Rsoft三种不同结构光子晶体波导的特性分析(2)
未来的半导体行业，芯片高速化，集成化，微型化是发展趋势，但是与此同时，半导体材料却由于尺寸效应，慢慢不能满足电子行业的更高需求。高集成度的芯片要求材料具有良好的散热功能，并且需要器件在更宽的频段进行工作，因此光子晶体产业开始兴起，光子晶体器件具有电子器件所缺乏的耐热宽频等优点[1]。
1969年，美国贝尔实验室的S. E. Miller第一次提出了“集成光学”这个概念[2]。人们可以根据不同的需求，将不同的光功能型器件通过光波导连接在一起，如同现在的集成电路一样，将其集成在一块芯片上，进而可以实现各种各样的复合型功能。然而由于当时技术条件不支持，这块芯片无法完全使用光功能型器件进行集成，直至光子晶体出现[3]，这个局面被打破。
1.2 波导概述
波导，即用来引导电磁波的一种结构。在现在的工业生产中，比较常见的波导有平板波导，圆形波导，矩形波导，光纤等等。根据不同类型波导制造时设计的腔结构，介电常数等等参数的不同，电磁波在波导内传输的时候会被限制在规定的范围和防线内传播，与此同时也会造成一定的损耗。
由于内部结构及各种参数的不同，波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每一种电磁场的分布称为一种波型（模式），每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。
1.3 光子晶体概述
光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出。
它是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构。这种材料因为具有光子带隙而能够阻断特定频率的光子，从而影响光子运动的。光子带隙影响光子运动非常类似半导体中电势场对电子运动的影响。[4]
光子带隙，是指具有不同介电常数的材料在空间里周期性排布的一种结构，也就是所谓的“光子晶体禁带”。因为磁场电场和周期性介质的相互作用，在一定的频率范围内的光子落在光子带隙内不能进行信号传输，所以光子晶体也可以叫做光子带隙材料。
1.4 光子晶体应用与发展
前文已经说过，现在半导体器件设计面临技术瓶颈。由于半导体材料无法进一步满足设计要求，比如高集成度的芯片要求材料具有良好的散热功能，并且需要器件在更宽的频段进行工作，而且由于尺寸效应，半导体器件无法再更小的尺寸上进行更高的集成，越来越多的科研人员把目光投向了“光子晶体”，光子晶体拥有半导体材料无法睥睨的传播特性优势，由光子晶体制造的光器件集成电路必在未来的电气设备中占据主要及重要位置。
光子晶体如今被应用在各种各样的领域，最主要的有以下几种。
光子晶体光纤(图1.1)最早在1988年就由Russell提出并制作[5]。传统的光纤是利用光在两种不同介质表面上的全内反射原理来设计生产的，为了提高两种介质的折射率差值，通常会采用掺杂志的方法进行改善。但是某一种掺杂物只对某一特定频率的光波有效果。同样的，在光子晶体中导入缺陷得到光子晶体光纤，由于光被限制在缺陷中也可以是依据光子带隙进行传播，所以光子晶体光纤与传统光纤具有很多优点[6]。
光子晶体波导(图1.2)[7]原理与光纤类似，在晶体中引入缺陷，利用频率落在缺陷态中的电磁波强局域性，严格控制光波传播方向。如果引入的是一个线性缺陷，光波会严格地沿着线缺陷的方向传播，而且在转弯处能量损失非常少，因此光子晶体所实现的波导非常优质。
