1. 研究目的与意义
光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波，当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构，其的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。但传统光子晶体微腔结构不能高效的同时兼顾横电模TE和横磁模TM电磁波，也使其应用受到了限制。
MEMS全称微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。由于其尺寸的减小，使MEMS器件在现代社会，特别是万物相连的物联网社会起到举足轻重的作用。光电系统是MEMS的重要组成部分，但由于光微机电器件尺寸微小，光取出率就成了一个问题。
2. 研究内容与预期目标
由于光微电机的尺寸很小，其光取出率就成为一个问题，所以我们主要研究内容就是要设计出一个环形光子晶体，从而提升其光取出率。第一，我们先要设计出一个环形平板型光子晶体结构。第二，射入光束，利用多重布拉格反射引起的面内电磁波约束效应和对光透过率的计算，可以求出晶体结构漏模的分布。第三，利用有限时域差分方法来改变周期，厚度，内外半径从而引起漏模的变化。第四，通过实验得到的一系列数据，拟合出最佳漏模波长，从而来设计出MEMS所需要的能够提高光取出率的光子晶体结构。课题的预期目标就是运用时域有限差分方法变化参数结构，能够拟合出最佳理想的数据，以期构造出一种无偏振环形光子晶体的结构，从而能够兼顾TE和TM电磁波，提高器件光取出率。
3. 研究方法与步骤
当光子晶体的概念被提出后,其特性被人们广泛运用，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。要想更好地利用光子晶体来加强器件的性能，必须要知道能带特性及其内部电磁波的传输性能。然而光子晶体满足麦克斯韦方程，因此人们为了能更深入地研究其特性，基于矢量式麦克斯韦方程，计算方法有：传输矩阵法(TMM)、平面波展开法(PWM)、多重散射法(MSM)、时域有限差分法(FDTD)等。而对于本文的二维光子晶体来说，用到的方法有平面波展开法和时域有限差分法。
而本文采用的主要研究方法为时域有限差分法，分析环形光子晶体在周期，内外半径，厚度分别在不同数值时，透射率的分布，从而计算出预期理想数值，从而提高器件光取出率。时域有限差分法 (FDTD)最早是由K.S.Yee于1966年提出。是对偏微分波动方程的离散化求解，利用时间和空间将偏微分方程转化为差分方程，从而求解电磁波传播过程中的各个离散点的参量与时间的函数关系。并且通过傅里叶级数的转化，可以同时计算出大的频率范围内的结果。核心思想是把带时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为差分形式，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应。FDTD有着广泛的应用性、节约运算和存储空间、计算程序的通用性、简单直观等诸多优点。此方法不会局限于光子晶体的几何结构，可以有效地得出所求结构的透射和反射等性能。在光学领域中，FDTD更是被广泛使用。
步骤：
4. 参考文献
[1] 王伟超.MEMS传感器技术数字式倾角仪的设计应用[J].无线互联科技,2019,16(12):141-142.
[2]姚兴宇.MEMS传感器在中国的发展现状分析[J].决策探索(中),2019(08):86-87.
[3]杜宏艳,戚宇帆,吴晨雪,刘玥君,梁丽萍,郭文英,张子栋.SiO_2光子晶体结构色薄膜的制备与光学性能研究[J].材料工程,2019,47(12):111-117.
5. 工作计划
2022.2 下达任务书
2022.3 查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告
2022.4 熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果
以上是毕业论文开题报告，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
