基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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；所述的高折射率介質(zhì)柱由圓環(huán)柱和連接圓環(huán)的平板介質(zhì)柱單連桿構(gòu)成；所述的平板單連桿平行于正方晶格元胞的水平格矢量或者垂直格矢量；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述的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0.048a，圓環(huán)柱的外徑R為0.27a，圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T為0.296，光子晶體結(jié)構(gòu)絕對禁帶寬度相對值為9.8177％。本發(fā)明光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常大的絕對禁帶，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成光路設(shè)計中。
【專利說明】基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶體

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

【背景技術(shù)】
[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(xué)的S. John在討論光子區(qū)域各自獨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(shè)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(diào)控介質(zhì)的宏觀電磁 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、制作各種光子器件的基礎(chǔ)。
[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(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?qū)Σ煌瑐鞑シ较蛏系墓舛即嬖诠庾訋?。因此具有完全禁帶?絕對禁帶的光子晶體受到了廣泛關(guān)注。
[0005] 傳統(tǒng)上，要獲得大的相對禁帶，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)可以使光路簡潔，并易于提高光路的集成 度，而傳統(tǒng)的正方晶格光子晶體的絕對禁帶寬度很小，因此具有大的絕對禁帶的正方晶格 光子晶體成為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，大絕對禁 帶寬度相對值的新型正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)。
[0007] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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)柱由圓環(huán)柱和連接圓環(huán)的平板介質(zhì)柱 單連桿構(gòu)成；所述平板單連桿平行于正方晶格元胞的水平格矢量或者垂直格矢量；所述的 光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述的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. 048a，所述圓環(huán)柱的外徑R為0. 27a，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. 296,光子晶體結(jié)構(gòu)絕對禁帶寬度相對值為9. 8177%。
[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] 所述低折射率背景介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅或折射率小于1.6的介 質(zhì)。
[0012] 所述低折射率介質(zhì)為空氣。
[0013] 所述水平格矢量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。
[0014] 所述垂直格矢量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。
[0015] 所述平板介質(zhì)柱的寬度為0. 02a彡D彡0. 06a，所述圓環(huán)柱的外徑為 0. 245a < R < 0. 32a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為0. 25 < T < 0. 45,所 述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對禁帶相對值大于5%。
[0016] 所述平板介質(zhì)柱的寬度為0. 032a彡D彡0. 06a，所述圓環(huán)柱的外徑為 0. 245a < R < 0. 29a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為0. 29 < T < 0. 39,所 述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對禁帶相對值大于7%。
[0017] 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)計中。它與現(xiàn)有技術(shù)相 t匕，有如下積極效果。
[0018] 1.本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常大的絕對禁帶，為光子晶體的應(yīng)用提供了更大 的空間，同時也為光子晶體器件的設(shè)計和制造帶來更大的方便和靈活性。
[0019] 2.本發(fā)明的光子晶體屬于正方晶格，光路簡潔，便于設(shè)計，易于大規(guī)模光路集成；
[0020] 3.本發(fā)明的正方晶格光子晶體的光路中不同光學(xué)元件之間以及不同光路之間易 于實現(xiàn)連接和耦合，有利于降低成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的連桿平行于元胞水平格矢量的正方晶格二維光子晶體的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明的連桿平行于元胞垂直格矢量的正方晶格二維光子晶體的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明平板介質(zhì)柱的寬度對于絕對禁帶相對值的影響圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明光子晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)于最大絕對禁帶寬度相對值的能帶圖。
[0025] 圖5為圖1所示光子晶體最大絕對禁帶相對值的參數(shù)結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的闡述。
[0027] 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，整個光子晶 體結(jié)構(gòu)是由元胞按正方晶格生成的。所述高折射率介質(zhì)柱分為兩個部分：圓環(huán)柱和連接圓 環(huán)的平板介質(zhì)柱單連桿；參照圖1和圖2所示為光子晶體的一個元胞，該元胞按正方晶格排 列構(gòu)成所述的光子晶體；圖中虛線表示元胞的邊界；所述的平板連桿平行于正方晶格元胞 的水平格矢量或垂直格矢量；所述的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. 048a，所述圓環(huán)柱外徑R為0. 27a，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. 296,光子晶體結(jié)構(gòu)絕對禁帶寬度相對值為9. 8177% ;所述平板介質(zhì)柱的寬度為 0. 02a < D < 0. 06a，所述圓環(huán)柱的外徑為0. 245a < R < 0. 32a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差 與圓環(huán)外徑的比值為0. 25 < T < 0. 45,所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對禁帶相對值大于5% ;所 述平板介質(zhì)柱的寬度為〇. 〇32a < D < 0. 06a，所述圓環(huán)柱的外徑為0. 245a < R < 0. 29a， 所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為〇. 29 < T < 0. 39,所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對 禁帶相對值大于7%。
[0028] 參見圖1所示的平板連桿平行于正方晶格元胞的水平格矢量，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 ;參見圖2所示的平板連桿平行于正 方晶格元胞的垂直格矢量，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 ;所述高折射率介質(zhì)材料包括硅（Si)，砷化鎵，二氧化鈦或折射率大于2的介質(zhì)，所 述背景介質(zhì)為低折射率介質(zhì)，低折射率介質(zhì)材料包括空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅或折射 率小于1. 6的介質(zhì)。
[0029] 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(biāo)，稱之為絕 對禁帶寬度相對值。
[0030] 利用平面波展開法進(jìn)行大量的精細(xì)研究得到，最大的絕對禁帶相對值和其對應(yīng)的 參數(shù)。
[0031] 通過最速下降法對所述光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化搜索研究，能獲得最大絕對禁帶相 對值，具體方法如下：
[0032] (1)確定三個參數(shù)的初掃描范圍為：平板介質(zhì)柱的寬度D = 0.01a?0.2a，圓環(huán)柱 的外徑R = 0. la?0. 5a，圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值T = 0. 01?0. 99。
[0033] (2)基于平面波展開法做粗掃描，得比較好的參數(shù)T為0· 304, R為0· 26a。
[0034] (3)高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，固定T為0.304, R為0.26a，基于 平面波展開法對D進(jìn)行掃描，得到圖3所示的結(jié)果。圖3中，D的值在0. 025?0. 069的范圍 內(nèi)都有完全禁帶，且在D等于0. 048a處有最大絕對禁帶相對值，為gapratiol = 8. 3256%。
[0035] (4)高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)采用空氣，固定D為0. 048a，T為0. 304， 基于平面波展開法對R進(jìn)行掃描，得到最佳絕對禁帶相對值gapratio2 = 9. 5981 %，對應(yīng)的 R 值為 0. 27a。
[0036] (5)高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)采用空氣，固定R為0· 27a，D為0· 048a， 基于平面波展開法對T進(jìn)行掃描，得到最佳絕對禁帶相對值gapratio2 = 9. 8177%，對應(yīng)的 T 值為 0. 296。
[0037] (6)判斷 | (gapratio2 - gapratiol) / (gapratio2+gapratiol) | 是否小于 1 %， 若否，則以前述各步的結(jié)果，對各參數(shù)進(jìn)行新一輪掃描，直到I (gapratio2 - gapratiol)/ (gapratio2+gapratiol) I〈1%才結(jié)束搜索，最終獲得最優(yōu)化的絕對禁帶相對值及其所對應(yīng) 的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0038] 最終得到的優(yōu)化結(jié)果為：D = 0. 048a，R = 0. 27a，T = 0. 296時，最大絕對禁帶的 相對值=9. 8177%。其能帶圖如圖4所示，最終結(jié)構(gòu)參數(shù)下的光子晶體結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖 中虛線為元胞的邊界。
[0039] 根據(jù)以上結(jié)果給出如下9個實施例：
[0040] 實施例1.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的 晶格常數(shù)a = 0.325,平板介質(zhì)柱寬度D = 0.048a = 0.0156微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 27a = 0. 08775微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 061776微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為 (0. 595718?0. 539975)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為9. 8177% .
[0041] 實施例2.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的 晶格常數(shù)a = 0. 45,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 048a = 0. 0216微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 27a = 0. 1215微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 085536微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為 (0· 824841?0· 747657)，絕對禁帶相對值對應(yīng)為9. 8177% .
[0042] 實施例3.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的晶格 常數(shù)a = 0. 65,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 048a = 0. 0312微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 27a = 0. 1755微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 12355微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為（1. 191436? 1. 079949)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為9. 8177%。
[0043] 實施例4.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的晶格 常數(shù)a = 0. 35,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 028a = 0. 0098微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 26a = 0. 091微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 06643微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為（0. 602461? 0. 572953)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為5. 02118%。
[0044] 實施例5.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的晶 格常數(shù)a = 0. 475,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 04a = 0. 0. 019微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 245a =0. 116375微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0.077971微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為 (0. 843575?0. 79389)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為6. 06968%。
[0045] 實施例6.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的晶 格常數(shù)a = 0. 5,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 052a = 0. 026微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 29a = 0. 145微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 09715微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為（0. 953053? 0. 888241)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為7. 03819%。
[0046] 實施例7.高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的晶格 常數(shù)a = 0. 685,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 036a = 0. 02466微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 275a =0. 188375微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 126211微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為 (1. 243307?1. 146885)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為8. 06788%。
[0047] 實施例8.取高折射率介質(zhì)采用硅，低折射率介質(zhì)為空氣，正方晶格光子晶體的 晶格常數(shù)a = 0. 75,平板介質(zhì)柱寬度D = 0. 048a = 0. 036微米，圓環(huán)柱外徑R = 0. 275a =0. 20625微米，圓環(huán)柱內(nèi)徑為0. 142313微米，所得到光子晶體的絕對禁帶范圍為 (1. 385221?1. 26531)，絕對禁帶的相對值對應(yīng)為9. 04728%。
[〇〇48] 以上所述本發(fā)明在【具體實施方式】及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā) 明限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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)柱由圓環(huán)柱和連接圓環(huán)的平 板介質(zhì)柱單連桿構(gòu)成；所述的平板單連桿平行于正方晶格元胞的水平格矢量或者垂直格矢 量；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述的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. 048a，所述圓環(huán)柱外徑R為0. 27a，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. 296,光子晶體結(jié)構(gòu)絕對禁帶寬度相對值為9. 8177%。
2. 按照權(quán)利要求1所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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的介質(zhì)。
3. 按照權(quán)利要求2所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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 或折射率小于1.6的介質(zhì)。
5. 按照權(quán)利要求4所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對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所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述水平格矢量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。
7. 按照權(quán)利要求1所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶體，其 特征在于，所述垂直格矢量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。
8. 按照權(quán)利要求1所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶 體，其特征在于，所述平板介質(zhì)柱的寬度為〇.〇2a< D < 0.06a，所述圓環(huán)柱的外徑為 0. 245a < R < 0. 32a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值為0. 25 < T < 0. 45,所 述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對禁帶相對值大于5%。
9. 按照權(quán)利要求1所述的基于單連桿柱和圓環(huán)柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶 體，其特征在于，所述平板介質(zhì)柱的寬度為〇.〇32a< D < 0.06a，所述圓環(huán)柱的外徑為 0. 245a < R < 0. 29a，所述圓環(huán)柱的內(nèi)外徑之差與圓環(huán)外徑的比值0. 29 < T < 0. 39,所述 光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對禁帶相對值大于7%。
【文檔編號】G02B6/122GK104101946SQ201410363204
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】歐陽征標(biāo), 王晶晶 申請人:歐陽征標(biāo), 深圳大學(xué)