基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，其步驟包括：（1）構(gòu)建一種8字形散射體正方晶格光子晶體；（2）通過改變，改變8字形散射體正方晶格光子晶體完全帶隙的寬度和數(shù)量，從而尋找大帶隙；（3）根據(jù)步驟（2）中帶隙和能帶的變化規(guī)律，通過參數(shù)優(yōu)化，獲得最大完全帶隙寬度和六條完全帶隙。本發(fā)明方法找到了8字形散射體二維正方晶格光子晶體TM模存在的較大完全帶隙，為基于完全帶隙特性設(shè)計(jì)的濾波器及全反射等提供應(yīng)用基礎(chǔ)。通過參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)時(shí)，獲得最大完全帶隙寬度。當(dāng),時(shí)，時(shí)，存在六條完全帶隙。
【專利說明】基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，屬于光子晶體、能帶及帶隙研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是1987年由Yablonovitch和John提出的新概念和新材料,迄今已取得異常迅猛的發(fā)展，逐步形成了一門正在蓬勃發(fā)展的新學(xué)科。進(jìn)行光子晶體研究，不僅具有重要的理論價(jià)值，更具有非常廣闊的應(yīng)用前景。因此，光子晶體領(lǐng)域自它提出后一直為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。
[0003]光子晶體有著許多重要的應(yīng)用前景，如全反射、光子晶體波導(dǎo)及光子晶體微腔等，這些應(yīng)用都是基于光子晶體的帶隙及其缺陷模式特性來實(shí)現(xiàn)的。雖然三維光子晶體具有更廣泛的應(yīng)用潛力，但在可見光和紅外波段制作這樣的微結(jié)構(gòu)存在重重困難。相對(duì)而言，二維光子晶體既存在眾多應(yīng)用，也相對(duì)容易制造，已有不少在紅外波段的二維光子晶體的應(yīng)用實(shí)例，因此，二維光子晶體仍有著很大的實(shí)用價(jià)值。
[0004]一般來說，光子晶體的完全帶隙寬度越大且性能越穩(wěn)定，就越有應(yīng)用價(jià)值，所以探索更大完全帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)仍是該領(lǐng)域的研究方向之一。目前，已有文獻(xiàn)提出了多種低對(duì)稱性二維光子晶體結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得到較可觀的完全帶隙；而且表明了完全帶隙的大小與光子晶體的晶格類型、介質(zhì)柱的形狀、相對(duì)介電常數(shù)、填充率等因素有關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，對(duì)光子晶體的全反射、光子晶體波導(dǎo)及光子晶體微腔的研究奠定基礎(chǔ)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，包括如下步驟:
(O構(gòu)建一種8字形散射體正方晶格光子晶體:設(shè)定所有結(jié)構(gòu)參數(shù)都是對(duì)晶格常數(shù)-- = 1μιη歸一化，所述8字形散射體正方晶格光子晶體的小圓半徑為r，8字形所在大圓半徑為R ’滿足R = 2r為小圓軸線連線與水平方向的夾角，逆時(shí)針方向?yàn)檎?br> [0007](2)通過改變Sr,R = 2rj，改變8字形散射體正方晶格光子晶體完全帶隙的寬度
和數(shù)量，從而尋找大帶隙，其包括如下步驟:
a、改變夾角6來改變帶隙和能帶；
b、改變散射體相對(duì)介電常數(shù)εY來改變帶隙和能帶；
c、改變半徑P、來改變帶隙和能帶；
(3)根據(jù)步驟(2)中帶隙和能帶的變化規(guī)律，通過參數(shù)優(yōu)化，獲得最大完全帶隙寬度和六條完全帶隙:當(dāng)i? = 0.3，￡V = 11.56，(6=45^時(shí)，最大完全帶隙寬度0.1028(Χ2?κ);當(dāng)R = 0.3 ^沒=115。時(shí)，f [32.3,33.5]時(shí)，存在六條完全帶隙。
[0008]進(jìn)一步，所述a步驟具體包括:
當(dāng)er =llJ6,i? = 0.3 , $e[Cf,lB0^}內(nèi)均勻改變，掃描間隔為3。，采用平面波展開法得到TM模8字形散射體完全帶隙特性圖，在(6=45°時(shí)，TM模存在最大完全帶隙，其寬度為01028( _/2τκ),當(dāng)0e[132'13?]時(shí)，存在五條完全帶隙；而TE模式在5 eWCf ]內(nèi)完全帶隙較小且數(shù)量較少，能帶特性更為復(fù)雜；
當(dāng)Α = 0.3,εν = 11.56時(shí)，TM模式最大完全帶隙隨β的變化范圍為
[0.0223伽/2加,0.1028細(xì)/2取]^0€[Ο'18(Π區(qū)間內(nèi)，最大完全帶隙存在三個(gè)極小值點(diǎn)，分別為:5 = 9°時(shí)，最大完全帶隙寬度為; β = 90β時(shí)，最大完全帶隙寬度為
0.0538α>α/2πε ； 51 = 168°時(shí)，最大完全帶隙寬度為0.028342?/-- ;最大完全帶隙存在兩個(gè)極大值點(diǎn)，分別為:6 = 45°時(shí)，最大完全帶隙寬度為0.1028_/2加；^ = 135°時(shí)，最大完全帶隙寬度為0.0820； 選擇夾角6接近一三或二四象限角平分線來得到大的完全帶隙。
[0009]進(jìn)一步,所述b步驟具體包括如下內(nèi)容:
當(dāng)5 = 0.3，5=115°時(shí)，4 e[l,40]內(nèi)均勻改變，掃描間隔為0.06，采用平面波展開法得
到TM模8字形散射體完全帶隙特性圖，在4=29.9時(shí)，TM模存在最大完全帶隙，其寬度為0Mll(m/2^),當(dāng)er €[32.3,33.5]時(shí)，存在六條完全帶隙，隨著r的增大，完全帶隙向低
頻段移動(dòng)；而TE模式在^ e[l，40]內(nèi)完全帶隙只有一條，且隨著4的增大完全帶隙向低頻段移動(dòng)，與夾角對(duì)能帶的影響一樣，其能帶特性更為復(fù)雜；
當(dāng)及二 0.3，5=115°時(shí)，Ge [1,40]內(nèi)均勻改變時(shí)，TM模式最大完全帶隙隨4的變化，其變化范圍為[0.0363?s/2；?rc，0.06llffl3/2^c]；
選擇介電常數(shù)較大的介電材料來得到大的光子帶隙。
[0010]進(jìn)一步,所述C步驟具體包括如下內(nèi)容:
當(dāng)4 = 0.3，5=115。時(shí)，Λ€[0.1,α5]內(nèi)均勻改變，掃描間隔為0.01，采用平面波展開法得到TM模8字形散射體完全帶隙特性圖，在i?=0.4S時(shí)，TM模存在最大完全帶隙，其寬度為0.0862(>fl/2?);隨著J2的增大，完全帶隙向高頻段移動(dòng)；在選定參數(shù)下，當(dāng)i?e[0—36,0.39]時(shí)，可得到四條完全帶隙；而TE模式在i?e[0.1,115]內(nèi)TE模式完全帶隙極少，其能帶特性極為復(fù)雜；
當(dāng)i? = 0.3，0=115°時(shí)，及e[0.1,0.5]內(nèi)均勻改變時(shí)，TM模式最大完全帶隙隨?的變化，其變化范圍為[0.0375伽/21,0.0862^^/27^]。
[0011]本發(fā)明的積極效果:本發(fā)明利用8字形散射體實(shí)現(xiàn)了 0.1028-/21的最大完全帶隙。因?yàn)楣庾訋对綄挘?br> 基于該光子晶體設(shè)計(jì)的器件性能就越穩(wěn)定，所以本發(fā)明所提出的8字形散射體對(duì)設(shè)計(jì)基于光子大帶隙及復(fù)雜能帶特性的光子晶體器件具有理論指導(dǎo)意義。從具體實(shí)施辦法的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于低對(duì)稱性散射體不能簡(jiǎn)單的計(jì)算第一不可約布里淵區(qū)來獲取完全帶隙，而應(yīng)該在整個(gè)第一布里淵區(qū)計(jì)算獲取。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為8字形介質(zhì)柱散射體模型圖。
[0013]圖2為二維正方晶格8字形散射體模型圖。
[0014]圖3為第一布里淵區(qū)MM1M2M3M4及第一不可約布里淵區(qū)TΧΜ。
【權(quán)利要求】
1.基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，包括如下步驟: (O構(gòu)建一種8字形散射體正方晶格光子晶體:設(shè)定所有結(jié)構(gòu)參數(shù)都是對(duì)晶格常數(shù)a = Itim歸一化，所述8字形散射體正方晶格光子晶體的小圓半徑為r，8字形所在大圓半徑為R ,滿足= 為小圓軸線連線與水平方向的夾角，逆時(shí)針方向?yàn)檎? (2)通過改變?chǔ)舮Λ= 2r,&,改變8字形散射體正方晶格光子晶體完全帶隙的寬度和數(shù)量，從而尋找大帶隙，其包括如下步驟: a、改變夾角S來改變帶隙和能帶； b、改變散射體相對(duì)介電常數(shù)Sr來改變帶隙和能帶； C、改變半徑?來改變帶隙和能帶； (3)根據(jù)步驟(2)中帶隙和能帶的變化規(guī)律，通過參數(shù)優(yōu)化，獲得最大完全帶隙寬度和六條完全帶隙:當(dāng)i? = 0.3,4 = 11.56, 5=45°時(shí)，最大完全帶隙寬度0.1029[./2?κ);當(dāng)R = H 5=115。時(shí)，^ €[32,3,33.5]時(shí),存在六條完全帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，其特征在于:所述a步驟具體包括: 當(dāng)er =11.56,^ = 0.3 , 5e[OMSOi]內(nèi)均勻改變，掃描間隔為3。，采用平面波展開法得到TM模8字形散射體完全帶隙特性圖，在5=45°時(shí)，TM模存在最大完全帶隙，其寬度為.0.1028(伽/2瓜),當(dāng)0e[132'138#]時(shí)，存在五條完全帶隙；而TE模式在5 e[CrM8CT]內(nèi)完全帶隙較小且數(shù)量較少，能帶特性更為復(fù)雜； 當(dāng)i? = 0.3，￡V = 11.56時(shí)，TM模式最大完全帶隙隨β的變化范圍為[0.0223_/2加,0.1028伽/2加];在0€[0%180〃]區(qū)間內(nèi)，最大完全帶隙存在三個(gè)極小值點(diǎn)，分別為..Θ = Ψ時(shí)，最大完全帶隙覽度為0.0223akx/2irc ； β = 90°時(shí)，最大完全帶隙覽度為.0.0538--/2^ ;5=163。時(shí),最大完全帶隙寬度為0.0283嫩/2犯；最大完全帶隙存在兩個(gè)極大值點(diǎn)，分別為:? = 45°時(shí)，最大完全帶隙寬度為0.1028eto/2/rc ;沒=13513時(shí)，最大完全帶隙寬度為0.0820?a/2雙；； 選擇夾角6接近一三或二四象限角平分線來得到大的完全帶隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，其特征在于:所述b步驟具體包括如下內(nèi)容: 當(dāng)及= 0.3，5=115°時(shí)，4印肩]內(nèi)均勻改變，掃描間隔為0.06，采用平面波展開法得到TM模8字形散射體完全帶隙特性圖，在4=29.9時(shí)，TM模存在最大完全帶隙，其寬度為.0.0611(^/2^),當(dāng)εy €[32.3,33.5]時(shí)，存在六條完全帶隙，隨著的增大，完全帶隙向低頻段移動(dòng);而TE模式在&e[l,40]內(nèi)完全帶隙只有一條，且隨著4的增大完全帶隙向低頻段移動(dòng)，與夾角對(duì)能帶的影響一樣，其能帶特性更為復(fù)雜； 當(dāng)5 = 0.3，3=115°時(shí)，&€[140]內(nèi)均勻改變時(shí)，TM模式最大完全帶隙隨4的變化，其變化范圍為[0.0363伽/2爪,0.0611伽/2見]； 選擇介電常數(shù)較大的介電材料來得到大的光子帶隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于8字形散射體二維光子晶體尋找大帶隙的方法，其特征在于:所述c步驟具體包括如下內(nèi)容: 當(dāng)4 = 0.3，^=I 15?時(shí)，Λ e[0.1,0.5]內(nèi)均勻改變，掃描間隔為0.01，采用平面波展開法得到TM模8字形散射體完全帶隙特性圖，在i?=0.48時(shí)，TM模存在最大完全帶隙，其寬度為(〕'0862(^^/2泥)；隨著及的增大，完全帶隙向高頻段移動(dòng)；在選定參數(shù)下，當(dāng)5e[0.36，0.39]時(shí)，可得到四條完全帶隙；而TE模式在Λ e[0.1,0.5]內(nèi)TE模式完全帶隙極少，其能帶特性極為復(fù)雜 ； 當(dāng)5 = 0.3，5=115°時(shí)，A e[0.1，0.5]內(nèi)均勻改變時(shí)，TM模式最大完全帶隙隨的變化，其變化范圍為[0.0375as/2ttc,0.0862_/2加]。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK103995315SQ201410226969
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】徐權(quán), 潘賽虎, 彭翠云 申請(qǐng)人:常州大學(xué)