光子晶体微腔的设计和特性研究仿真(2)
4.7 本章小结 .28
结论 .29
致谢 .30
参考文献.31
第一章 绪论
1.1 引言
关于电子信息技术的迅速发展中，许多技术方面的重大突破都源于人们对物质属性的更为深刻的认识。在过去的几十年里，随着人们对物质研究的深入，对半导体中电子的运动规律有了非常深入的认识，从而可以控制电子的运动，这使得密集，易制作，易集成的电子器件成为可能并极大地促进了电子集成电路的发展，正如“摩尔定律”所预测，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔十八个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
但是，随着电子器件尺寸的减小，也出现了新的挑战，特别是高功耗和电磁干扰。 由于电子是具有一定质量的带电粒子，因此，电子的速度取决于多种因素，如传输介质，导线尺寸，施加电压等，由于电荷运动需要外加电压，所以要消耗能量，而且随着集成电路的微型化和高速化，芯片的发热量随着集成度的进一步提高而迅速增加，从而使芯片无法正常工作。集成度越高，电子之间的相互作用越强，因此信号传输线不能相互交叉，静止电子产生电磁场，运动电荷产生电磁波，从而产生电磁干扰。另外，现有的加工设备已经很难继续减小芯片内部的线宽。所有这些构成了电子技术的瓶颈，反过来又制约了电子技术的发展。因此，如何解决这些技术问题成为科学工作者的首要任务。
为此，人们纷纷寻求微电子领域之外的其它解决途径，希望提高芯片的集成度和处理速度的同时不增大芯片尺寸。其中，利用光子在芯片内进行高速传输的方案被认为是最有吸引力和发展前景的[1，2]。
一方面，与电子相比，光子作为信息的载体，传输速度快，传输带宽远大于金属线传输带宽，更重要的是光子间相互作用很弱，因而光信息传输具有更大的带宽和更高的速率；另一方面，集成光学器件的制作工艺与微电子的制作工艺具有极大的相容性，因此可以充分利用现有的微电子加工设备和技术来制作光电子芯片。更重要的是，光子技术在降低功耗，避免电磁干扰的同时还可以对光子进行操控，这是其它技术所不能及的。要用集成光学和微电子技术的手段来实现光电子混合功能芯片，就是要在微纳米尺度上实现电功能模块和光功能模块的综合集成，并将其集成在单个芯片上。但是，目前还存在一些困难，严重限制了可达到的集成度。因此，需要探索新的方法或途径以满足高度集成的需要，目前，可以选择的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体[3]。光子晶体是介电常数在空间呈周期性变化的一种人工晶体，其周期为光波长的量级，完整的光子晶体会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。光子晶体可以做成很小尺寸的器件，同时又适合直接进行芯片尺寸的集成，还可以在很小的体积上和与波长有关的功能器件进行组合，这些重要的特性使得光子晶体将在下一代光电系统中扮演重要角色。同时也决定了它具有广阔的应用前景。从微波通信，太赫兹器件到光子芯片，从通信器件，太阳能电池，生物化学传感到隐身技术，可以说，涵盖了光通讯，激光器，光子器件等非常广阔的领域。
1.2 论文研究内容
本文在对光子晶体深入理解并对两文光子晶体微腔进行调研，运用时域有限差分法实现二文光子晶体微腔的仿真，通过优化微腔的结构设计从而提高微腔的品质因子。本文完成的主要工作包括：
（1）对光子晶体的发展与研究现状进行了系统调研，对光子晶体的理论基础进行了阐述，特别是普遍采用的数值分析方法——时域有限差分法。