毕业论文基于SOI平板光子晶体的研究与发展.doc
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1、本科毕业论文 题 目: 基于SOI平板光子 晶体的研究与发展 院 (部): 理学院 专 业: 应用物理学班 级: 光电073姓 名: 杨永昌学 号: 2007121081指导教师: 秦希峰 梁毅完成日期: 2010年6月15日 目 录摘 要 ABSTRACT第一章 绪 论1 1.1前言 1 1.2光子晶体的基本概念、其结构及应用1 1.2.1光子晶体的基本概念1 1.2.2光子晶体的结构2 1.2.3光子晶体的应用3 1.3 SOI材料的结构特征、应用及发展前景5 1.3.1SOI材料的结构5 1.3.2 SOI材料的广阔应用6 1.3.3 SOI材料的发展前景7 1.4本论文研究的主要内容7
2、第二章 光子晶体的理论研究9 2.1光子晶体理论研究概况10 2.2光子晶体理论研究方法10 2.2.1平面波展开法10 2.2.2时域有限差分法11 2.2.3转移矩阵法14 2.2.4多重散射法14第三章 二维光子晶体平板波导的理论研究15 3.1 SOI基光子晶体波导的分类及研究进展15 3.2带隙计算16 3.3 传输仿真20 3.4波导的设计及其优化22 3.5 本章小结24第四章 总 结25 4.1研究结论25 4.2前景与展望25谢 辞26参考文献27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。
3、如果在光子晶体中引入缺陷,则在禁带中会存在缺陷态,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出微米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,并简单地阐述了目前研究光子晶体的主要理论方法。 利用平面波展开法(PWE)与时域有限差分法(FDTD)相结合的方案,通过平面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面(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
4、结构的准确带隙位置。设计了基于0.18m硅工艺的二维光子晶体波导,包括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 slabsABSTRACT Photonic cryst
5、als (PhC) are optical structures with wavelength-scale 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
6、 (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 theoretica
7、l research methods of them are also presented. A method, which incorporates Plane Wave Expansion (PWE) method with Finite Difference Time Domain (FDTD) method, is presented to design and simulate PBG struetures, quiekly find the exact location of the band gap of two-dimensional Photonic crystal (tri
8、angle, square, hexagonal), compared two methods of advantages and disadvantages in ealeulating the band gap.0.18m 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 c
9、rystal 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 found
10、ation for next research on two-dimensional PhC waveguides.Key Words :photonic crystal;photonic band gaps;PWE;FDTD;SOI第一章 绪 论1.1前言在信息时代,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
11、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
12、,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。本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1.2.1光子晶体的基本概念 众所周知,电子在周期势场中传播时,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电材料构成周期结构,由于布拉格散射的存在,电磁波在
13、其中传播时会受到调制而形成能带结构,这种能带叫做光子能带(photonic band)。光子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子晶体 (photonic crystals)。 1987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无序电介质材料中的光子局域时,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. H。等通过计算验证金刚石存在光子禁带。1-2 光子晶体也称光子带隙材料,是
14、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,因而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中去,如能带、能隙、态密度、倒易空间、色散关系、布里渊区、BIOch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,其空间结构如图1.1所示图1.1光子晶体的空间结构 所谓一维光子晶体是指介质频率在
15、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
16、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围较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围,3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。这一特性具有极其重要的应用前景。Yablonovitch创造出了世界上第一个具有完全光子频率带隙的三维光子晶体,它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构,也称为钻石结构。不过三维光子晶体
17、的制作相对来说比较复杂,对材料和设计加工都有很高的要求。如今,有关光子晶体的研究无论在理论上还是实验上都已有大量的成果出现。三维方面,在面心立方和体心立方结构中已观察到光子带隙。二维方面,三角和四角结构也具有光子带隙。人们己经在理论上对各种维数光子晶体的能带结构进行了周密的计算,但在实验上,由于制作三维光子晶体比较困难,因此成果大多集中于一维和二维光子晶体。目前有不少基于光子晶体的结构己广泛应用于生产实践,如天线,加速器,滤波器,光纤等。1.3.3光子晶体的应用 自从光子晶体诞生以来,科学工作者们把更多的目光放在了光子晶体在光纤通信、光子集成器件等光学领域的应用上。随着光子晶体在理论和实验两方
18、面研究的逐步展开和深入,成果不断涌现,特别是制作光子晶体方法和技术的提高和完善,使得光子晶体的实际应用取得了许多重要的成果,这展示了光子晶体具有重要而广泛的应用前景。目前,基于光子晶体的研究主要集中在以下几个方面:1、光子晶体光纤4-7光在传统的中心为氧化硅的光纤中传播时,为了提高其折射系数采取掺杂的办法以增加传输效率,但不同的掺杂物只能对一种频率的光有效。而光子晶体光纤的出现弥补了这个缺陷,且极大的降低了光纤弯曲时的能量损失。 光子晶体光纤的理论基础是在光子晶体中引入线缺陷,频率在光子晶体带隙内的光将被限制在这一缺陷内部传播。为了导光,在光纤中人为引入额外空气孔,这种额外的空气孔就是导光通道
19、。与传统的光纤不同,在这里传播光是在空气孔中而非氧化硅中,可导波的范围很大。光子晶体光纤具有非常大的应用潜力,可以用做气体传感、可以传输非常大的光功率而不激发不必要的非线性效应、也可以产生孤子。另外,光子晶体光纤还具有非常大的色散补偿潜力,适用于超宽带的波分复用(WDM)系统。2、光子晶体滤波器8-10利用光子晶体的禁带特性和光子局域特性可以实现对光子的极优良的滤波性能。利用光子晶体的宽禁带特性可以制作宽带带阻滤波器,滤波带宽可以做得很大,而当光子晶体中的某些单元被取消而造成缺陷时,就会使得光子晶体的光子禁带出现一些可穿透窗口,即光子频率禁带内某些频率模式的光会毫无损失地穿过光子晶体,称该频率
20、模式为光子晶体缺陷模。利用光子晶体缺陷模的这一特性,可以制作高品质的极窄带选频滤波器。 3、光子晶体微波天线11-12 光子晶体的第一个实际应用是在微波通信领域,其用途是用来制造微波天线。微波天线传统的作法是将偶极平面微波天线直接制作在介质基底上,但由于微波发射过程中大量的能量被天线的基底吸收而浪费,因而传统的微波天线效率很低。若能制造出光子频率带隙在所用微波频段的光子晶体,并以此作为微波天线的基底,那么当发射微波时,由于微波不能被基底吸收,就可以实现微波的无损耗反射,把能量全部发射到空中。 光子晶体天线是光子晶体微结构在微波段的一种应用,由于其制作方法比较简单,所以应用前景非常广阔。光子晶体
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