CN100510813C - 一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于：根据工作波长，选择光子晶体的介质柱材料和背景材料；设光子晶体晶格周期为常数a；介质柱沿垂直于纸面的z方向放置并固定；设计长M×a，宽N×a的光子晶体结构，取长边所在方向为x方向，垂直于x方向为y方向；然后在x方向上取光子晶体中间位置，并将该位置处沿y方向的所有介质柱丢失，形成波导结构，入射光从光子晶体结构下方入射进该波导结构；将光子晶体出射层的介质柱截面尺寸减小，并将此层第偶数个介质柱向下平移，形成褶皱结构；将褶皱层下面一层第偶数个介质柱去掉，形成点缺陷结构；本发明所设计的结构使表面模的激发得到增强，能极大的提高定向辐射的能量，同时出射波束的收敛性也得到了改善。

Description

一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法
技术领域
本发明涉及一种通过引入复合结构提高光子晶体耦合效率的方法，特别涉及一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法。
背景技术
光子晶体是一种人工制造的周期材料，由于其具有的禁带特性，可以在很多方面得到应用，最近的一个进展是利用光子晶体表面波实现定向辐射，通过在光子晶体表面构造周期性的褶皱结构，可以激发表面模，并使表面模耦合进辐射模，从而实现定向辐射，文献提出可以通过提高波导模与表面模式之间的耦合效率来增强表面波的激发，从而提高定向辐射的性能；具体的做法为增加表层圆柱的折射率和正向移动光子晶体表层的圆柱来形成褶皱结构等等，但是，只靠提高波导模与表面模之间的耦合效率，对定向辐射性能的改善比较有限，已有文献提出通过在临近光子晶体出射面的层添加点缺陷形成谐振模也可以实现定向辐射，但是由于谐振模反射回波导的能量较大，辐射出去的能量大大受限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，通过在二维光子晶体结构中同时引入表面褶皱和点缺陷，可以提高光子晶体的定向耦合特性。
本发明解决其技术解决问题所采用的技术方案：一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据工作波长λ，选择合适的二维光子晶体的介质柱材料和背景介质材料；
(2)设介质柱和背景介质构成的二维光子晶体的晶格周期为常数a；
(3)取介质柱的截面尺寸为D，D的大小为0.4a到0.8a，假设垂直于纸面向外方向为z轴正方向，介质柱沿z方向放置并固定；
(4)设计一个长为M×a，宽为N×a的二维光子晶体结构，其中M，N均为大于等于1的整数；假设长边所在的方向为水平方向，取水平向右的方向为x轴正方向，垂直于x方向并且向上的方向为y轴正方向；
(5)取该二维光子晶体在x方向上的中间位置，并且将该位置及由该位置沿y方向向上的所有介质柱丢失，形成波导结构，入射光从光子晶体结构下方入射进该波导结构；
(6)将该二维光子晶体出射层的所有介质柱截面尺寸减小为r，r的大小为0.1a到0.3a；并且将这一层第偶数个介质柱向下方平移d，d的大小为0.1a到0.5a；这样便形成褶皱结构；
(7)将褶皱层下面一层介质柱中的第偶数个晶格去掉，形成点缺陷结构；一种高耦合效率的复合型二维光子晶体结构设计完成；
(8)利用现有技术手段完成上述设计所得结构的制作。
所述步骤(1)中的二维光子晶体的介质柱材料为二氧化硅、玻璃、硅、锗、或砷化钾，背景介质材料为空气。
所述步骤(2)中的二维光子晶体晶格周期a为λ/3到λ/2.5。
所述步骤(3)中的介质柱是圆柱形或方形。
所述步骤(3)中的介质柱放置时，介质柱之间按正方形方式排列。
所述步骤(5)中的波导结构宽度为2a。
所述步骤(6)中的褶皱结构的晶格单元周期为2a。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
(1)与只有褶皱没有点缺陷的光子晶体相比，定向辐射性能得到了极大的改善，这是因为点缺陷可以储存出射光场的能量，并且远场发散角也得到了改善。
(2)与只有点缺陷没有褶皱的结构相比：在即含有表面褶皱又含有点缺陷的光子晶体结构中，表面模可以更好的耦合谐振模的能量，减小反射损耗，因此，其定向辐射性能更好。
附图说明
图1为本发明实施例所设计的二维光子晶体结构示意图；
图中：1为褶皱层，2为间隙层，3为光子晶体晶格，4为入射源，P为褶皱层单元周期，d为褶皱层中第偶数个晶格移动的距离，a为光子晶体周期。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
本发明实施例的具体过程如下：
(1)确定入射波的波长λ＝700nm，选择砷化镓材料作为介质柱材料，空气作为背景材料来进行二维光子晶体的设计；
(2)该二维光子晶体的晶格周期为a＝272nm，取介质柱形状为圆柱形，其半径为R＝0.3a＝81.6nm，取垂直于纸面向外的方向为Z轴的正方向，介质柱沿Z轴方向放置，并被固定在Z轴的另一侧的底板上，其中介质柱是按正方形方式周期性的排布；
(3)设计一个长为33a，宽为9a的二维光子晶体结构，假设水平方向为x轴方向，取水平向右的方向为x轴的正方向，垂直于x轴向上的方向为y轴的正方向，该二维光子晶体结构在x方向上尺寸为33a，y方向上尺寸为9a，即在x方向上周期排布着33串圆柱形介质柱，而在y方向上周期排布着9层圆柱形介质柱，并且所有的介质柱都被固定在Z轴的另一侧的底板上；
(4)将该二维光子晶体在x方向上的中间位置即第17串介质柱丢失，获得波导结构，入射光从光子晶体结构下方沿y方向入射进该波导结构；
(5)将该二维光子晶体在y方向上的出射层即第9层所有圆柱形介质柱的半径减小为r＝0.1a＝27nm，并且将这一层第偶数个介质柱沿y方向向下平移d＝0.3a＝81nm后并固定在Z轴的另一侧的底板上，即将第9层晶格结构转变成褶皱结构，该褶皱结构周期P＝2a＝544nm；
(6)将褶皱层下面一层即y方向上的第8层圆柱形介质柱中第偶数个介质柱去除，即将第8层晶格结构形成点缺陷结构；
(7)一种高耦合效率的复合型二维光子晶体结构设计完成，如图1所示；
(8)利用现有加工技术即可完成上述设计所得结构的制作。

Claims (7)

1、一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于以下步骤：
(1)根据工作波长λ，选择合适的二维光子晶体的介质柱材料和背景介质材料；
(2)设介质柱和背景介质构成的二维光子晶体的晶格周期为常数a；
(3)取介质柱的截面尺寸为D，D的大小为0.4a到0.8a，假设垂直于纸面向外方向为z轴正方向，介质柱沿z方向放置并固定；
(4)设计一个长为M×a，宽为N×a的二维光子晶体结构，其中M，N均为大于等于1的整数；假设长边所在的方向为水平方向，取水平向右的方向为x轴正方向，垂直于x方向并且向上的方向为y轴正方向；
(5)取该二维光子晶体在x方向上的中间位置，并且将该位置及由该位置沿y方向向上的所有介质柱丢失，形成波导结构，入射光从光子晶体结构下方入射进该波导结构；
(6)将该二维光子晶体出射层的所有介质柱截面尺寸减小为r，r的大小为0.1a到0.3a；并且将这一层第偶数个介质柱向下方平移d，d的大小为0.1a到0.5a；这样便形成褶皱结构；
(7)将褶皱层下面一层介质柱中的第偶数个晶格去掉，形成点缺陷结构；一种高耦合效率的复合型二维光子晶体结构设计完成；
(8)利用现有技术手段完成上述设计所得结构的制作。
2、根据权利要求1所述的一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于，步骤(1)中的二维光子晶体的介质柱材料为二氧化硅、玻璃、硅、锗、或砷化钾，背景介质材料为空气。
3、根据权利要求1所述的一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于，步骤(2)中的二维光子晶体晶格周期a为λ/3到λ/2.5。
4、根据权利要求1所述的一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于，步骤(3)中的介质柱是圆柱形或方形。
5、根据权利要求1所述的一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于，步骤(3)中的介质柱放置时，介质柱之间按正方形方式排列。
6、根据权利要求1所述的一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于，步骤(5)中的波导结构宽度为2a。
7、根据权利要求1所述的一种高耦合效率的复合型二维光子晶体的设计方法，其特征在于，步骤(6)中的褶皱结构的晶格单元周期为2a。
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