基于SOI平板光子晶体的研究与发展【毕业论文绝对精品】.docx

本科毕业论文题 B：院（部）: 专 业: 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 完成S期:基于SOI平板光子 晶体的研究与发展 理学院应用物理学光电07320071210812010年6月15日摘要 IIIABSTRACT IV第一章绪论 11.1前言 11.2光子晶体的基木概念、其结构及应用 11. 2. 1光子晶体的基本概念 11.2.2光子晶体的结构 21.2.3光子晶体的应用 31. 3 SOT材料的结构特征、应用及发展前景 51.3. 1S0I材料的结构 51.3.2 SOI材料的广阔应用 61. 3. 3 SOI材料的发展前景 71. 4本论文研究的主要内容 7第二章光子晶体的理论研究 92.1光子晶体理论研究概况 102. 2光子晶体理论研究方法 102. 2. 1平面波展开法 102. 2.2吋域有限差分法 112. 2. 3转移矩阵法 142. 2. 4多重散射法 14第三章 二维光子晶体平板波导的理论研究 153.1 SOI基光子晶体波导的分类及研究进展 153. 2带隙计算 163. 3传输仿真 203・4波导的设计及其优化 223. 5本章小结25第四章总结4. 1研究结论 254. 2前景与展望 252627参考文献摘要光子晶体是一种介电常数成周期分布的介质材料，周期为光波长量级。

在光子晶体材 料中存在着特殊的频带，在这些频带中光波被禁止传播如果在光子晶体中引入缺陷，则 在禁带小会存在缺陷态，使得与该缺陷态相对应的波长的光子在其中可以存在和传播，利 用这种特性可以设计岀微米一毫米量级尺寸的光波导器件，具有很多传统波导所无法比拟 的优点系统地介绍了光子晶体产生的历史背景、物理基础、带隙理论及光子晶体的分类综 述了光子晶体的特性及主要应用领域，并简单地阐述了 H前研究光子晶体的主要理论方法利用平而波展开法(PWE)与时域有限差分法(FDTD)相结合的方案，通过平而波展开法 能更快速的找到合适的带隙，再通过FDTD法进行传输，快速找到二维光子晶体不同截而(三 角形、正方形、六边形)的带隙准确位置，比较两种方法在计算带隙问题上的优缺点，给出 所设计结构的准确带隙位置设计了基于0.18pm硅工艺的二维光子晶体波导，包插三角晶格和正方晶格结构的直线 形波导等几种光子晶体波导器件，并分别进行了传输仿真和结构优化这种方法比一•般单 独使用PWE法或单独使用FDTD法进行波导设计速度更快，结果也更准确本论文对基于SOI的二维光子晶体平板波导在理论和工艺两方面做了开创性的探索研 究，为后续光子晶体集成系统的研究打下良好的基础。

关键词：光子晶体；光子禁带；平面波展开法；时域有限差分法；SOIResearch and development of SOI-based photonic crystal slabsABSTRACTPhotonic crystals (PhC) arc optical structures with wavclcngth-scalc periodic variations of the refractive index. There are frequency bands, which called photonic bandgap (PBG), in the periodic dielectric materials. Light with frequency in the PBG cant propagate through the photonic crystals. If there are defects (dot or line) in the periodic dielectric it will appear frequency bands in which light can propagate. With PhC some waveguides of micrometer-scale can be made which has more advantages than conventional waveguides.The basic knowledge of PCs introduced・ The possible applications and main theoretical research methods of them are also presented・A method, which incorporates Plane Wave Expansion (PWE) method with Finite Diflerence Time Domain (FDTD) method, is presented to design and simulate PBG structures, quiekly find the exact location of the band gap of two-dimensional Photonic crystal (triangle, square, hexagonal), compared two methods of advantages and disadvantages in calculating the band gap.0.18pm based on two・dimensional silicon photonic crystal waveguide was designed, ineluding the triangular lattice and square lattice strueture of the straight waveguide, etc. Several Photonic crystal waveguide devices and transmission were carried out simulation and structural optimization. This method get more accurate results than using PWE or FDTD method alone in designing waveguide・This work about PhC based on SOI from the perspectives of theory and fabrication has built a solid foundation for next research on two-dimensional PhC waveguides.Key Words : photonic crystal； photonic band gaps； PWE； FDTD； SOT第一章绪论1.1前言在信息吋代，我们的梦想之一就是实现信息载体由电子到光子的跨越。

这是因为以光 子为载体的光子器件有比电子器件高得多的运行速度，并且光子间的相互作用远小于电子, 因而光子器件的能量损耗小、效率高一旦实现这点，信息的传输和处理效率将得到极大 提高光纤的使用是我们朝这个方向迈出的重要一步，它实现了信息传输的革命性变化， 但是输入到光纤前和从光纤输出后的信息处理依靠的仍然是传统的电子器件，这限制了总 的效率人们设想以光子作为信息的载体，信息的传输和处理都均由全光器件完成，像集 成电路一样制造出集成光路类似于集成电路中的半导体材料，集成光路也需要一•种基础 的材料，光子晶体被认为是最合适的光子晶体是一种介电常数周期性排列的人工介质它对光具有频率选择特性，即有些 频率的光不能在光子晶体中存在或传输因此，光子晶体也被称为光子带隙材料作为未 来集成光路的基础材料，光子晶体在光集成、光信息传输和光信息处理等领域具有十分广 阔的应用前景，探索和开发光子晶体新型功能器件己成为光学领域的研究热点如同 K.M.Ho等先在理论上找到具有完全禁带的光子晶体金刚石结构，然后Yablonovitch等根据 理论设计制作出了这种结构，光子晶体功能器件的发展也遵循着同样简单的历史过程木 文即是从光子晶体功能器件的理论设计开始切入光子晶体研究领域。

1.2光子晶体的基本概念、其结构及应用121光子晶体的基本概念众所周知，电子在周期势场中传播吋，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会 形成能带结构，带与带之间可能存在带隙电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的 其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙，能量落 在带隙中的波是不能传播的电磁波或者光波也不会例外如果将不同介电常数的介屯材料构成周期结构，由于布拉格散射的存在，电磁波在其 中传播吋会受到调制而形成能带结构，这种能带叫做光了能带(photonic band)□光了能带之 间可能出现带隙，即光子带隙(photonic bandgap简称PBG)具有光子带隙的周期性介电 结构就是光了晶体(photonic crystals)o1987年，美国Bell实验室的E. Yablonovitch和Princeton大学的S. John分别在讨论如 何抑制自发辐射和尢序电介质材料中的光子局域吋，各自独立地提出了 “光子晶体”这一 新概念1990年，美国Iowa州立大学Ames实验室的研究人员K. M. Ho等通过计算验证 金刚石存在光子禁带[2]光子晶体也称光子带隙材料，是一种折射率在空气中呈周期性变化的介电结构，其变 化周期和光的波长为同一个数量级，类似于半导体中原子点阵可以控制电子传播一•样，光 子晶体也可以控制一定频率的光的传播。

由于一般晶体和光子晶体都具有周期性结构，因血许多研究一般晶体的概念都可以被 运用到光子晶体的研究山去，如能带、能隙、态密度、倒易空间、色散关系、布里渊区、 BlOch波函数、缺陷态、施主态、受主态等等，固体能带理论中许多方法也被用来研究光 子晶体中光子的运动1.2.2光子晶体的结构按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体, 其空问结构如图1」所示ID 2D 3D图1」光子晶体的空间结构所谓一维光子晶体是指介质频率在空间一个方向上具有周期性分布的光子晶体材料， 相当于不同介质组成的多膜材料简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成, 在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质层平面方 向上介点函数不随空间位置变化实际上，光学中常见的布拉格反射镜就是一种简单的一 维光子晶体二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由介质杆 平行而均匀的排列组成的这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向)介电函数是空间位 置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而变化由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在多种结构，如矩形、三角形、和石墨的六边形结构等。

截面形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样矩形的光子频率禁带范围较窄，三角 形和石墨结构的光子频率禁带范I韦I较宽为了获得更宽的光子频率禁带范I韦I,⑶还可以采 用同种材料但直径大小不同的两种介质柱来构造二维光子晶体光子晶体光纤和光子晶体 波导就是二维光子晶体的特例三维光子晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料三维光子晶体 具有全方位的光子带隙，即落在光子带隙中的光在任何方向都被禁止传播。