一种二维组合型光子晶体及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种二维组合型光子晶体，三角晶格光子晶体晶格常数a为1，空气柱横截面半径r为0.25a，正方晶格光子晶体晶格常数为0.6a，空气柱横截面半径r为0.21a。正方晶格光子晶体中引入一矩形空气缺陷，三角晶格光子晶体中引入实现入射光束30°、60°、150°及210°偏转的另一矩形空气缺陷。本发明调整三角晶格光子晶体的晶格常数与正方晶格光子晶体晶格常数之间的关系形成新的二维组合型光子晶体，光束同时实现三角晶格光子晶体及正方晶格光子晶体中的自准直传输；本发明沿自准直方向入射实现光束30°、60°、150°及210°的偏转，为光子晶体导光方向的研究提供了一种新的方式，更好地控制光的传播。
【专利说明】一种二维组合型光子晶体及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种二维组合型光子晶体及其应用，属于信息光学光子晶体的技术领 域。
【背景技术】
[0002] 1987年，Yablonovitch等人提出光子晶体概念，光子晶体是指具有光子带隙的周 期性电介质结构，频率落在光子带隙中的光不能传播。近年来，除光子带隙特性之外，异常 色散特性也逐渐引起了人们的关注，其中包括自准直特性。
[0003] 在1999年，Kosaka等人在光子晶体中发现了自准直效应，不同于真实的光波导， 即在不引入光子晶体线缺陷的情况下，对于某种晶格，特定频率的自准直光束可以无衍射 地在光子晶体内部沿特定的方向传播。光子晶体内光线的传播方向由群速度的方向决定， 而群速度的方向总垂直于等频线EFC。若特定频率的等频线为直线，光线将沿直线传播，形 成虚波导。在一定入射角范围内，光线都可以耦合进入光子晶体形成自准直传输。2003年， yu等人通过实验，利用光子晶体的自准直特性，实现了光束90°的转向和分束，这证明了 在不对光子晶体进行特殊处理的情况下，不引入点缺陷或线缺陷，处于自准直频率的光束 可以沿特定的方向传播，就好像由真实的光波导控制的一样，也可达到控制光束传播的目 的。这大大降低了光子器件的复杂度，对集成光路的设计具有重要意义。
[0004] 但目前对于自准直光束传播方向的研究，大多只针对一种光子晶体，在自准直光 子晶体内部引入一矩形空气缺陷后，出射光束相对于入射光束而言，传播方向大多只可以 实现60°或90°的改变，导光角度的偏转情况较为单一。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明公开了一种二维组合型光子晶体；
[0006] 本发明还公开了上述二维组合型光子晶体的应用；
[0007] 本发明是基于光子晶体自准直特性提出了一种二维组合光子晶体，所述二维组合 光子晶体将不同类型的光子晶体的自准直频率匹配起来。所述二维组合型光子晶体通过将 三角晶格光子晶体及正方晶格光子晶体连接，对所述三角晶格光子晶体及所述正方晶格光 子晶体的自准直频率进行相应匹配，在适当的位置引入矩形空气缺陷，沿自准直方向入射 即可实现入射光束30°、60°、150°及210°的特殊角度的偏转，为光子晶体导光方向的 研究提供了 一种新的方式，更好地控制光的传播。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -种二维组合型光子晶体，包括上半部分光子晶体及下半部分光子晶体，所述上 半部分光子晶体连接所述下半部分光子晶体，所述上半部分光子晶体为三角晶格光子晶 体，所述三角晶格光子晶体包括平板状基部及在所述平板状基部上设置的按三角晶格周期 性排布的原胞单元，所述下半部分光子晶体为正方晶格光子晶体，所述正方晶格光子晶体 包括平板状基部及在所述平板状基部上设置的按正方晶格周期性排布的原胞单元，所述平 板状基部的材质为硅介质，所述硅介质的折射率η为3. 4,所述原胞单元为圆柱形介质柱， 所述圆柱形介质柱为空气柱，所述三角晶格光子晶体晶格常数a为1，所述三角晶格光子晶 体的空气柱横截面半径r为0. 25a，所述正方晶格光子晶体晶格常数为0. 6a，所述正方晶格 光子晶体的空气柱横截面半径r为0. 21a，在所述正方晶格光子晶体中，光束自准直传播方 向ΓΜ沿水平方向即沿ΓΧ方向引入一矩形空气缺陷，所述光束自准直传播方向ΓΜ与所 述正方晶格光子晶体中的等频线的形状垂直，在所述三角晶格光子晶体中，光束自准直传 播方向ΓΜ沿坚直方向引入实现入射光束30°、60°、150°及210°偏转的另一矩形空气 缺陷，所述光束自准直传播方向ΓΜ与所述三角晶格光子晶体中的等频线的形状垂直。
[0010] 上述推导过程如下：
[0011] 设定所述三角晶格光子晶体晶格常数为ai，所述三角晶格光子晶体的空气柱横截 面半径r为0. 25ai。
[0012] 所述三角晶格光子晶体的自准直频率f为0. 3c/ai，所述c为自由空间的光速。
[0013] 使用TE偏振的光源，利用平面波展开法研究其等频线分布，发现TE模第二能带在 频率f = 〇. 3c/ai时，等频线的形状垂直于Γ Μ方向接近于直线，说明这个频率的入射光束 在垂直于等频线沿Γ Μ方向入射时，光束自准直传播，则f = 0. 3c/ai为所述三角晶格光子 晶体的自准直频率。
[0014] 设定所述正方晶格光子晶体晶格常数为a2，所述正方晶格光子晶体的空气柱横截 面半径r为0. 35a2。
[0015] 所述正方晶格光子晶体的自准直频率f为0. 18c/a2，所述C为自由空间的光速。 [0016] 使用TE偏振的光源，利用平面波展开法研究其等频线分布，发现TE模第一能带在 频率f = 0. 18c/a2时，等频线的形状垂直于ΓΜ方向接近于直线，说明这个频率的光束在 垂直于等频线沿ΓΜ方向入射时，光束自准直传播，则f = 0. 18c/a2为所述正方晶格光子 晶体的自准直频率。
[0017] 下面将所述三角晶格光子晶体和所述正方晶格光子晶体的自准直频率匹配起来。
[0018] 令频率：0· 18c/a2 = 0· 3(:/^
[0019] 即：a2 = 0· 6ai
[0020] 令所述三角晶格光子晶体的晶格常数是ai = 1，所述三角晶格光子晶体的空气柱 横截面半径A = 0. 25?，那么所述正方晶格光子晶体晶格常数是a2 = 0. 6?，所述正方晶格 光子晶体的空气柱横截面半径r2 = 0. 35*0. 6&1 = 0. 21&1。
[0021] 根据本发明优选的，所述三角晶格光子晶体中的所述空气柱按照51行X21列排 列在所述平板状基部上，所述正方晶格光子晶体中的所述空气柱按照59行X40列排列在 所述平板状基部上，所述矩形空气缺陷长为24a，所述矩形空气缺陷宽为4a，所述正方晶格 光子晶体中的矩形空气缺陷与所述三角晶格光子晶体中的矩形空气缺陷大小相同。
[0022] 在所述正方晶格光子晶体中的矩形空气缺陷方向保持不变，在所述三角晶格光子 晶体中沿四种不同的方向引入矩形空气缺陷，得到四种不同的组合光子晶体，分别实现光 束 30°、60°、150° 及 210° 的偏转。
[0023] 根据本发明优选的，在所述三角晶格光子晶体中，沿向量
【权利要求】
1. 一种二维组合型光子晶体，其特征在于，包括上半部分光子晶体及下半部分光子晶 体，所述上半部分光子晶体连接所述下半部分光子晶体，所述上半部分光子晶体为三角晶 格光子晶体，所述三角晶格光子晶体包括平板状基部及在所述平板状基部上设置的按三角 晶格周期性排布的原胞单元，所述下半部分光子晶体为正方晶格光子晶体，所述正方晶格 光子晶体包括平板状基部及在所述平板状基部上设置的按正方晶格周期性排布的原胞单 元，所述平板状基部的材质为娃介质，所述娃介质的折射率η为3. 4,所述原胞单元为圆柱 形介质柱，所述圆柱形介质柱为空气柱，所述三角晶格光子晶体晶格常数a为1，所述三角 晶格光子晶体的空气柱横截面半径r为0. 25a，所述正方晶格光子晶体晶格常数为0. 6a，所 述正方晶格光子晶体的空气柱横截面半径r为0. 21a，在所述正方晶格光子晶体中，光束自 准直传播方向ΓΜ沿水平方向即沿ΓΧ方向引入一矩形空气缺陷，所述光束自准直传播方 向ΓΜ与所述正方晶格光子晶体中的等频线的形状垂直，在所述三角晶格光子晶体中，光 束自准直传播方向ΓΜ沿坚直方向引入实现入射光束30°、60°、150°及210°偏转的另 一矩形空气缺陷，所述光束自准直传播方向Γ Μ与所述三角晶格光子晶体中的等频线的形 状垂直。
2. 根据权利要求1所述的一种二维组合型光子晶体，其特征在于，所述三角晶格光子 晶体中的所述空气柱按照51行X21列排列在所述平板状基部上，所述正方晶格光子晶体 中的所述空气柱按照59行X 40列排列在所述平板状基部上，所述矩形空气缺陷长为24a， 所述矩形空气缺陷宽为4a，所述正方晶格光子晶体中的矩形空气缺陷与所述三角晶格光子 晶体中的矩形空气缺陷大小相同。
3. 根据权利要求1所述的一种二维组合型光子晶体，其特征在于，在所述三角晶格光 子晶体中，沿向量
方向引入一所述矩形空气缺陷。
4. 根据权利要求1所述的一种二维组合型光子晶体，其特征在于，在所述三角晶格光 子晶体中，沿向量
方向引入一所述矩形空气缺陷。
5. 根据权利要求1所述的一种二维组合型光子晶体，其特征在于，在所述三角晶格光 子晶体中，沿向量
方向引入一所述矩形空气缺陷。
6. 根据权利要求1所述的一种二维组合型光子晶体，其特征在于，在所述三角晶格光 子晶体中，沿向量
方向引入一所述矩形空气缺陷。
7. 根据权利要求3所述的二维组合型光子晶体的应用，其特征在于，具体步骤包括： (1) 使用FDTD方法模拟光束的传输，频率为0. 3c/a的TE偏振的线光源发出的入射光 束从所述正方晶格光子晶体左侧垂直入射； (2) 入射光束进入所述正方晶格光子晶体，沿其自准直传播方向即水平方向传播，遇到 所述正方晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，传播方向偏转45°，然后沿坚直方向传播进入 所述三角晶格光子晶体，其自准直方向沿坚直方向，光束传输方向不变，继续沿坚直方向传 播，遇到所述三角晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，传播方向向左偏转60°，入射光束的方 向沿水平方向，出射光束方向与入射光束相比偏转150°。
8. 根据权利要求4所述的二维组合型光子晶体的应用，其特征在于，具体步骤包括： (1) 使用FDTD方法模拟光束的传输，频率为0. 3c/a的TE偏振的线光源发出的入射光 束从所述正方晶格光子晶体左侧垂直入射； (2) 入射光束进入所述正方晶格光子晶体，沿其自准直传播方向即水平方向传播，遇到 所述正方晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，传播方向偏转45°，然后沿坚直方向传播进入 所述三角晶格光子晶体，其自准直方向沿坚直方向，光束传输方向不变，继续沿坚直方向传 播，遇到所述三角晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，出射光束传播方向向右偏转60°，入射 光束的方向沿水平方向，出射光束方向与入射光束相比偏转60°。
9. 根据权利要求5所述的二维组合型光子晶体的应用，其特征在于，具体步骤包括： (1) 使用FDTD方法模拟光束的传输，频率为0. 3c/a的TE偏振的线光源发出的入射光 束从所述正方晶格光子晶体左侧垂直入射； (2) 入射光束进入所述正方晶格光子晶体，沿其自准直传播方向即水平方向传播，遇到 所述正方晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，传播方向偏转45°，然后沿坚直方向传播进入 所述三角晶格光子晶体，传输方向不变，其自准直方向沿坚直方向，光束传输方向不变，遇 到所述三角晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，出射光束传播方向向左下偏转120°，入射光 束的方向沿水平方向，出射光束方向与入射光束相比偏转210°。
10. 根据权利要求6所述的二维组合型光子晶体的应用，其特征在于，具体步骤包括： (1) 使用FDTD方法模拟光束的传输，频率为0. 3c/a的TE偏振的线光源发出的入射光 束从所述正方晶格光子晶体左侧垂直入射； (2) 入射光束进入所述正方晶格光子晶体，沿其自准直传播方向即水平方向传播，遇到 所述正方晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，传播方向偏转45°，然后沿坚直方向传播进入 所述三角晶格光子晶体，其自准直方向沿坚直方向，光束传输方向不变，继续沿坚直方向传 播，遇到所述三角晶格光子晶体的矩形空气缺陷后，出射光束传播方向向右下偏转120°， 入射光束的方向沿水平方向，出射光束方向与入射光束相比偏转30°。
【文档编号】G02B6/122GK104252019SQ201410547098
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】杨修伦, 范冉冉, 黄哲, 王林辉 申请人:山东大学