬大、相互間幾乎沒有影響。

受半導體中電子傳播特性的啟發，美國科學家亞伯龍諾維其（Eli Yablonovitch, 1946~）和加拿大科學家約翰（Sajeev John, 1957~）在二十世紀八十年代末分別獨立提出了光子晶體（photonic crystal）這一新概念。即將兩種或以上的光學材料，按照某種空間結構作週期性地排列。與電子在半導體中傳播的情形相似，光子在光子晶體中的傳播行為，也將會受到人為引入的週期性空間結構所改變，表現出與體塊材料完全不同的特性，形成與半導體中電子能帶結構類似的光子能帶結構（photonic band structure）。在光子能帶結構中，頻率落在光子能帶中的光波，可以在光子晶體中傳輸。光子能帶之間有可能沒有交疊，即出現所謂的光子帶隙（photonic band gap）。頻率落在光子帶隙中的光波是無法在光子晶體中傳播的。由於光子帶隙之特性類似與半導體中的電子帶隙，因而光子晶體有時也被形象地稱為光半導體。倘若在光子晶體中引入缺陷通道，即可形成類似於電子線路（亦即運動路徑）的光子線路，那麼光就會沿著預先設定的通道傳播，進而達到如願操控光束傳播運動的目的。

由於其優異的光學特性，用光子晶體可以製作光子集成（integrated）光路、光子晶片，以及全新原理的高性能光子器件。在資訊科技等領域中，它顯現出重要的應用前景。例如，用光子晶體器件來替代傳統的電子器件，資訊處理的速度將會快得無法想像。自從提出光子晶體器件以來，它們受到國際科技界的高度重視，投入了很大的力量，進行科學研究和技術開發，已經形成一門蓬勃發展的新學科。

圖一：在半導體矽上刻蝕週期小孔陣列形成的光子晶體，小孔直徑約為250奈米。光通信波段1.55微米的光在小孔陣列中不能傳播，將沿著人為設計的通道傳播。（圖片來源：中國科學院物理所李志遠教授提供）

天然的光子晶體

事實上，自然界早就存在著光子晶體。蛋白石（opal）是一種產於澳洲的彩色寶石，它是由150~300 奈米的透明二氧化矽小球、週期性密堆排列而成的光子晶體。當自然光照射到蛋白石時，其中某些顏色的光能透過，而有些顏色的光則被強烈地反射。這些光入射到我們的眼睛時，就會顯現出絢麗的七彩。大自然處在地質成礦階段時，這種鬼斧神工居然也被一些昆蟲在漫長的物種演化時習得了。科學家發現某些象鼻蟲（weevil）的鞘翅展現出明亮的色彩，就是來源於鞘翅上鱗片內是幾丁質（chitin）小球密堆而成類似於蛋白石光子晶體的結構。

色彩的形成機制—色素色、結構色

我們周遭的世界是斑斕多彩的，自然界產生色彩的主要來源有兩種途徑，其一為色素，另一種則為結構色。色素色是最普遍和常見的顏色，來自於色素有選擇性地吸收某些顏色的光，而反射和散射其他色彩的光，如紅色素之紅色是由於其吸收了黃、綠和藍色的光。結構色的起源與色素色完全地不同，它是由干涉、繞射和散射等光學效應所造成。我們熟知的肥皂泡的顏色是由於肥皂薄膜的干涉，光碟的色彩源於其中凹槽陣列的繞射，而天空的藍色則是大氣分子對光散射的結果，這些顏色都與色素無關，它們是結構色。