基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真[设计+开题+综述]

开题报告
通信工程
基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真
一、选题的意义与背景：
自从1864年英国科学家麦克斯韦预言了电磁波的存在1887年德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在之后，人类对电磁波的研究已深入各个领域，应用非常广泛。

例如无线电波传输、光纤通信和移动通信、雷达技术、微波、天线电磁成像等等。

随着电磁波理论在光通信领域的不断应用及对光传输材料的不断研究，光子晶体概念被提了出来。

光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。

自1987年Yablonovitch 和John分别独立提出光子晶体的概念以来，光子晶体的理论和实验研究以及相关应用得到了迅速的发展。

迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，并且随着半导体微加工技术的进步和发展，人们对这些器件开展了深入系统的实验研究。

这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”。

光子晶体成为光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

光子晶体波导是光子晶体研究中非常重要的一个方面，对于基于光子晶体的光集成、光通信及光传感技术，光子晶体波导都是最基本的器件，也是开发和设计其他各种器件的基础，由于三维光子晶体及波导的加工制作尚不成熟，对于光子晶体波导的研究主要集中二维光子晶体波导方面。

平面波导器件又称为光子集成器件。

其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面波导。

目前主要的研究工作一方面是基于光子晶体波导的各种器件的设计制作，例如滤波器、分束器，耦合器以及波分复用器这些器件在尺寸上要比传统集成光学器件小的多。

另一方面是二维光子晶体波导用于慢光、光学非线性效应及他们的应用。

本课题涉及的是二维光子晶体的光波导器件中的光束传输性质是利用在光
子晶体材料引入不同类型的缺陷(线缺陷和点缺陷)，当它们集于一体时就形成了集成化的二维光子晶体器件。

这种尺寸只有传统光学器件几千甚至几万分之一大小的光子晶体集成器件却几乎具备了传统光学器件的全部功能，涵盖了通信和激光源等领域所有的基本需求。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：
基本内容：
本课题是以主要FDTD算法为理论基础，结合边界吸收理论光子禁带算法的相关理论，使用XFDTD软件，进行二维光子晶体的T和Y型光波导器件中的光束传输性质的仿真研究。

对所设计的光子晶体T和Y型波导器件中光场分布进行图像分析及数值运算。

并对T和Y型器件不断优化使光束在器件内传输尽量降低损耗提高传输效率。

拟解决的主要问题：
1光子晶体设计及光子晶体禁带的计算：
光子晶体设计是本课题很重要的的一部分。

光子晶体制作的好坏将直接影响仿真出的光子晶体波导器件性能的好坏，也直接影响仿真效果。

本课题采用的平面波展开法对光子晶体禁带进行计算。

平面波展开法是将电磁场在倒格矢空间中以平面波叠加的形式展开, 将麦克斯韦方程组转化为一个本征方程, 通过求解本征方程便可得到传播光子的本征频率。

通过禁带的计算与光子晶体结构设计相结合使光子晶体材料尽可能达到禁带尽量宽光子晶体的性能更加好。

2边界吸收条件：
由于FDTD法只能计算空间有限区域的电磁场，如果想用FDTD法研究整个区域的光子晶体的性质就需要采用吸收边界条件(ABC)。

所以在本课题中吸收边界条件是一个非常重要的部分。

重要的边界吸收方法有Mur吸收边界条件和理想匹配层（PML）。

其中Mur的特点是特点是具有较宽的入射角度范围内的吸收效果，而且占内存小，但是也存在局限性。

如计算精度不高，靠近边界的区域会出现介质的不连续性。

本文采用的是完全匹配层（PML）。

PML边界具有更高的计算精度，而且任意方向入射时均无反射。

并且PML层为有耗介质，进入PML的投射波将衰减，即使PML层为有限厚度，它对于入射波仍有很好的吸收效率。

PML吸收边界的反射系数可低于－70 dB，比其他各种边界改善约40 dB。

3. 降低损耗：
光束在二维光子晶体的光波导器件中传输过程中由于影响的因素包括很多，如设置网格的缺陷，网格尺寸不同带来的影响，等等问题一定会带有一定程度的能量损耗，如何通过进行优化使器件传输效率尽可能的高是本课题非常重要的一部分。

三、研究的方法与技术路线：
研究方法：
本课题主要是以FDTD理论为基础，采用商用软件XFDTD6.5来对所设计的二维光子晶体T型波导进行仿真，计算出电磁场分布及随时间的变化，计算输入输出处的传输功率、器件传输效率等各种参数。

技术路线：
1阅读大量有关本课题算法的的有关文献，如FDTD算法，光子晶体禁带算法，边界吸收条件等等。

2 了解XFDTD软件功能，并能熟练使用
3 结合平面波展开法计算禁带宽度在XFDTD软件设计画出二维光子晶体的光波导器件并设置好吸收边界条件。

4 通过XFDTD软件仿真得到二维光子晶体的光波导器件中的光束传输。

并获取相关仿真参数（如输入输出处的E H场分布图等）计算的到相应的数据（如输出功率、传输功率、透过率等）。

5 对仿真图和数据进行分析，计算的到相应的数据（如输出功率、传输功率、透过率等）。

6 根据得到的相关数据对仿真器件进行完善（如网格的单元尺寸、时间步的大小等参数，或者调节缺陷的结构、大小控制缺陷能级在光子带隙中的位置）降低光子传输过程中的损耗，以达到传输效率最大化。

本课题研究的技术路线图如下图所示。

优化
图1技术路线图
四、研究的总体安排与进度：
研究的安排：
(1) 查阅本课题涉及的基本理论算法（如FDTD算法，禁带宽度算法，边界吸收条件等）和关于二维光子晶体的光波导器件中的光束传输研究的相关论文；(2) 熟练应用XFDTD软件，在XFDTD软件中实现二维光子晶体的光波导器件中的光束传输；
(3) 对仿真出来的器件进行优化通过改变相应的数据使器件传输效果尽量达到最好。

课题进度计划：
1、12月20日前：了解课题设计的相关资料（即FDTD算法和XFDTD软件的灵活运用），熟悉相关的原理，文献翻译，掌握好课题思路方向。

2、12月20日—2月15日：熟练应用XFDTD软件，并在软件中实现程序模拟光束在二维光子晶体的光波导器件中的传输特性。

3、2月15日—3月15日：调试仿真的器件，直到仿真出满意的效果。

4、3月15日—4月15日：继续进行仿真实验，撰写论文，准备答辩
5、4月底5月初开始答辩。

五、主要参考文献：
[1]春名正光, 栖原敏明[日]. 集成光路[M]. 北京:科学出版社. 1985, 1~7.
[2]Tirka P A etc. Higher order absorbing boundary conditions for the finite difference time
domain method[J]. IEEE Trans Antennas and Propagation, 1992(10): 1215~1222.
[3]王长清, 祝西里. 电磁场计算中的时域有限差分法[M]. 北京: 北京大学出版社, 1994,
255~258.
[4]李玉权, 崔敏光. 波导理论与技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2004, 325~336.
[5]葛德彪, 闫玉波. 电磁波时域有限差分方法[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2001,
385~401.
[6]高本庆. 时域有限差分法[M]. 北京:国防工业出版社, 1995, 120~132.
[7] Deitel HMIC[美] 程序设计教程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000, 109~128.
[8]姚纪欢, 冯晓霞, 乔灵爱. 用时域有限差分方法计算电磁散射[J]. 山西大学报, 1999（2）:
205~211.
[9]盛振华. 电磁场与微波技术[M]. 北京:高等教育出版社, 1985, 100~108.
[10]董树义. 微波测量技术[M]. 北京:北京理工大学出版社, 1990, 420~423.
[11]楼仁海, 符果行. 高等电磁理论[M]. 电子科技大学出版社, 1996, 650~653.
[12] C Richard, Jr Booton. Computational methods for electromagnetics and microwaves[M]. A
Wiley - Interscience Publication, 1992, 230~235.
[13]胡来平, 刘占军. FDTD方法中的吸收边界条件[J]. 现代电子技术, 2003(9): 30~32.
毕业设计文献综述
通信工程
基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真
摘要：光子晶体具有优异的光学性能，是当前国际光学光传输及光学器件领域研究的热点之一。

光子晶体的光波导器件由于它有体积小传输效率高等特点所以光子晶体成为光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

所以光子晶体的光波导器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”。

光子晶体的光波导器件也成为近些年来越来越受人们关注的研究领域。

本文针对光子晶体仿真中涉及的背景、原理、涉及的算法技术做简要说明。

关键字：FDTD算法，光子禁带算法，完全匹配，
二、背景
自从1864年英国科学家麦克斯韦预言了电磁波的存在1887年德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在之后，人类对电磁波的研究已深入各个领域，应用非常广泛。

例如无线电波传输、光纤通信和移动通信、雷达技术、微波、天线电磁成像等等。

随着电磁波理论在光通信领域的不断应用及对光传输材料的不断研究，光子晶体概念被提了出来。

光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。

自1987年Yablonovitch 和John分别独立提出光子晶体的概念以来，光子晶体的理论和实验研究以及相关应用得到了迅速的发展。

迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，并且随着半导体微加工技术的进步和发展，人们对这些器件开展了深入系统的实验研究。

这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”。

光子晶体成为光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

光子晶体波导是光子晶体研究中非常重要的一个方面，对于基于光子晶体的光集成、光通信及光传感技术，光子晶体波导都是最基本的器件，也是开发和设计其他各种器件的基础，由于三维光子晶体及波导的加工制作尚不成熟，对于光子晶体波导的研究主要集中二维光子晶体波导方面。

平面波导器件又称为光子集成器件。

其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面波导。

目前主要的研究工作一方面是基于光子晶体波导的各种器件的设计制作，例如滤波器、分束器，耦合器以及波分复用器这些器件在尺寸上要比传统集成光学
器件小的多。

另一方面是二维光子晶体波导用于慢光、光学非线性效应及他们的应用。

二、FDTD算法
目前对电磁场仿真计算最受欢迎的方法是时域有限差分法（FDTD）。

该算法的表达式较为简单可直接看出其特征，所以很方便对结构复杂的导体、绝缘介质以及非线性各向异性物质进行建模仿真。

并随着计算机性能的发展，FDTD已被人们广泛地应用于计算电磁学的各个领域比如辐射天线的分析、微波器件和导行波结构的研究、散射和雷达截面计算、周期结构分、电子封装，电磁兼容分析、核电磁脉冲的传播和散射在地面的反射及对电缆传输线的干扰和微光学元器件中光的传播和衍射特性，都获得较为广泛的应用。

FDTD算法之所以的到如此广泛的应用是因为它拥有诸多的优越性。

首先直接时域计算时域有限差分法直接把含时间变量的Maxwell旋度方程在Yee氏网格空间中转换为差分方程。

在这种差分格式中每个网格点上的电场(或磁场)分量仅与它相邻的磁场(或电场)分量及上一时间步该点的场值有关。

在每一时间步计算网格空间各点的电场和磁场分量，随着时间步的推进，即能直接模拟电磁波的传播及其与物体的相互作用过程。

其次广泛的适用性，时域有限差分法的直接出发点是概括电磁场普遍规律的Maxwell方程这就预示着这一方法应具有最广泛的适用性。

从具体的算法看，在时域有限差分法的差分格式中被模拟空间电磁性质的参量是按空间网格给出的，因此，只需设定相应空间点以适当的参数，就可模拟各种复杂的电磁结构。

再者FDTD算法节约存储空间和计算时间。

在时域有眼差分法中每个网格电场和磁场的六个分量及其上一时间步的值是必须存储的，此外还有描述各网格电磁性质的参数以及吸收边界条件和连接条件的有关参量，它们一般是空间网格总数N的数倍．所以，时域有限差分法所需要的存储空间直接由所需的网格空间决定，与网格总数Ⅳ成正比．还有适合并行计算，计算程序的通用性，简单直观容易掌握等性质。

三光子禁带的计算
光子禁带是指：指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播。

这也是光子晶体具有的特殊的性质。

目前最为常用的光子禁带计算方法是平面波展开法和时域有限差分法。

本课题用的是平面波展开法
（1）平面波展开法是将电磁场在倒格矢空间中以平面波叠加的形式展开, 将麦克斯韦方程组转化为一个本征方程, 通过求解本征方程便可得到传播光子的本征频率。

以六边晶格光子
晶体为例进行分析。

设光子晶体的晶格常数为a周期圆柱半径r0为填充因子f定义为周期圆
柱截面面积与晶格元胞面积的比值周期圆柱的介电常数为凡基体材料的介电常数为εb 。

考
虑材料为各向同性, 无吸收, 光子晶体中无净电荷和电流。

则Maxwell 方程组可以写成： ()()0,1,=∂∂+⨯∇t
t r B c t r E (1) ()()0,1,=∂∂-⨯∇t
t r D c t r H (2) ()0,=⨯∇t r B (3)
()0,=⨯∇t r D (4)
式中E 是电场强度;D 是电位移矢量;B 是磁感应强度;c 是磁场强度是真空光速。

光子晶体的Bravais 点阵的平移矢量R 表示为()b h b h m l G 2211,+=
其中h 1和h 2是任意整数；b 1，b 2是倒格子基矢它们与点阵基矢具有关系δπij
j i b a 2=•周期性的相对介电常数可表示为()()R r r +=εε；R 为晶格常数。

本例是在在二维TE 偏振下的两种算法的差异,在TE 模偏振下，有Maxwell 方程组可得到分量H z 的本征方程为：()()01122=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂H c
H H z z z y r y x r x ωεε （5） 用波矢为倒格矢G 的平面波()r ε1
-、()ω,r H z 展开成级数形式，再进行适当的空间积分
和代换可以得到（5）的矩阵形式：
()()()()()',','ˆ'2
2G k A G k A G G k G k G k c ω=-+•+∑ （6） 式中()G k A
,是磁场强度z 方向分量),(ωr H z 的Fourier 系数；()G k ˆ是周期分布的()r ε1-的Fourier 系数。

这个波矢在不同波矢k 情况下的本征值就可以得到TE 偏振光在二维光子晶体中的光子晶体禁带结构图。

本例子以GaAs 为材料采取在薄膜平面上打空气孔方式产
生光子晶体,晶格周期a=1um, 打孔半径r0=0.43um, 可得光子晶体禁带结构图如图一
图一平面波展开法能带图r0=0.43um
（2）时域有限差分法
时域有限差分法是直接从Maxwell旋度方程出发得到差分方程，从而计算出电场和磁场的6个分量由于毕业设计不涉及此算法在此不再举例说明。

四边界吸收条件
由于用FDTD法求解电磁场问题时假定问题空间是无限大的，而每个单元网格上的六个场分量均需在任一时间步上存储起来供下一时间步计算，所以需要的存储空间是无限大的。

我们需要对有限空间的周围边界做特殊处理，使得向边界行进的波在边界处保持“外向行进”的特征，无明显的反射。

现在构造吸收边界条件方法主要有两种：一种是在边界上引入吸收材料，电磁波在无反射的进入吸收材料后被衰减掉。

另种是从外行波方程出发构造的透射边界条件。

毕业设计采用的是完全匹配层（PML）,它是属于第一种方法。

PML这种方法构造复杂内存需求较大，但在很大的入射角度上吸收效果较好。

现在边界吸收条件问题解决方法主要有Mur吸收边界条件法、廖氏吸收边界条件法、超吸收边界条件法、完全匹配层法等几个方法。

我们采用的是完全匹配层法所以在这里只对完全匹配层法进行介绍。

1994 年J .P.1Berenger 提出了“完全匹配层(PML ) ”这种新边界, 他是应用某种依
赖于方向的、满足匹配条件的地导电和导磁媒质来吸收反射波。

通常在计算域的截断面之外布置完全匹配层, 当波进入PML 中时, 因波阻抗保持不变而无反射发生。

当外行波到达PML 的最外层时, 其幅度近似衰减为0。

微弱的反射波在此产生, 反射波传播到计算域之前, 又要经过完全匹配层的再次衰减, 这样进入计算域的反射波是十分微弱的。

完全匹配层是一种非物理性的电磁波吸收层, 用电导率σ 和磁导率σ#表征, σ和σ#可分别解为σx σy σz 和σ#x σ#y σ#z 可以证明, 当PML 满足以下2 个条件时, 他对电磁波不反射；
(1) 为吸收某一方向的电磁波(如z 向) , 则σ和σ#在其他方向上的分量σx σy 和σ#x σ#y 均为0
(2) σ和σ# 与电介常数ε和磁导率μ满足下列方程:
μσεσi zj i zj
#= （i=1,2）
以上为文献是本人在近段时间观看的与本课题相关文献的一部分，其中还有一些相关理论、实验的相关文献因篇幅原因没有一一呈现。

四、参考文献
[1] 春名正光, 栖原敏明[日]. 集成光路[M]. 北京:科学出版社. 1985, 1~7.
[2] Tirka P A etc. Higher order absorbing boundary conditions for the finite difference time
domain method[J]. IEEE Trans Antennas and Propagation, 1992(10): 1215~1222.
[3] 王长清, 祝西里. 电磁场计算中的时域有限差分法[M]. 北京: 北京大学出版社, 1994,
255~258.
[4] 李玉权, 崔敏光. 波导理论与技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2004, 325~336.
[5] 葛德彪, 闫玉波. 电磁波时域有限差分方法[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2001,
385~401.
[6] 高本庆. 时域有限差分法[M]. 北京:国防工业出版社, 1995, 120~132.
[7] Deitel HMIC[美] 程序设计教程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000, 109~128.
[8] 姚纪欢, 冯晓霞, 乔灵爱. 用时域有限差分方法计算电磁散射[J]. 山西大学报, 1999（2）:
205~211.
[9] 盛振华. 电磁场与微波技术[M]. 北京:高等教育出版社, 1985, 100~108.
[10] 董树义. 微波测量技术[M]. 北京:北京理工大学出版社, 1990, 420~423.
[11] 楼仁海, 符果行. 高等电磁理论[M]. 电子科技大学出版社, 1996, 650~653.
[12] C Richard, Jr Booton. Computational methods for electromagnetics and microwaves[M]. A
Wiley - Interscience Publication, 1992, 230~235.
[13]胡来平, 刘占军. FDTD方法中的吸收边界条件[J]. 现代电子技术, 2003(9): 30~32.
本科毕业设计
（20 届）
基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真
摘要
【摘要】在材料科学飞速发展的今天各种材料应运而生，由于光子传输有电子无法比拟的特性所以光子晶体材料的出现受到了人们广泛的关注。

本课题是以时域有限差分法（finite difference time domain简称：FDTD）为理论基础，利用XFDTD软件，构造正方点阵结构的光子晶体，通过模拟光束在无缺陷的光子晶体结构中的传播行为，得到了电磁场模拟分布图和电场数据。

通过改变光束波长，仿真得到了正方点阵光子晶体的光子禁带结构。

在正方点阵结构引入直线型缺陷、T型缺陷和Y型缺陷后，模拟出了在禁带光波频率下电磁场分布图和相关数据。

本文还介绍了相关的理论知识如FDTD算法、光子禁带的算法、边界吸收条件的设置、软件XFDTD的背景、用法等相关知识。

【关键词】XFDTD；光子晶体材料；光子禁带；完全匹配层。

Abstract
【ABSTRACT】Today materials science is rapid developing and many materials came into being today.Because the photon can not match the characteristics of electronic in transmission, photonic crystal materials has been widespread concern for its emergence. Today the study of photonic crystal research is focused on its performance in the laboratory study,photonic crystal materials has been used in some products but large-scale using is still some time away. This topic is based on finite difference time domain method as a theoretical ing XFDTD software, constructed square matrix structure and simulated electromagnetic field distribution and related data by simulating the light through the photonic crystal defect-tree structure. By changing the frequency of light to be getting the square matrices of photonic band frequency. In the frequency band in the square matrix structure introduced linear defects T-type defects and Y-type defects to simulate the relevant data. This article also describes the theory of knowledge on relevant topics Such as the FDTD algorithm, the algorithm photonic band gap, setting absorption boundary condition the background of the software XFDTD and its usage and so on.
【KEYWORDS】XFDTD; Photonic crystal materials; Photonic band gap; PML.
目录
摘要 .............................................................................................................................................................. I I Abstract.. (III)
目录 (IV)
1光子晶体 (1)
1.1光子晶体的概念 (1)
1.2光子晶体的简介 (1)
1.3光子晶体的特点及应用 (2)
1.4本章小结 (2)
2时域有限差分法（FDTD） (3)
2.1FDTD算法的概述 (3)
2.2DFTD的产生与发展 (3)
2.3DFTD算法的应用 (4)
2.4FDTD的优越性 (4)
2.5FDTD算法的原理 (5)
2.5.1麦克斯韦方程的差分近似 (5)
2.5.2稳定性条件 (8)
2.6本章小结 (8)
3吸收边界条件 (9)
3.1吸收边界被提出的背景 (9)
3.2Mur吸收边界条件 (9)
3.3完全匹配层（PML） (10)
3.4吸收边界条件的现状 (12)
3.5本章小结 (12)
4光子禁带 (13)
4.1光子禁带的概念 (13)
4.2平面波展开法 (13)
5XFDTD软件 (16)
5.1软件背景 (16)
5.2XFDTD应用 (16)
5.3XDFTD的主要特点 (17)
5.3.1仿真效率高及结果精确 (17)
5.3.2便捷CAD导入 (17)
5.3.3适应性网格功能 (17)
5.3.4对材料有强大处理能力 (17)
5.3.5对生物进行电磁学的仿真 (17)
5.3.6手动或者自动生成网格 (17)
5.3.7通过时域分析一次性得到宽频带的仿真结果 (17)
5.3.8二维三维动态视图 (17)
5.3.9强大的硬件加速能力 (18)
5.4本章小结 (18)
62维光子晶体波导器件的仿真 (19)
6.1光子晶体结构的设计 (19)
6.1.1定义光子晶体材料 (19)
6.1.2光子晶体模型的建立 (19)
6.2缺陷的引入 (22)
6.3网格的生成 (23)
6.4信号源的设置 (24)
6.4.1信号源的选择及频率的设置 (24)
6.4.2仿真层的设置 (24)
6.5仿真前参数设置 (24)
6.6仿真 (25)
6.6.1确定禁带频率 (26)
6.6.2直线型缺陷仿真： (28)
6.6.3Y型缺陷仿真 (30)
6.6.4T型缺陷仿真 (33)
6.7研究中遇到的问题 (36)
6.7.1半径问题 (36)
6.7.2衬底和介质柱的设置 (36)
6.8本章小结 (36)
7结论 (37)
参考文献 (38)
致谢 (39)
1光子晶体
1.1光子晶体的概念
光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。

1.2光子晶体的简介
自从1864年英国科学家麦克斯韦预言了电磁波的存在1887年德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在之后，人类对电磁波的研究已深入各个领域，应用非常广泛。

在1987年Yablonovitch和John不约而同的指出在电磁波系统中可能存在介电常数周期性变化变化的三维介质电磁波能带结构。

在这种系统中，某些频段的电磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无法在介质中传播，形成电磁波能隙。

能够产生该能隙的周期性介质材料就称为光子晶体材料。

现代电子学的基础是电子能带和带隙，这是因为电子波函数与晶体周期势场相互作用的结果。

因为光子晶体的介质是周期性变化因此光子晶体也具有带隙结构，因此由光带结构控制光在光子晶体中运动。

又因为光波色散曲线成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的光子禁带，频率在禁带中的光波将被阻止在材料外。

这种具有光子禁带的周期性介质结构晶体就是光子晶体。

从此以后光子晶体概念被提出之后得到了广泛的关注，人们纷纷对这种物质产生了浓厚的兴趣，经过多年的发展光子晶体的理论和实验研究以及相关应用得到了迅速的发展。

光子晶体波导器件是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

目前关于光子晶体波导器件有了很多的研究成果，随着人们对光子晶体的进一步深入研究更多的研究成果将会被应用到我们日常生活中。

光子晶体技术正在使信息处理技术集成化、微型化、和全光子化。

因为光子晶体就有光子禁带，即光子具有的能量在光子晶体禁带中时这样的光子禁止通过此光子晶体材料而如果改变光子晶体周期结构在结构中制造缺陷，这样在光子禁带中会形成缺陷能级，与缺陷态频率吻合的光子被限制在缺陷的位置偏离位置后会马上衰减。

光才可以在光子晶体引入的缺陷中传输。

而且在光子禁带缺陷中传播的光线因为光子禁带的原因使其传播过程中即使经过很多的转角和弯曲也不会有能量的损失。

正因如此光子晶体波导器件在集成光路中有着巨大的应用潜力。

继而光子晶体波导也成为光子晶体研究成非常重要的一个方面。

对于基于光子晶体的光集成、光通信及光传感技术，光子晶体波导都是最基本的器件，也是开发和设计其他各种器件的基础，由于三维光子晶体及波导的加工制作尚不成熟，对于光子晶体波导的研究主要集中二维光子晶体波导方面。

平面波导器件又称为光子集成器件。

其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面波导。

目前主要的。