基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，它包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱，所述高折射率介質(zhì)柱由平板介質(zhì)柱三連桿連接圓環(huán)介質(zhì)柱組成；所述的平板介質(zhì)柱由水平方向平板柱、垂直方向平板柱及正方晶格元胞的水平格矢量成45°角或135°角的斜向平板柱構(gòu)成；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由所述元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a，所述平板介質(zhì)柱的寬度D為0.0286a，所述圓環(huán)柱的外徑R為0.286a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為0.99，對(duì)應(yīng)最大絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為10.401486％。本發(fā)明光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常大的絕對(duì)禁帶，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成光路設(shè)計(jì)中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及寬絕對(duì)禁帶二維光子晶體。

【背景技術(shù)】
[0002] 1987年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的E. Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射 和Princeton大學(xué)的S. John在討論光子區(qū)域各自獨(dú)立地提出了光子晶體（Photonic Crystal)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(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩 種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。
[0003] 在頻域，對(duì)任意方向傳播的TE或TM波，電磁場(chǎng)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(shí)為T(mén)E和TM完全禁帶的頻率區(qū)間被稱(chēng)為光子晶體的絕對(duì) 禁帶。設(shè)計(jì)具有完全禁帶或絕對(duì)禁帶的光子晶體，能夠簡(jiǎn)單而有效地調(diào)控介質(zhì)的宏觀(guān)電磁 特性，包括選擇其中傳播電磁波的頻帶、模式和傳輸路徑，控制其中介質(zhì)的吸收或輻射等特 性，是控制光子運(yùn)動(dòng)、制作各種光子器件的基礎(chǔ)。
[0004] 對(duì)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(dǎo)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(zhì)因子 越高，光子晶體對(duì)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(duì)禁帶的光子晶體因?qū)Σ煌瑐鞑シ较蛏系墓舛即嬖诠庾訋抖钣袑?shí)用意義，因此 具有完全禁帶和絕對(duì)禁帶的光子晶體受到了廣泛關(guān)注。大的絕對(duì)禁帶可以為光子晶體器件 的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)更大的方便和靈活性。
[0005] 傳統(tǒng)上，要獲得大的相對(duì)禁帶，需要采用三角晶格、六角晶格等非正方晶格結(jié)構(gòu)， 但是在光子晶體集成光路中，采用正方晶格結(jié)構(gòu)可以使光路簡(jiǎn)潔，并易于提供光路的集成 度，而傳統(tǒng)的正方晶格光子晶體的絕對(duì)禁帶寬度很小，因此具有大的絕對(duì)禁帶的正方晶格 光子晶體成是人們一直追求的目標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種易于光路集成，大絕對(duì)禁 帶寬度相對(duì)值的新型正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體包括高折射率 介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱；所述的高折射率介質(zhì)柱由平板介質(zhì)柱三連桿連接圓環(huán)介質(zhì) 柱組成；所述的平板介質(zhì)柱由水平方向平板柱、垂直方向平板柱及正方晶格元胞的水平格 矢量成45°角或135°角的斜向平板柱構(gòu)成；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由所述元胞按正方晶格 排列而成；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a ;所述平板介質(zhì)柱的寬度D為0. 0286a， 所述圓環(huán)柱外徑R為〇. 286a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為0. 99,對(duì)應(yīng) 最大絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為10. 401486%。
[0009] 所述高折射率介質(zhì)為硅、砷化鎵、二氧化鈦或折射率大于2的高折射率介質(zhì)。
[0010] 所述高折射率介質(zhì)為硅，其折射率為3. 4。
[0011] 所述背景介質(zhì)為低折射率介質(zhì)，該低折射率介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅 或低折射率介質(zhì)；所述低折射率介質(zhì)為空氣。
[0012] 所述的水平方向平板柱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。
[0013] 所述垂直方向平板柱連接桿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。
[0014] 所述的斜向平板連桿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 Via。
[0015] 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>/ia。
[0016] 所述平板介質(zhì)柱的寬度為0. Ola彡D彡0. 048a，所述圓環(huán)柱的外徑為 0. 22a < R < 0. 34a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為0. 34 < T < 0. 99,高折 射率介質(zhì)為硅，低折射率介質(zhì)為空氣，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁帶相對(duì)值大于5%。
[0017] 所述平板介質(zhì)柱的寬度為0. 0195a彡D彡0. 029a，所述圓環(huán)柱的外徑為 0. 26a彡R彡0. 34a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為0. 765彡T彡0. 99,高 折射率介質(zhì)為硅，低折射率介質(zhì)為空氣，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁帶相對(duì)值大于7%。
[0018] 本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成光路設(shè)計(jì)中。它與現(xiàn)有技術(shù)相 t匕，有如下積極效果。
[0019] 1.本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常大的絕對(duì)禁帶，為光子晶體的應(yīng)用提供了更大 的空間，同時(shí)也為光子晶體器件的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)更大的方便和靈活性。
[0020] 2.本發(fā)明的光子晶體屬于正方晶格，光路簡(jiǎn)潔，便于設(shè)計(jì)，易于大規(guī)模光路集成；
[0021] 3.本發(fā)明的正方晶格光子晶體光路中不同光學(xué)元件之間以及不同光路之間易于 實(shí)現(xiàn)連接和耦合，有利于降低成本。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的平板連桿與正方晶格元胞的水平格矢量成45°角的正方晶格二 維光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明的平板連桿與正方晶格元胞的水平格矢量成135°角的正方晶格二 維光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明平板介質(zhì)柱的寬度對(duì)于絕對(duì)禁帶相對(duì)值的影響圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于最大絕對(duì)禁帶寬度相對(duì)值能帶圖。
[0026] 圖5為圖1所示的光子晶體最大絕對(duì)禁帶相對(duì)值的參數(shù)結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的闡述。本發(fā)明的光子晶 體結(jié)構(gòu)包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱，整個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)是由元胞按正方晶 格生成的。參照?qǐng)D1、2所示為光子晶體的一個(gè)元胞，該元胞按正方晶格排列構(gòu)成所述的光 子晶體，圖中虛線(xiàn)表示元胞的邊界；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a ;所述平板介質(zhì) 柱的寬度D為0. 0286a，所述圓環(huán)柱外徑R為0. 286a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑 的比值T為0.99,對(duì)應(yīng)最大絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為10.401486% ;所述平板介質(zhì)柱的寬度為 0. Ola < D < 0. 048a，所述圓環(huán)柱的外徑為0. 22a < R < 0. 34a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差 與圓環(huán)外徑的比值為0. 34 < T < 0. 99,高折射率介質(zhì)為硅，低折射率介質(zhì)為空氣，所述光 子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁帶相對(duì)值大于5%;所述平板介質(zhì)柱的寬度為0. 0195a < D < 0. 029a， 所述圓環(huán)柱的外徑為〇. 26a < R < 0. 34a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為 0. 765 < T < 0. 99,高折射率介質(zhì)為硅，低折射率介質(zhì)為空氣，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁 帶相對(duì)值大于7%。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其特征在于，它包括 高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱，所述的高折射率介質(zhì)柱由平板介質(zhì)柱三連桿連接 圓環(huán)介質(zhì)柱組成；所述的平板介質(zhì)柱由水平方向平板柱、垂直方向平板柱及正方晶格元胞 的水平格矢量成45°角或135°角的斜向平板柱構(gòu)成；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由所述元胞按 正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a ;所述平板介質(zhì)柱的寬度D為 0. 0286a，所述圓環(huán)柱的外徑R為0. 286a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為 0. 99,對(duì)應(yīng)最大絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為10. 401486%。
2. 按照權(quán)利要求1所述的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述高折射率介質(zhì)為硅、砷化鎵、二氧化鈦或折射率大于2的高折射率介質(zhì)。
3. 按照權(quán)利要求2所述的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述高折射率介質(zhì)為硅，其折射率為3. 4。
4. 按照權(quán)利要求1所述的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述背景介質(zhì)為低折射率介質(zhì)，該低折射率介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅 或低折射率介質(zhì)。
5. 按照權(quán)利要求4所述的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述低折射率介質(zhì)為空氣。
6. 按照權(quán)利要求1所述的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述的水平方向平板柱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。
7. 按照權(quán)利要求1所述的基于三連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對(duì)禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述垂直方向平板柱連接桿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。
【文檔編號(hào)】G02B1/02GK104122607SQ201410363175
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】歐陽(yáng)征標(biāo), 王晶晶 申請(qǐng)人:歐陽(yáng)征標(biāo), 深圳大學(xué)