一種圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，它包括高折射率介質柱和低折射率背景介質柱；所述的光子晶體結構由元胞按正方晶格排列而成；所述的高折射率介質柱由平板介質柱與圓環(huán)介質柱連接構成；所述的平板介質柱的寬度D為0.01a～0.2a，所述的圓環(huán)柱的外徑R為0.1a～0.5a，所述的圓環(huán)柱的內外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為0.01～0.99。本發(fā)明的結構可以使光路簡潔，且易于提供光路的集成度，具有非常大的絕對禁帶，為光子晶體器件的設計和制造帶來更大的方便和靈活性。
【專利說明】一種圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及寬絕對禁帶二維光子晶體。
【背景技術】
[0002]1987年，美國Bell實驗室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射和Princeton大學的S.John在討論光子區(qū)域各自獨立地提出了光子晶體(PhotonicCrystal)的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質結構，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構成的人工晶體。
[0003]在頻域，對任意方向傳播的TE或TM波，電磁場態(tài)密度為零的頻率區(qū)間定義為光子晶體的TE或TM完全禁帶，同時為TE和TM完全禁帶的頻率區(qū)間被稱為光子晶體的絕對禁帶。設計具有完全禁帶或絕對禁帶的光子晶體，能夠簡單而有效地調控介質的宏觀電磁特性，包括選擇其中傳播電磁波的頻帶、模模式和傳輸路徑，控制其中介質的吸收或輻射等特性，是控制光子運動、制作各種光子器件的基礎。
[0004]對于各種光子晶體器件而言，光子禁帶越寬，器件的性能越好，例如，光子禁帶越寬，則光子晶體波導的工作頻帶越寬、傳輸損耗越小，光子晶體諧振腔和激光器的品質因子越高，光子晶體對自發(fā)輻射的約束效果越好，光子晶體反射鏡的反射率越高等。具有完全禁帶和絕對禁帶的光子晶體因對不同傳播方向上的光都存在光子帶隙。
[0005]現(xiàn)有技術中采用三角晶格、六角晶格等非正方晶格結構以獲得大的相對禁帶，但是在光子晶體集成光路中，不易于提供光路的集成度，而現(xiàn)有技術中的正方晶格光子晶體的絕對禁帶寬度很小。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足之處，提供一種易于光路集成，且具有非常大的絕對禁帶寬度相對值的二維正方晶格光子晶體。
[0007]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案予以實現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體包括高折射率介質柱和低折射率背景介質柱；所述的光子晶體結構由元胞按正方晶格排列而成；所述的高折射率介質柱由平板介質柱與圓環(huán)介質柱連接構成；所述的平板介質柱的寬度D為0.0la?0.2a,所述的圓環(huán)柱的外徑R為0.1a?0.5a，所述的圓環(huán)柱的內外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為0.01 ?0.99。
[0009]所述元胞的左平板連接桿的最左端到右平板連接桿的最右端的距離為a ;所述元胞的下平板連接桿的最底端到上平板連接桿的最頂端的距離為a。
[0010]所述的高折射率介質為硅、砷化鎵、二氧化鈦或者折射率大于2的高折射率介質；
[0011]所述的高折射率介質為硅，其折射率為3.4。
[0012]所述的低折射率背景介質為空氣、氟化鎂、二氧化硅或者低折射率介質。
[0013]所述的低折射率背景介質為空氣。[0014]設置0.029a ≤ D ≤0.124a, 0.26a ^ R ^ 0.38a, 0.206 ^ T ^ 0.99，所述光子晶
體結構的絕對禁帶相對值大于5%。
[0015]設置0.029a ≤ D≤ 0.086a, 0.26a ^ R ^ 0.38a, 0.304 ^ T ^ 0.99，所述光子晶
體結構的絕對禁帶相對值大于10%。
[0016]設置0.0385a ≤ D ≤ 0.05275a, 0.28a ^ R ^ 0.34a, 0.4755 ≤ T ≤ 0.99，所述光
子晶體結構的絕對禁帶相對值大于15%。
[0017]設置D為0.049a, R為0.296a，T為0.838，絕對禁帶寬度相對值為19.026%。
[0018]本發(fā)明的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，可廣泛應用于大規(guī)模集成光路設計中。它與現(xiàn)有技術相比，有如下積極效果。
[0019](1)利用平面波展開法進行大量的精細研究得到，最大的絕對禁帶相對值和其對應的參數(shù)；通常將絕對禁帶寬度與禁帶中心頻率的比值作為禁帶寬度的考察指標，稱之為絕對禁帶寬度相對值。 [0020](2)本光子晶體結構具有非常大的絕對禁帶，可以為光子晶體器件的設計和制造帶來更大的方便和靈活性。
[0021](3)光子晶體集成光路中，光路中不同光學元件之間以及不同光路之間易于連接和耦合，采用正方晶格結構可以使光路簡潔，且易于提供光路的集成度。
[0022](4)設計簡潔，易于制作，降低了制作成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體的結構示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明圓環(huán)柱的內外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T對于絕對禁帶相對值的影響圖。
[0025]圖3是本發(fā)明的光子晶體結構對應最大的絕對禁帶寬度相對值的能帶圖。
[0026]圖4為對應本發(fā)明光子晶體最大絕對禁帶相對值的參數(shù)的結構圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。
[0028]本發(fā)明的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體包括高折射率介質柱和低折射率背景介質柱，如圖1所示的為光子晶體的一個元胞，所述的光子晶體結構由所述元胞按正方晶格排列而成。所述元胞結構的特征參數(shù)有三個:平板介質柱的寬度D，圓環(huán)柱的外徑R，圓環(huán)柱的內外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T ;所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a ；所述元胞的左平板連接桿的最左端到右平板連接桿的最右端的距離為a ;所述元胞的下平板連接桿的最底端到上平板連接桿的最頂端的距離為a ;所述的高折射率介質柱由平板介質柱與圓環(huán)介質柱連接構成；所述的高折射率介質采用硅(Si)，所述的低折射率背景介質為空氣。
[0029]通過最速下降法對所述光子晶體結構進行優(yōu)化搜索研究，能獲得最大絕對禁帶相對值。
[0030](I)確定三個參數(shù)的初掃描范圍:平板介質柱的寬度D為(0.01a~0.2a)，圓環(huán)柱的外徑R為(0.1a~0.5a)，圓環(huán)柱的內外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T (0.01~0.99)。[0031](2)基于平面波展開法做初掃描，得到比較好的參數(shù):平板介質柱的寬度D為
0.048a,圓環(huán)柱的外徑R為0.3a。
[0032](3)固定D為0.048a, R為0.3a，基于平面波展開法對T進行掃描，得到圖2所示的結果。圖2中T的值在0.267?0.99的范圍內都有完全禁帶，且在T等于0.8415處有最大絕對禁帶相對值，
[0033]gapratiol=18.276%。
[0034](4)固定D為0.048a, T為0.8415，基于平面波展開法對R進行掃描，得到最佳絕對禁帶相對值gapratio2=18.649%，對應的R值為0.296a。
[0035](5)固定R為0.296a，T為0.8415，基于平面波展開法對D進行掃描，得到最佳絕對禁帶相對值gapratio2=18.998%，對應的D值為0.048776a。
[0036](6)判斷 I (gapratio2 - gapratiol)/(gapratio2+gapratiol) | 是否小于 1%，否則以上述各步的結果，對各參數(shù)進行新一輪掃描，直到I (gapratio2 - gapratiol)/(gapratio2+gapratiol) |〈1%才結束搜索,最終獲得最優(yōu)化的絕對禁帶相對值及其所對應的結構參數(shù)。
[0037]最終得到的優(yōu)化結果為:D=0.049a, R=0.296a，T=0.838時，最大絕對禁帶的相對值=19.026%。其能帶圖如圖3所示，最終結構參數(shù)下的光子晶體結構如圖4所示。
[0038]根據以上結果給出如下9個實施例:
[0039]實施例1.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.6975,平板介質柱寬度D=0.049a=0.034微米，圓環(huán)柱外徑R=0.296a=0.206微米，圓環(huán)柱內徑為0.033微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(1.69025?1.39659)，絕對禁帶的相對值對應為19.026%。
[0040]實施例2.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.765，平板介質柱寬度D=0.049a=0.037微米，圓環(huán)柱外徑R=0.296a=0.226微米，圓環(huán)柱內徑為0.037微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(1.85383?1.53175)，絕對禁帶相對值對應為19.026%。
[0041]實施例3.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.585，平板介質柱寬度D=0.049a=0.029微米，圓環(huán)柱外徑R=0.296a=0.173微米，圓環(huán)柱內徑為0.028微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(1.41763?1.17134)，絕對禁帶的相對值對應為19.026%。
[0042]實施例4.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.585，平板介質柱寬度D=0.067a=0.039微米，圓環(huán)柱外徑R=0.34a=0.199微米，圓環(huán)柱內徑為0.119微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(1.37218?1.30510)，絕對禁帶的相對值對應為5.011%。
[0043]實施例5.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.585，平板介質柱寬度D=0.067a=0.039微米，圓環(huán)柱外徑R=0.26a=0.152微米，圓環(huán)柱內徑為0.061微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(1.26582?1.16764)，絕對禁帶的相對值對應為8.066%。
[0044]實施例6.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.455，平板介質柱寬度D=0.048a=0.022微米，圓環(huán)柱外徑R=0.38a=0.173微米，圓環(huán)柱內徑為0.053微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(1.23246?1.11487)，絕對禁帶的相對值對應為10.016%。
[0045]實施例7.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.45，平板介質柱寬度D=0.029a=0.013微米，圓環(huán)柱外徑R=0.3a=0.135微米，圓環(huán)柱內徑為0.054微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(0.97308?0.85701)，絕對禁帶的相對值對應為12.087%。
[0046]實施例8.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.425，平板介質柱寬度D=0.048a=0.020微米，圓環(huán)柱外徑R=0.26a=0.1ll微米，圓環(huán)柱內徑為0.034微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(0.93079?0.79715)，絕對禁帶的相對值對應為15.468%。
[0047]實施例9.高折射率介質采用硅，低折射率介質為空氣，a=0.385，平板介質柱寬度D=0.048a=0.018微米，圓環(huán)柱外徑R=0.3a=0.116微米，圓環(huán)柱內徑為0.035微米，得到光子晶體的絕對禁帶范圍為(0.92702?0.77334)，絕對禁帶的相對值對應為18.079%。
[0048]以上所述本發(fā)明在【具體實施方式】及應用范圍均有改進之處，不應當理解為對本發(fā)明限制。
【權利要求】
1.一種圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述的光子晶體包括高折射率介質柱和低折射率背景介質柱；所述的光子晶體結構由元胞按正方晶格排列而成；所述的高折射率介質柱由平板介質柱與圓環(huán)介質柱連接構成；所述的平板介質柱的寬度D為0.01a~0.2a,所述的圓環(huán)柱的外徑R為0.1a~0.5a,所述的圓環(huán)柱的內外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為0.01~0.99。
2.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述元胞的左平板連接桿的最左端到右平板連接桿的最右端的距離為a ;所述元胞的下平板連接桿的最底端到上平板連接桿的最頂端的距離為a。
3.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述的高折射率介質為硅、砷化鎵、二氧化鈦或者折射率大于2的高折射率介質。
4.按照權利要求3所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述的高折射率介質為硅，其折射率為3.4。
5.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述的低折射率背景介質為空氣、氟化鎂、二氧化硅或者低折射率介質。
6.按照權利要求5所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述的低折射率背景介質為空氣。
7.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于，設置0.029a≤D≤0.124a, 0.26a ≤ R ≤ 0.38a, 0.206≤T≤0.99，所述光子晶體結構的絕對禁帶相對值大于5%。
8.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于，設置 0.029a ≤ D ≤ 0.086a,0.26a ≤ R ≤ 0.38a,0.304 ≤ T ≤ 0.99，所述光子晶體結構的絕對禁帶相對值大于10%。
9.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于，設置 0.0385a ≤ D ≤ 0.05275a, 0.28a ≤ R ≤ 0.34a, 0.4755 ≤ T ≤ 0.99，所述光子晶體結構的絕對禁帶相對值大于15%。
10.按照權利要求1所述的圓環(huán)桿與平板連桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于，設置D為0.049a, R為0.296a，T為0.838，絕對禁帶寬度相對值為19.026%。
【文檔編號】G02B6/122GK103901536SQ201410145359
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】歐陽征標, 王晶晶 申請人:深圳大學