大带宽小体积的高分辨率光子晶体分光器件及其设计方法

本发明属于光子晶体器件，具体涉及一种光子晶体分光器件及其设计方法。

背景技术：

1、光学光谱仪是科学和工业领域功能最强大、使用最广泛的表征工具之一。传统的台式实验室光谱仪系统的特点是体积庞大的光学元件、移动部件和长光程。随着新应用的出现，光谱仪应用需要高分辨率与此同时需要减少物理的地方尺寸、成本或功耗。对便携式或手持式的需求光谱分析设备需要缩小这些系统到厘米级尺度甚至是毫米级尺度。其中光子晶体光谱仪有着巨大的潜力实现新应用的需要，例如有可能集成到芯片系统中实现在线监测，开发智能手机应用，甚至是应用到深空探索，光谱仪快照高光谱成像等设备。

2、光子晶体(photonic crystal)是指具有光子带隙(photonic band gap，pbg)特性的人造周期性电介质结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的电磁波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。

3、与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波。当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量会形成能带结构。能带与能带之间出现带隙即为光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子不能进入该光子晶体。

4、光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。

5、光子晶体中的超棱镜效应是指光在光子晶体中的传播角因频率或入射角的微小变化而发生较大偏折的现象。这种效应被广泛用来设计各种分光器件，但由于传统审计中光子晶体的工作区域大都位于等频线的尖角区域，容易造成光束在传播过程中产生强烈的展宽，从而大大限制了器件设计的自由，并增加了分光器件小型化的难度。

6、光子晶体中的局域自准直效应是指光子晶体中在空间的等频线(面)，等频线(面)曲率趋近于零的位置。这种效应带来光束传播一定距离展宽趋近于零，有效避免了展宽效应带来的分束困难。

7、关于p-q-r理论，该分辨率参数r＝q/p的相关特性和获取方式可以参考论文babat,matsumoto t.resolution of photonic crystal superprism[j].applied physicsletters,2002,81(13):2325-2327。该分辨率参数r可以通过理论计算得到，也可以通过数值仿真或实验得到。其中可以认为代表“折射角(折射光在光子晶体中光能量传播方向)随入射角的变化率”，当p约等于零时对应超准直效应或局域超准直，即折射光在光子晶体的传播方向几乎不随入射角的改变而改变；可以认为代表超棱镜效应，即在某个入射角时，折射角随频率的变化。

8、光束在光子晶体局域自准直区域的传播理论在专利cn 110673335 a，2020,01.10当中有阐述,根据此理论可以计算光束传播局域自准直区域后的场分布情况。

9、因此，结合两种效应可以实现小体积，高分辨率的光子晶体光谱仪。但是由于利用两种效应的光谱仪所需要的结构参数选择方法及其理论依据仍然是该领域的一个空白，为此，本发明开发了一种扩大器件频率使用范围，优化分束器件体积的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大带宽小体积的高分辨率光子晶体分光器件及其设计方法，以扩展光子晶体分光的工作频段宽度、获得最优的入射波束宽度和相对应的光子晶体尺寸，从而实现大带宽、面积(体积)尽量小的光子晶体分光器件。

2、本发明提供的大带宽小体积的高分辨率光子晶体分光器件的设计方法，包括：获取光子晶体k空间的等频线(等频面)图，基于所述等频线图(等频面)图获得光子晶体分光的分辨率参数分布情况，根据分光器件的目标分辨率选取得到符合的高分辨率区域；根据所述高分辨率区域，选择中心工作频率，选择标准是要求中心工作频率周围的高分辨率区域尽量平直，再通过旋转光子晶体和选择入射角等处理，使得入射光的等入射角曲线与高分辨区域在中心工作频率周围尽量宽的范围内重合，从而得到尽量大的工作频率带宽；根据所述光子晶体分光器件的目标分辨率，通过理论分析两个频率靠近的光束分离行为，获得最优的入射波束宽度和相对应的光子晶体尺寸；具体步骤为：

3、步骤1.根据光子晶体光谱仪中的二维(三维)光子晶体结构参数和材料参数，计算其模式下的空间等频线(等频面)图，计算出光子晶体分光的分辨率参数r分布情况，并根据分光器件的目标分辨率选取符合要求的高分辨率参数区间；

4、步骤2.根据空间高分辨区域，选取中心工作频率ωc，选择标准是要求中心工作频率周围的高分辨率区域尽量平直，再通过选择合适入射角和对光子晶体进行旋转等方法，实现在空间内，使得入射光的等入射角曲线(面)在中心工作频率周围尽量宽的范围落在高分辨区域内，所述范围就是光子晶体光谱仪的工作频率带宽，于是，得到尽量大的工作带宽；

5、步骤3.对入射光宽度和光子晶体尺度进行优化；

6、首先根据具体设计需求设定分光器件分辨率：r＝ω0/δω，其中，ω0是工作频段频率，δω是预期的光子晶体分光器件可检测最小频率差；

7、然后在工作带宽内选择两个频率ω1＝ω0+δω/2和ω2＝ω0-δω/2的有限宽入射光束，根据光束在光子晶体内的传播理论，分析两个宽度为w0的入射光束在传播距离l后的分离情况，分离情况判断标准是两个波长光束彼此重叠的场强积分η值，当η值小于某个设定阈值ηc，就判定两束波束已经分离；阈值ηc取值范围在0.1-0.5，根据需要经验和行业要求设定；

8、步骤4.分别调整入射光宽度w0，通过理论计算获得两束波束分离所需要的传播距离l，当在某个w0获得了最小的可分离传播距离l时，即得到在ω0周围的最优波束宽度和对应光子晶体分光器件的半径；实际设计l值可能需要留一个冗余量(例如乘以1.2倍)；

9、步骤5.在工作频宽范围内选取多个具有代表性的频率点，遍布整个工作频宽，重复步骤3和步骤4，获得多个光子晶体分光器的半径，选取最大的那个作为最终的光子晶体分光器件的最终半径，其对应的光束宽度作为入射光束宽度或入射波导宽度。

10、进一步地：

11、步骤1中，所述光子晶体结构是指，具有超棱镜效应和局域自准直效应结构所对应的任意光子晶体结构，可以是二维结构，也可以是三维结构。

12、步骤1中，所述分辨率参数r，是通过光子晶体结构参数、材料参数获得的频线(面)图，再根据“p-q-r”理论计算而得的空间不同位置分辨能力参数，r＝q/p；可以认为代表“折射角随入射角的变化率”，可以认为代表某个入射角时，“折射角随频率的变化”。

13、步骤2中，所述高分辨区域是指，根据分辨能力参数r与光子晶体的分辨率存在对应关系，按照设计所需要的光子晶体分辨率所选出的区域，认定为高分辨区域。

14、步骤2中，所述中心频率的选择是指，在整个高分辨率区域内选择连续平直的区域。

15、步骤2中，所述等入射角线是指，一个包含不同频率的光束以一定入射角度θi入射到光子晶体，根据在光子晶体的空间激发不同的频率点，将其连成在一起，在空间形成的一条曲线。在很窄频段(频段宽度小于中心频率的5％)范围内，等入射角线可近似成一条直线。

16、步骤2中，所述光子晶体旋转是指，首先假设光子晶体与空气的界面是固定的(例如，始终是全局坐标的y轴)，然后旋转光子晶体晶格方向，其结果就是在空间旋转光子晶体的等频线和高分辨率区域。

17、步骤3中，所述入射光宽度w0是任意光束进入光子晶体时的束腰宽度，再根据光束在光子晶体局域自准直区域当中的传播理论，以此宽度预测光束在光子晶体中传播一定距离后的场分布情况。

18、步骤3中，所述重叠场强积分是，根据光子晶体的超棱镜效应和局域自准直效应，对不同频率的光束，在光子晶体中传播的不同方向，并且展宽被抑制，在传播一定距离l后形成一个相互叠加的区域所进行的积分计算。

19、由于在工作频宽中某个频率ω0附近有两个频率ω1＝ω0+δω/2和ω2＝ω0-δω/2ω1，根据光子晶体超棱镜效应，假设两个具有不同频率的入射光束具有相同的入射角和入射宽度，两个光束进入光子晶体后的传播方向不同，而且，根据光子晶体局域自准直效应，两个光束的宽度扩展都很少，在传播一定距离l后，两束光束一般会逐渐分离，通过重叠积分计算获得两个光束场的重叠积分值。

20、步骤4中，所述两束波束分离所需要的传播距离l是指，两束光束由于超棱镜效应随着传播的距离延长逐渐分开，当光束的重叠积分刚好小于等于阈值ηc时所对应的距离。

21、步骤4中，所述实际设计l值需要留一个冗余量是指在计算出两束波束分离所需要的最小传播距离l后，仍需要考虑加工等过程引入的误差，所以引入一个设计冗余量，通常根据加工误差决定，可以取值范围在0.1％-50％。

22、步骤5中.所述在工作频宽范围内选取多个具有代表性的频率点，遍布整个工作频宽，指在工作带宽内选多组频率差为最小频率差δω的一对频率，并重复步骤4的过程记录其最佳的入射宽度和传播长度。

23、由上述设计方法得到的光子晶体分光器件，扩展了光子晶体分光的工作频段宽度，获得了最优的入射波束宽度和相对应的光子晶体尺寸，是一种大带宽、小面积(体积)的高分辨率光子晶体分光器件。

24、本发明光子晶体分光器件，应用光子晶体的超棱镜效应和局域自准直效应，并通过各项参数的优化设计实现了小体积，大带宽的分束器件，并且该设计方案适用于不同光波段，例如深紫外，可见光，中红外，太赫兹，微波等。其中在光学波段，中红外波段可以通过半导体光电芯片的加工工艺实现集成化的光谱仪，这样的光谱仪可以用在例如手机，手表，智能穿戴等设备当中作为光谱仪或者分光系统实现对物质的检测或者对人身体指标进行监控。另外中红外波段光子晶体芯片光谱仪也可以作为深空探索光谱仪的核心部件，因为体积小分辨率高，可以减低体积和重量(减重，减小体积对深空探索至关重要)，可以用来检测例如空间二氧化碳浓度，通知可以根据光谱学对特定物质进行实时监测。另外这种微型光谱仪可以作为实时监控，在线监测设备当中，包括安防，无损检测，医疗等等一系列依赖光谱学检测的应用场景当中。