眾所周知，很多的研究都是起源于對自然界不同領域存在類似現象的假設開始的。因為宇宙萬物遵循著相同的規(guī)律，即使外表再怎樣的千變萬化，而內在的規(guī)則卻是有著高度一致性。這正是宇宙的神奇之處，也是人類難解的秘密。光子晶體的產生亦是如此，它是科學家們在假設光子也可以具有類似于電子在普通晶體中傳播的規(guī)律的基礎上發(fā)展出來的。 + Iyyk02V
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從晶體結構圖中，我們可以看出晶體內部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢場的存在，使得運動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結構，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。其實，不論是電磁波，還是其它波如光波等，只要受到周期性調制，都有能帶結構，也都有可能出現帶隙。而能量落在帶隙中的波同樣不能傳播。 ]&*POri&
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簡言之，半導體中離子的周期性排列產生了能帶結構，而能帶又控制著載流子（半導體中的電子或者空穴）在半導體中的運動。相似的，在光子晶體中是由光的折射率指數的周期性變化產生了光帶隙結構，從而由光帶隙結構控制著光在光子晶體中的運動。 /G||_Hc
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光子晶體的結構可以這樣理解，正如半導體材料在晶格結點（各個原子所在位點）周期性的出現離子一樣，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現低折射率（如人工造成的空氣空穴）的材料。如下圖所示的光子晶體材料從一維到三維的結構，可以明顯看出周期性的存在，而且三維光子晶體的結構圖與普通的硅晶體單從結構是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性結構就可以產生光子晶體帶隙（Band Gap，類似于半導體中的禁帶）。而周期排列的低折射率位點的之間的距離大小不同，導致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產生能帶效應。也就是只有某種頻率的光才會在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。 Qd} n4KF\
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如果只在一個方向上存在周期性結構，那么光子帶隙只能出現在這個方向。如果在三個方向上都存在周期結構，那么可以出現全方位的光子帶隙，特定頻率的光進入光子晶體后將在各個方向都禁止傳播。這對光子晶體來說是一個最重要的特性。而且實際上，這種三維光子晶體也是最先被制造出來的。 Y <6|z3
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因為光被禁止出現在光子晶體帶隙中，所以我們可以預見到我們能夠自由控制光的行為。例如，如果我們考慮引入一種光輻射層，該層產生的光和光子晶體中的光子帶隙頻率相同，那么由于光的頻率和帶隙一致則禁止光出現在該帶隙中這個原則就可以避免光輻射的產生。這就使我們可以控制以前不可避免的自發(fā)輻射。 UUt"8]@[
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而如果我們通過引入缺陷破壞光子晶體的周期結構特性，那么在光子帶隙中將形成相應的缺陷能級。將僅僅有特定頻率的光可在這個缺陷能級中出現。這就可以用來制造單模發(fā)光二極管和零域值激光發(fā)射器（詳見光子晶體應用）。而如果產生了缺陷條紋––即沿著一定的路線引入缺陷，那么就可以形成一條光的通路，類似于電流在導線中傳播一樣，只有沿著“光子導線”（即缺陷條紋）傳播的光子得以順利傳播，其它任何試圖脫離導線的光子都將被完全禁止。理想狀態(tài)下我們已經實現了一條無任何損耗的光通路。這種光通路甚至比光纖更有效。 p*g Fr hm
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近年來，光子晶體得到了越來越多的關注和推崇。科學家們從各個方面來尋求開發(fā)應用光子晶體的途徑。然而，光子晶體得到廣泛應用，還需要解決以下幾個問題： ^h[6{F~ J
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1）制作可以對波長在可見光范圍內的光產生BandGap的光子晶體還有很大的困難。 8em'7hR9
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2）解決隨意在任意位置引入需要的缺陷的問題。 x5lVb$!G
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3）制作高效率光子傳導材料的技術問題。
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4）如何將現在的電流和電壓加到光子晶體上的問題。晶體結構可在外加電場和磁場控制下進行轉換從而成為可調節(jié)的光子晶體。該種可調節(jié)晶體結構的光子晶體可用來制作體積微小、廣泛用於遙距通訊和衛(wèi)星通訊的遠紅外激光器，亦有助研究激發(fā)態(tài)分子的化學反應，對化工生產、藥物研制及生物科技都十分重要。 C;BO6$*_e
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固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質的不同，如光子服從的是麥克斯韋（Maxwell）方程，電子服從的是薛定諤方程；光子波是矢量波，而電子波是標量波；電子是自旋為1/2的費米子，光子是自旋為1的玻色子；電子之間有很強的相互作用，而光子之間沒有。
