基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，它包括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱；所述的高折射率介质柱由圆环柱和连接圆环的平板介质柱单连杆构成；所述的平板单连杆平行于正方晶格元胞的水平格矢量或者垂直格矢量；所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成；所述的正方晶格光子晶体的晶格常数为a；所述平板介质柱的宽度D为0.048a，圆环柱的外径R为0.27a，圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值T为0.296，光子晶体结构绝对禁带宽度相对值为9.8177％。本发明光子晶体结构具有非常大的绝对禁带，可广泛应用于大规模集成光路设计中。
【专利说明】基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体
【技术领域】
[0001] 本发明涉及宽绝对禁带二维光子晶体。
【背景技术】
[0002] 1987年，美国Bell实验室的E. Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射 和Princeton大学的S. John在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体（Photonic Crystal)的概念。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构，通常由两 种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。
[0003] 在频域，对任意方向传播的TE或TM波，电磁场态密度为零的频率区间定义为光 子晶体的TE或TM完全禁带，同时为TE和TM完全禁带的频率区间被称为光子晶体的绝对 禁带。设计具有完全禁带或绝对禁带的光子晶体，能够简单而有效地调控介质的宏观电磁 特性，包括选择其中传播电磁波的频带、模式和传输路径，控制其中介质的吸收或辐射等特 性，是控制光子运动、制作各种光子器件的基础。
[0004] 对于各种光子晶体器件而言，光子禁带越宽，器件的性能越好，例如，光子禁带越 宽，则光子晶体波导的工作频带越宽、传输损耗越小，光子晶体谐振腔和激光器的品质因子 越高，光子晶体对自发辐射的约束效果越好，光子晶体反射镜的反射率越高等。具有完全禁 带和绝对禁带的光子晶体因对不同传播方向上的光都存在光子带隙。因此具有完全禁带和 绝对禁带的光子晶体受到了广泛关注。
[0005] 传统上，要获得大的相对禁带，需要采用三角晶格、六角晶格等非正方晶格结构， 但是在光子晶体集成光路中，采用正方晶格结构可以使光路简洁，并易于提高光路的集成 度，而传统的正方晶格光子晶体的绝对禁带宽度很小，因此具有大的绝对禁带的正方晶格 光子晶体成为人们一直追求的目标。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种易于光路集成，大绝对禁 带宽度相对值的新型正方晶格光子晶体结构。
[0007] 为实现以上目的，本发明是通过以下技术方案予以实现。
[0008] 本发明的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体包括高折射率 介质柱和低折射率背景介质柱；所述的高折射率介质柱由圆环柱和连接圆环的平板介质柱 单连杆构成；所述平板单连杆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 光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成；所述的正方晶格光子晶体的晶格常数为a ;所 述平板介质柱的宽度D为0. 048a，所述圆环柱的外径R为0. 27a，所述圆环柱的内外径之差 与圆环外径的比值T为0. 296,光子晶体结构绝对禁带宽度相对值为9. 8177%。
[0009] 所述高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛或折射率大于2的介质；
[0010] 所述高折射率介质为硅，其折射率为3. 4。
[0011] 所述低折射率背景介质为空气、真空、氟化镁、二氧化硅或折射率小于1.6的介 质。
[0012] 所述低折射率介质为空气。
[0013] 所述水平格矢量元胞的左平板连接杆的最左端到右平板连接杆的最右端的距离 为a。
[0014] 所述垂直格矢量元胞的下平板连接杆的最底端到上平板连接杆的最顶端的距离 为a。
[0015] 所述平板介质柱的宽度为0. 02a彡D彡0. 06a，所述圆环柱的外径为 0. 245a < R < 0. 32a，所述圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值为0. 25 < T < 0. 45,所 述光子晶体结构的绝对禁带相对值大于5%。
[0016] 所述平板介质柱的宽度为0. 032a彡D彡0. 06a，所述圆环柱的外径为 0. 245a < R < 0. 29a，所述圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值为0. 29 < T < 0. 39,所 述光子晶体结构的绝对禁带相对值大于7%。
[0017] 本发明的光子晶体结构可广泛应用于大规模集成光路设计中。它与现有技术相 t匕，有如下积极效果。
[0018] 1.本发明的光子晶体结构具有非常大的绝对禁带，为光子晶体的应用提供了更大 的空间，同时也为光子晶体器件的设计和制造带来更大的方便和灵活性。
[0019] 2.本发明的光子晶体属于正方晶格，光路简洁，便于设计，易于大规模光路集成；
[0020] 3.本发明的正方晶格光子晶体的光路中不同光学元件之间以及不同光路之间易 于实现连接和耦合，有利于降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的连杆平行于元胞水平格矢量的正方晶格二维光子晶体的结构示 意图。
[0022] 图2为本发明的连杆平行于元胞垂直格矢量的正方晶格二维光子晶体的结构示 意图。
[0023] 图3为本发明平板介质柱的宽度对于绝对禁带相对值的影响图。
[0024] 图4为本发明光子晶体结构对应于最大绝对禁带宽度相对值的能带图。
[0025] 图5为图1所示光子晶体最大绝对禁带相对值的参数结构图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的阐述。
[0027] 本发明的光子晶体结构包括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱，整个光子晶 体结构是由元胞按正方晶格生成的。所述高折射率介质柱分为两个部分：圆环柱和连接圆 环的平板介质柱单连杆；参照图1和图2所示为光子晶体的一个元胞，该元胞按正方晶格排 列构成所述的光子晶体；图中虚线表示元胞的边界；所述的平板连杆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体的晶格常数为a ;所述平板介质柱 的宽度D为0. 048a，所述圆环柱外径R为0. 27a，所述圆环柱的内外径之差与圆环外径的比 值T为0. 296,光子晶体结构绝对禁带宽度相对值为9. 8177% ;所述平板介质柱的宽度为 0. 02a < D < 0. 06a，所述圆环柱的外径为0. 245a < R < 0. 32a，所述圆环柱的内外径之差 与圆环外径的比值为0. 25 < T < 0. 45,所述光子晶体结构的绝对禁带相对值大于5% ;所 述平板介质柱的宽度为〇. 〇32a < D < 0. 06a，所述圆环柱的外径为0. 245a < R < 0. 29a， 所述圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值为〇. 29 < T < 0. 39,所述光子晶体结构的绝对 禁带相对值大于7%。
[0028] 参见图1所示的平板连杆平行于正方晶格元胞的水平格矢量，所述元胞的左平板 连接杆的最左端到右平板连接杆的最右端的距离为a ;参见图2所示的平板连杆平行于正 方晶格元胞的垂直格矢量，所述元胞的下平板连接杆的最底端到上平板连接杆的最顶端的 距离为a ;所述高折射率介质材料包括硅（Si)，砷化镓，二氧化钛或折射率大于2的介质，所 述背景介质为低折射率介质，低折射率介质材料包括空气、真空、氟化镁、二氧化硅或折射 率小于1. 6的介质。
[0029] 通常将绝对禁带宽度与禁带中心频率的比值作为禁带宽度的考察指标，称之为绝 对禁带宽度相对值。
[0030] 利用平面波展开法进行大量的精细研究得到，最大的绝对禁带相对值和其对应的 参数。
[0031] 通过最速下降法对所述光子晶体结构进行优化搜索研究，能获得最大绝对禁带相 对值，具体方法如下：
[0032] (1)确定三个参数的初扫描范围为：平板介质柱的宽度D = 0.01a?0.2a，圆环柱 的外径R = 0. la?0. 5a，圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值T = 0. 01?0. 99。
[0033] (2)基于平面波展开法做粗扫描，得比较好的参数T为0· 304, R为0· 26a。
[0034] (3)高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，固定T为0.304, R为0.26a，基于 平面波展开法对D进行扫描，得到图3所示的结果。图3中，D的值在0. 025?0. 069的范围 内都有完全禁带，且在D等于0. 048a处有最大绝对禁带相对值，为gapratiol = 8. 3256%。
[0035] (4)高折射率介质采用硅，低折射率介质采用空气，固定D为0. 048a，T为0. 304， 基于平面波展开法对R进行扫描，得到最佳绝对禁带相对值gapratio2 = 9. 5981 %，对应的 R 值为 0. 27a。
[0036] (5)高折射率介质采用硅，低折射率介质采用空气，固定R为0· 27a，D为0· 048a， 基于平面波展开法对T进行扫描，得到最佳绝对禁带相对值gapratio2 = 9. 8177%，对应的 T 值为 0. 296。
[0037] (6)判断 | (gapratio2 - gapratiol) / (gapratio2+gapratiol) | 是否小于 1 %， 若否，则以前述各步的结果，对各参数进行新一轮扫描，直到I (gapratio2 - gapratiol)/ (gapratio2+gapratiol) I〈1%才结束搜索，最终获得最优化的绝对禁带相对值及其所对应 的结构参数。
[0038] 最终得到的优化结果为：D = 0. 048a，R = 0. 27a，T = 0. 296时，最大绝对禁带的 相对值=9. 8177%。其能带图如图4所示，最终结构参数下的光子晶体结构如图5所示，图 中虚线为元胞的边界。
[0039] 根据以上结果给出如下9个实施例：
[0040] 实施例1.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的 晶格常数a = 0.325,平板介质柱宽度D = 0.048a = 0.0156微米，圆环柱外径R = 0. 27a = 0. 08775微米，圆环柱内径为0. 061776微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为 (0. 595718?0. 539975)，绝对禁带的相对值对应为9. 8177% .
[0041] 实施例2.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的 晶格常数a = 0. 45,平板介质柱宽度D = 0. 048a = 0. 0216微米，圆环柱外径R = 0. 27a = 0. 1215微米，圆环柱内径为0. 085536微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为 (0· 824841?0· 747657)，绝对禁带相对值对应为9. 8177% .
[0042] 实施例3.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的晶格 常数a = 0. 65,平板介质柱宽度D = 0. 048a = 0. 0312微米，圆环柱外径R = 0. 27a = 0. 1755微米，圆环柱内径为0. 12355微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为（1. 191436? 1. 079949)，绝对禁带的相对值对应为9. 8177%。
[0043] 实施例4.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的晶格 常数a = 0. 35,平板介质柱宽度D = 0. 028a = 0. 0098微米，圆环柱外径R = 0. 26a = 0. 091微米，圆环柱内径为0. 06643微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为（0. 602461? 0. 572953)，绝对禁带的相对值对应为5. 02118%。
[0044] 实施例5.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的晶 格常数a = 0. 475,平板介质柱宽度D = 0. 04a = 0. 0. 019微米，圆环柱外径R = 0. 245a =0. 116375微米，圆环柱内径为0.077971微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为 (0. 843575?0. 79389)，绝对禁带的相对值对应为6. 06968%。
[0045] 实施例6.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的晶 格常数a = 0. 5,平板介质柱宽度D = 0. 052a = 0. 026微米，圆环柱外径R = 0. 29a = 0. 145微米，圆环柱内径为0. 09715微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为（0. 953053? 0. 888241)，绝对禁带的相对值对应为7. 03819%。
[0046] 实施例7.高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的晶格 常数a = 0. 685,平板介质柱宽度D = 0. 036a = 0. 02466微米，圆环柱外径R = 0. 275a =0. 188375微米，圆环柱内径为0. 126211微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为 (1. 243307?1. 146885)，绝对禁带的相对值对应为8. 06788%。
[0047] 实施例8.取高折射率介质采用硅，低折射率介质为空气，正方晶格光子晶体的 晶格常数a = 0. 75,平板介质柱宽度D = 0. 048a = 0. 036微米，圆环柱外径R = 0. 275a =0. 20625微米，圆环柱内径为0. 142313微米，所得到光子晶体的绝对禁带范围为 (1. 385221?1. 26531)，绝对禁带的相对值对应为9. 04728%。
[〇〇48] 以上所述本发明在【具体实施方式】及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发 明限制。
【权利要求】
1. 一种基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其特征在于，它包括 高折射率介质柱和低折射率背景介质柱；所述的高折射率介质柱由圆环柱和连接圆环的平 板介质柱单连杆构成；所述的平板单连杆平行于正方晶格元胞的水平格矢量或者垂直格矢 量；所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成；所述的正方晶格光子晶体的晶格常 数为a ;所述平板介质柱的宽度D为0. 048a，所述圆环柱外径R为0. 27a，所述圆环柱的内 外径之差与圆环外径的比值T为0. 296,光子晶体结构绝对禁带宽度相对值为9. 8177%。
2. 按照权利要求1所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其 特征在于，所述高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛或折射率大于2的介质。
3. 按照权利要求2所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其 特征在于，所述高折射率介质为硅，其折射率为3. 4。
4. 按照权利要求1所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其 特征在于，所述背景介质为低折射率介质，该低折射率介质为空气、真空、氟化镁、二氧化硅 或折射率小于1.6的介质。
5. 按照权利要求4所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其 特征在于，所述低折射率介质为空气。
6. 按照权利要求1所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其 特征在于，所述水平格矢量元胞的左平板连接杆的最左端到右平板连接杆的最右端的距离 为a。
7. 按照权利要求1所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶体，其 特征在于，所述垂直格矢量元胞的下平板连接杆的最底端到上平板连接杆的最顶端的距离 为a。
8. 按照权利要求1所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶 体，其特征在于，所述平板介质柱的宽度为〇.〇2a< D < 0.06a，所述圆环柱的外径为 0. 245a < R < 0. 32a，所述圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值为0. 25 < T < 0. 45,所 述光子晶体结构的绝对禁带相对值大于5%。
9. 按照权利要求1所述的基于单连杆柱和圆环柱的大绝对禁带正方晶格光子晶 体，其特征在于，所述平板介质柱的宽度为〇.〇32a< D < 0.06a，所述圆环柱的外径为 0. 245a < R < 0. 29a，所述圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值0. 29 < T < 0. 39,所述 光子晶体结构的绝对禁带相对值大于7%。
【文档编号】G02B6/122GK104101946SQ201410363204
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】欧阳征标, 王晶晶 申请人:欧阳征标, 深圳大学