Keyword: Photonic crystal  Photonic crystal microcavities  Photonic bandgap   Quality factor 

1  引言 1

2 光子晶体 2

2．1  光子晶体概念 2

2．2  光子晶体特性 2

2.2.1  光子晶体带隙 2

2.2.2  光子晶体局域特性 5

2．3 光子晶体历史，现状与未来 5

2.3.1  光子晶体历史，现状 5

2.3.2  光子晶体未来 7

2．4 本章小结 8

3 理论基础 8

3．1 常用理论研究方法与手段 8

3．2 本章小结 10

4 光子晶体微腔Q值设计与优化 10

4．1 高Q光子微腔简介 10

4.1.1  关于Q值的简介 10

4.1.2  关于光子微腔的简介 11

4．2 如何制造高Q/V值微腔 11

4．3 如何设计高Q值微腔 12

4．4 光子晶体微腔的应用 28

4．5 本章小结 29

5  总结与展望 29

致谢 30

参考文献 31

1  引言

  　许多技术的突破都源于人们对物质属性的更深刻的认识。在过去的几十年里，随着半导体集成电路技术的飞速发展，人们对半导体中电子的运动规律有了更深入的认识，从而可以控制电子的运动，极大地促进了电子集成电路的发展，给人们带来了高速度,快节奏的现代生活。正如“摩尔定律”所说的一样，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔十八个月翻一番，性能也会提升一倍 。

  　但是，随着电子器件尺寸的减小，并达到经典尺寸的极限后,进一步缩小尺寸,提高集成度已经非常困难。 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、导线的尺寸、施加电压、外界磁场等，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，随着集成度的进一步提高芯片的发热量会迅速增加，使得芯片无法正常工作。电子作为集成电路的主要载体，集成度过高时，电子间存在库仑力，电子之间的相互作用产生的热效应会降低集成电路的性能，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，从而产生电磁干扰而引起能量损耗大，信息传送慢等问题。另外，现有的加工设备已经很难继续减小芯片内部的线宽。这些因素制约了电子技术的发展。源:自/优尔-·论,文'网·www.youerw.com/

  　为此，人们纷纷寻求微电子领域之外的其它解决途径，寻找新一代的材料和技术是科技工作者迫切的任务。其中，以光子作为信息载体在芯片内进行传输的方案被认为是最有吸引力和发展前景的 。

  　一方面，与电子相比，光子作为信息载体有巨大优势。电子具有静止质量以

及电子之间的库仓作用力限制了通信的容量和速率，而光子是没有质量、以光速运动的微观粒子，彼此之间不存在相互作用，可极大的提高信息传递速度和减少能量损耗和增加保密性；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似性，可以利用现有的微电子加工设备和手段来制作光电子芯片。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。要用光学和微电子技术的手段来实现光电子集成芯片，就是要在微纳米尺寸上实现电模块和光模块的综合集成，并将其集成在单个芯片上。但是，目前还有一些困难，严重限制了可达到的高度。因此，需要探索新的方法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。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器件进行组合，这些特性使得光子晶体将在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。人们设想着也像集成电路一样能制造出集成光路,最终发展成光通信,光计算机等新型产业。光是解决人们日益增长的对信息量的需求的唯一有效途径。因此，在1999 年被 Science 选为十大热点领域之一，文章以每年80%增长量的速度递增 。