圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光子晶体拐弯波导，尤其是圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导。
【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(PC)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。光子晶体对光的传播具有较强、灵活的控制能力，不仅对直线式传导，而且对锐利的直角，其传导的效率也很高。如果在PC结构中引入一个线缺陷，创建一个导光的通道，称为光子晶体光波导(PCW)。这种波导即使在90°的转角处也只有很小的损失。与基本的全内反射的传统光波导完全不同，它主要利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在光子带隙(PBG)中形成新的光子态，而在缺陷态周围的光子态密度为零。因此，光子晶体光波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄漏，光子晶体光波导是构成光子集成光路的基本器件，光子晶体拐弯波导可以提闻光路集成度，与之相关的研究对于集成光路的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有极低的反射率和非常高的传输率的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导。
[0004]为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
[0005]本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导由高折射率的第一介质柱在低折射率背景介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列高折射率的第一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的两个拐弯处分别设置高折射率的第二、三介质柱；所述第二、三介质柱分别为补偿散射柱；所述第一介质柱为圆形柱。
[0006]所述第二、三介质柱为半圆形柱、弓形柱、圆柱、三角柱、多边形柱，或者横截面轮廓线为圆滑封闭曲线的柱子。
[0007]所述第二、三介质柱分别为半圆形柱。
[0008]所述高折射率背景介质的材料为硅、砷化镓、二氧化钛，或者折射率大于2的介质。
[0009]所述高折射率背景介质材料为硅，其折射率为3.4。
[0010]所述低折射率背景介质为空气、真空、氟化镁、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介质。
[0011]所述低折射率背景介质为空气。
[0012]所述直角波导为TE工作模式波导。
[0013]所述直角波导结构的面积大于或等于7aX7a，所述a为光子晶体的晶格常数。
[0014]光子晶体光波导器件能广泛应用于各种光子集成器件中。它与现有技术相比，有如下积极效果:
[0015]1.本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导具有极低的反射率和非常高的传输率，这为光子晶体的应用提供了更广阔的空间；
[0016]2.本发明的结构基于多重散射理论，通过双高折射率介质补偿散射柱对其内传输的光波实现相位和幅度的补偿，以降低反射率，提升透射率，能够实现低反射率和高透射率；
[0017]3.本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导基于正方晶格结构，可用于大规模集成光路设计中，光路简洁，便于设计，利于大规模光路集成；
[0018]4.本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导基于正方晶格结构，使得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。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导的结构的核心区域示意图。
[0020]图2是本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导的归一化频率——传输特性图。
图3是本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导的归一化频率——另一种传输特性图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细阐述。
[0022]如图1所示，为本发明涉及的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导由高折射率的第一介质柱在低折射率介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列高折射率的第一介质柱以形成直角波导，在所述直角波导的两个拐弯处分别设置高折射率的第二、三介质柱，所述的第二、三介质柱分别为补偿散射介质柱，产生补偿反射波与波导本征反射波相抵消；所述补偿散射介质柱还可以采用各种各样的形状，例如:半圆形柱、弓形柱、圆柱、三角柱、多边形柱，当然也可以采用横截面轮廓线为圆滑封闭曲线的柱子，所述第二、三介质柱(补偿散射介质柱)分别为半圆形柱，所述高折射率背景介质的材料分别采用硅、砷化镓、二氧化钛，或者折射率大于2的介质；所述低折射率背景介质可以采用空气、真空、氟化镁、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介质。
[0023]根据以上结果给出如下6个实施例:
[0024]实施例1.所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a ;高折射率的第一介质柱为圆形柱，其半径为0.18a ;波导内传输的光波极化形式为TE波；第二介质柱为半圆形柱，即左上角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径为0.22776a ;其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为2.51728a和2.53456a，其旋转角度为149.3度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径为0.22146a ;其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.76996a和0.94086a，其旋转角度为307度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(_4.94a，0);入射光的初始相位为39度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射率为3.4 ;所述低折射率背景介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15aX 15a，此时所述的光子晶体直角波导的回波损耗谱和插入损耗谱如图2所示，图中的横轴部分是该结构的工作频率，纵轴部分则是其传输特性，图中的虚线为该结构的回波损耗(定义为Le = -1Olog(P1ZP1))，而实线则为其插入损耗(定义为L1 = -1Olog (PtA3i))，其中的P1为该结构的入射功率，Pe为该结构的反射功率，Pt为该结构的透射功率。在归一化频率为0.336 (ωa/2 Jic)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为45.12dB和最小插入损耗为0.0022dB。
[0025]实施例2.所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a，最佳归一化波长为1.31微米；高折射率的第一介质柱为圆形柱，其半径为0.18a ;波导内传输的光波极化形式为TE波；第二介质柱为半圆形柱，即左上角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径为0.21697a ;其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为1.15207a和2.88018a，其旋转角度为299度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径为0.33986a ;其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.80645a和0.94086a,其旋转角度为131.5度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(_4.94a，0);入射光的初始相位为
249.88度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射率为3.4 ;所述低折射率背景介质为空气。所述直角波导的结构尺寸为15aX 15a，此时所述的光子晶体直角波导的回波损耗谱和插入损耗谱如图3所示。在归一化频率为0.397