一种线性渐变结构的二维光子晶体的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二维线性渐变结构的光子晶体，属于微波光子晶体技术领域。
【背景技术】
[0002]光子晶体是指电介质在三维空间上周期性排列的复合材料，根据电介电在空间上排列方向的周期性，将光子晶体分为一维、二维、三维光子晶体。一般的二维光子晶体是指在波传播的平面内介电常数为E1的材料在介电常数为ε 2的材料中周期排列，从而在两个维度内都能形成光子带隙的材料。
[0003]类似于半导体的能带，当电磁波在光子晶体的周期结构中传播时，由于周期性的布拉格散射使得电磁波受到调制而形成光子能带。光子能带之间出现特定频率的电磁波无法透过的区域，形成光子带隙。在周期性材料中引入缺陷或无序态后，符合缺陷频率的光会被局域在缺陷处，远离缺陷处将迅速衰减至零。
[0004]光子带隙为光子晶体的主要特性之一。这一特性在光通信等方面的应用很广，因此展宽光子晶体的带隙对光子晶体的应用十分有价值。光子晶体的带隙宽度与光子晶体结构参量密切相关。对于二维光子晶体而言，组成光子晶体的两种材料的介电常数之比、晶格常数a、介质柱半径r都与光子带隙宽度有关，改变填充率和介电常数之比都能提高光子带隙。
[0005]寻找更宽光子带隙是光子晶体设计的目标。改变光子晶体的结构对称性为改善光子晶体的有效途径，例如，在光子晶体结构中引入复式嵌套结构，组成复式结构的光子晶体，改变介质柱的形状等。
[0006]传统的正四边形二维光子晶体，带隙率很低，一般很难满足应用的要求。如，硅材料柱体填充在聚乙烯基质中组成的正四边形结构，其相对带隙宽度约为20%。
[0007]综上所述，光子晶体设计中，传统光子晶体带隙宽度差强人意，复式结构或改变柱体横截面等结构复杂难以制备，本文发明设计出一种新型光子晶体结构，相对于现有结构既提高了带隙宽度又容易制备，拓展了频率范围，为实际应用奠定了坚实的基础。
【发明内容】
[0008]本发明针对现存二维光子晶体结构的不足，提出了一种线性渐变结构的二维光子晶体，该结构拓展了带隙宽度，结构简单且容易制备。
[0009]本发明的方案如下:
一种线性渐变结构的二维光子晶体，其特征在于:所述的光子晶体结构包括一种低介电常数的平板基质和另一种高介电常数的圆柱体介质，高介电常数的柱体介质填充在低介电常数的平板基质内，每个单元中柱体介质的半径以一定的步长线性变化，沿电磁波传播方向高介电常数柱体半径先线性增大，再线性减小，垂直于传播方向柱体半径不变，呈正四边形分布。
[0010]该二维光子晶体结构，低介电常数介质为聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯类材料，高介电常数介质为类硅或陶瓷材料，高介电常数的类硅或陶瓷材料填充在低介电常数的聚乙烯类介质中。
[0011]该二维光子晶体结构，在波的传播方向上，柱体半径以r。为基准半径，其两边依次Wrn=r<]±nA递增或递减，达到最大后再以此规律递减或递增，垂直于波传播方向介质柱半径均勾不变，形成mXn (m多1，η多3)的复式晶胞结构。其中，r。为基准柱体的的半径，rn为其两边柱体半径，△为变化的步长。
[0012]该二维光子晶体结构的一种设计为Γ(5=0.15a,步长Δ =0.0353a时，带隙率为41.04%，其中a为晶格常数。
[0013]本发明的优点是:
本发明的结构为在以类聚乙烯组成的低介电常数背景材料中，填充高介电常数的类硅材料构成光子晶体。在波的传播方向上，高介电常数的柱体半径以一定的步长线性变化，先逐渐增大，再以此步长逐渐减小，垂直于传播方向柱体半径不变，呈正四边形分布。本发明构建的光子晶体，低介电常数的背景材料采用类聚乙烯材料，高介电常数的介质圆柱为类娃材料。
[0014]与现有技术相比，本发明的结构相比于传统正四边形结构带隙宽度大大提高。同种材料构成的标准正四边形结构的相对带隙宽度为21.73%左右，本发明结构的相对带隙宽度可达41.04%，带隙率提高了几乎一倍；相比于复式结构等，结构简单，没有引入其他形式的柱体，只是在传统正四边形结构中变化柱体半径；选用材料均为常见材料，价格低廉容易制备，使用者可以根据需要调节材料和结构参量，选取所需的禁带范围，对二维光子晶体的设计、制备和应用具有重要价值。以上优势为光子晶体的设计和光信息器件的制备和应用提供了参考。
【附图说明】
[0015]图1为本发明的二维渐变结构的光子晶体结构示意图；
图2为本发明二维渐变结构的一个单元；
图3为所述的单元在电磁波传播方向上的结构图；
图4为正四边形结构光子晶体和本发明的二维渐变结构的光子晶体透射率图谱。
[0016]图中:a为晶格常数，r。为基准柱体的半径，r n为其两边柱体半径。
【具体实施方式】
[0017]下面通过附图来详细说明本发明的实施方式。
[0018]参见图1-图4，本发明为一种线性渐变结构的二维光子晶体，包括一种低介电常数的平板基质I和另一种高介电常数的圆柱体介质2，高介电常数柱体介质2填充在低介电常数平板基质I内，每个原胞中柱体介质2的半径以一定的步长线性变化，沿电磁波传播方向(图中横向)高介电常数的柱体介质2的半径先线性增大，再线性减小，垂直于传播方向柱体半径不变，呈正四边形分布。
[0019]该二维光子晶体结构中，低介电常数的平板基质I为聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，高介电常数的圆柱体介质2为硅材料或陶瓷材料，类硅材料填充在聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中形成二维渐变结构光子晶体。
[0020]在波的传播方向上，柱体介质2半径以r。为基准半径，其两边依次以r n=r0 土 η Δ递增或递减，达到最大后再以此规律递减或递增，垂直于波传播方向均匀不变，形成1X4的复式晶胞结构。其中，4=0.la~0.3a为基准柱体介质的半径，rn为其两边柱体介质的半径，Δ =0.0la-0.05a为变化的步长。
[0021]由于设计的初衷使本发明结构工作在微波波段，故以上设计可以采用机械切割法、注模/脱模法等方法制备。
[0022]如图2所示制备该结构:背景材料低介电常数的平板基质I为聚甲基丙烯酸甲酯，高介电常数的圆柱体介质2为类硅材料，组成5X8的单元晶胞结构A。
[0023]如图3所示在波的传播方向(箭头N)上，柱体介质2的半径以r。为基准，以Δ为步长向两边递增或递减，达到r7后依次减小，垂直于波传播方向上均匀。两个方向上两个柱体介质2的中心间距均为a=l.5cm，组成(3~5)X8的单元晶胞结构A，以多个(比如4个)此单元晶胞结构A组成如图1所示的渐变结构。
[0024]二维渐变结构的优化过程:利用HFSS软件进行仿真，当给定了晶格常数a，通过改变渐变结构的步长A，寻得达到最大带隙时的结构参量。
[0025]当Δ =0.0353a时，带隙率达到了最大的41.04%且带隙特性完美。如图4所示，结果相对于常规的标准正四边形结构，带隙率提高了近一倍。
[0026]本发明所述的二维线性渐变结构的光子晶体结构及优化的实例，仅为了进一步说明发明的方案、效果。上述内容仅用于示例，研究人员可以根据需要修改介质材料和结构参量。因此，凡在本发明的方法、原则之内所做的修改，均仍属于发明技术方案保护范围之内。
【主权项】
1.一种线性渐变结构的二维光子晶体，其特征在于:所述的光子晶体结构包括一种低介电常数的平板基质和另一种高介电常数的柱体介质，高介电常数的柱体介质填充在低介电常数的平板基质内，每个单元中柱体介质的半径以一定的步长线性变化，沿电磁波传播方向高介电常数柱体半径先线性增大，再线性减小，垂直于传播方向柱体半径不变，呈正四边形分布。2.根据权利要求1所述的线性渐变结构的二维光子晶体，其特征在于，所述的高介电常数的柱体介质为类硅或陶瓷材料，低介电常数的平板基质为聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯类材料。3.根据权利要求1所述的线性渐变结构的二维光子晶体，其特征在于，在波的传播方向上，所述的柱体介质半径以r。为基准半径，其两边依次以r n=r0±n △递增或递减，达到最大后再以此规律递减或递增；垂直于波传播方向柱体介质的半径不变，形成mXn (m ^ I,η ^ 3)的复式晶胞结构；波传播方向和垂直于波传播方向上相邻两个柱体介质的距离均为a ;其中，r。为基准柱体介质的半径，r n为其两边柱体介质的半径，△为变化的步长，a为晶格常数。4.根据权利要求3所述的线性渐变结构的二维光子晶体，其特征在于，所述的r0=0.la~0.3a,步长Δ =0.0la-0.05a时，其相对带隙宽度达50%~100%，是同等配置下标准周期结构光子晶体带隙宽度的2~5倍。
【专利摘要】一种二维线性渐变结构光子晶体，包括由低介电常数材料为基质，高介电常数材料柱体嵌入所述基质材料中，呈正四边形分布，在空间上周期排列而成。每个单元原胞中，柱体半径以一定的步长在波的传播方向上呈线性递增或递减，垂直于波传播方向柱体半径不变，两个方向上柱体中心距均为晶格常数。本发明通过优化结构参量，在较低介质比的情况下，相对带隙宽度是标准正四边形结构的近200%；在更高介质比的情况下带隙宽度可达标准结构的2~5倍。本发明相对于传统结构，带隙率提高很大，相对于其他复式结构，设计简单，使用者可以根据需要调节材料和结构参量，选取所需的禁带范围，对二维光子晶体的设计、制备和应用具有重要价值。
【IPC分类】G02B6/122
【公开号】CN105204116
【申请号】CN201510659759
【发明人】施建章, 李巨波, 祝琳, 苏婷, 马咪, 李高锋
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月14日