光子晶体光控光开关的分析-电磁场与微波专业论文.docxVIP

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3、本论文中除引文外 ，所有实验 、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 研究生签名： 日 期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、 使用学位论文的规定， 学 校有权保留学位论文并向国家主管部 门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 ；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅 ；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索 ；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 。必威体育官网网址的学位论文在 解密后适用本规定。 研究生签名： 日 期： 第 第 1 章 绪论 PAGE PAGE 10 第1章 绪论 对新材料的探索一直是人类的奋斗目标和进步手段，如本世纪对半导体材 料的研制导致了一场轰轰烈烈的电子工业革命，我们的科技和生活水平有了一 个突飞猛进的跨越，并藉此进入了计算机和信息高速公路为标志的信息时代。 在过去的 50 年中，对半导体技术的深入研究和广泛应用推动了电子工业和信息 产业的迅速发展。目前半导体技术正向着高速度、高集成化方向发展，但这也 不可避免地引发了一系列问题，比如电路中能量损耗过大导致集成片发热。此 外，由于高速处理对信号在器件中的延迟提出了更高的要求，半导体器件的能 力已基本到达了极限，为此科学家们把目光从电子转向了光子。这是因为光子 有着电子所不具备的优势：1、极高的信息容量和效率；2、极快的响应速度；3、 极强的互连能力和并行能力；4、极大的存储能力；5、光子间相互作用很弱， 可极大地降低能量损耗。于是与集成电路相比，人们设想也能像集成电路一样 制造出集成光路，光子在其中起着电子在半导体中的作用，全光通讯、光子计 算机将构成未来的光子产业。类似于电子产业中的半导体材料，光子产业中也 存在着一种基础的材料——光子晶体。光子晶体的研究不仅仅是光通讯领域内 的问题，同时它对其他相关产业也将产生巨大的影响。 光子晶体简介 1.1 光子晶体的概念及研究现状 1987 年，E.Yablonovith[1]在研究如何控制材料的自发辐射性质时提出了光 子晶体的概念，几乎同时，S.John[2]研究光子在无序介质中的局域化效应时也独 立提出了这个概念。他们指出，材料的介电函数在空间周期性的变化能够调制 材料中光子的状态模式。所谓光子晶体就是由两种或者两种以上的具有不同介 电函数的材料在空间周期性排列而形成的一种人造晶体。图 1-1 给出了一维、 二维和三维光子晶体结构的示意图。 一维 二维 三维 图 1-1 光子晶体结构示意图 从光子晶体结构图中，我们可以看出光子晶体内部的原子是周期性有序排 列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的光子受到周期势场的布拉格散射， 从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。光波的能量如果落在带隙中， 就无法继续传播。其实，不论是光波，还是其它波如电磁波等，只要受到周期 性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不 能传播。 简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载 流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。相似的，在光子晶体中 是由光的折射率指数的周期性变化产生了光子带隙结构，从而由光子带隙结构 控制着光在光子晶体中的运动。 光子晶体概念的明确提出不过二十多年，但是却吸引了众多科学家的研究 兴趣。自从 1987 年提出光子晶体概念以来，无论是理论研究、试验研究还是应 用研究都得到了蓬勃的发展。1999 年底，光子晶体方面的研究被“science”杂 志评为十大重大进展之一。国内也有不少学者投入了光子晶体方面的理论和材 料制备等的研究[3-7]，不足之处是国内研究基本上集中在理论方面。较少涉及到 制作器件和应用方面的研究。 1.2 光子晶体的特性 光子禁带 光子晶体最根本的特征是具有光子禁带(带隙)。光子晶体也称光子带隙材 料，是高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间呈周期性排列的人造 晶体，其晶格常数与工作波长处于同一个数量级。当介电函数的变化幅度足够 大且变化周期与光波长相当时，介质的布拉格衍射作用也会使一定频率反馈的 光子不能通过光子晶体，而被全部反射回去，从而在光子能谱中产生带隙。 频率落入光子带隙中的电磁波，由于光子晶体强烈的布拉格散射效应，将 被光子晶体全反射回来而不能在光子晶体中传播，因而光子带隙中的光子态密 度为零。光子晶体的光子带隙出现