多重折射率光子晶体谐振腔模型设计与仿真

本文提出了一种基于二维多重折射率光子晶体结构的谐振腔模型，这种谐振腔模型结构是由硅介质柱在空气背景中周期性排列而成。通过有限时域差分法、平面波展开法对光子晶体结构进行分析，发现该光子晶体结构中存在多种折射率。基于这种光子晶体进行谐振腔模型结构设计，利用快速傅里叶变换算法对该光子晶体谐振腔的折射率进行计算，验证出这种光子晶体谐振腔中存在两种折射率。随后研究了双重折射率光子晶体谐振腔模型中温度与谐振腔模型出射频谱波峰位置的关系，结果表明温度在0℃到240℃范围内每升高60℃，波峰位置向右定量移动0.014 μm。

近年来，云计算与万物互联的概念逐渐得到广泛应用，他们背后的主要驱动力是数字化、网络化和智能化。同时对通信网络的传输及处理提出了更高的要求，但现阶段的通信传输仍以传统半导体材料构成集成电子通信器件。半导体材料是现代通信器材的核心组成部分，但随着技术的发展已经接近电子传输和能量转移的极限，无法满足通信器件高速化和集成化的需求。由于介电材料中光的传输速率和带宽远高于半导体中电子的传输速率和带宽，科学家们逐渐开始关注光子技术，希望通过光子而不是电子来传输、处理和存储信息[1] [2]。光子晶体[3] [4] [5] (Photonic Crystal)的出现给光通信技术带来了新的生机和活力，通信网络中的器件逐渐被光子晶体器件取代，可以进一步增强信息的传输和处理能力[6] [7]。

光子晶体被称为“控制光子的半导体”，是由于根据其基本特性进行结构设计，可以达到调制光子的目的，它们被用于制造满足所需功能的集成器件，如光子晶体谐振腔。光子晶体谐振腔[7] [8]是一种利用光子晶体结构的能带特性来实现光场在空间中产生共振增强的器件，与传统的光学谐振腔相似，它们都是用来存储和增强光信号的装置。光子晶体谐振腔的原理是，由于光子晶体结构对特定波长具有高度选择性， 因此只有符合条件(即满足布拉格衍射条件)的波长才能被存储在其中， 在腔内来回运输同时发生振荡[9]。相比于传统微腔，光子晶体谐振腔的优点在于：制备工艺简单、易于集成、尺寸小巧、品质因数高等[10] [11]。因此，近年来光子晶体谐振腔被广泛应用于物理和工程领域，如非线性光学效应、量子信息处理、低阈值激光器、传感器以及滤波器等。2007 年，池灏[12]等，提出了一种新型的双波长光子晶体谐振腔，总结了谐振腔的设计方法、关键参数和优化方法。受此启发，本文提出了一种基于双重折射率光子晶体以及光子晶体禁带理论的谐振腔模型。

2. 谐振腔模型建立与仿真 2.1. 模型准备 本文主要使用Rsoft 软件的FullWAVE 模块以及BandSOLVE 模块进行建模仿真。其中FullWAVE模块：FullWAVE 是一个全电磁场求解器，采用了时域有限元法(FEM)。它可以对复杂的三维光学结构进行建模和仿真，并且能够计算出其散射、透射、反射等参数。BandSOLVE：BandSOLVE 是一个带隙结