CN104297842B - 一种十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，它包括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱；所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方杆、十字平板介质杆和背景介质组成；所述高折射率旋转正方杆与十字平板介质杆相连接；所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a；所述旋转正方柱边长d为0.51a～0.64a，所述旋转正方柱杆的旋转角度为2.30°～87.7°，所述十字平板介质杆的宽度t为0.032a～0.072a；所述十字平板介质杆相对于旋转正方杆在一个晶格周期内自下而上、自左而右的移动距离G为0.4a～0.6a。本发明的光子晶体结构易于提供光路的集成度，具有非常大的绝对禁带。
Description
技术领域
本发明涉及宽绝对禁带二维光子晶体。
背景技术
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(Photonic Crystal)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。
现代光学的主要挑战之一是对光的控制，随着光通信和计算机技术的日益发展，对于光信号的控制和操作越发重要。由于光子晶体可以使某一特定方向，某一特定频率的光完全禁止或通过这一性质，光子晶体备受关注。
因为绝对禁带中的电磁场模式是完全不能存在的，所以当电子能带与光子晶体绝对禁带重叠时，自发辐射被抑制。拥有绝对禁带的光子晶体可以通过控制自发辐射，从而改变场与物质的相互作用以及提高光学器件的性能。这些光子晶体可以应用在半导体激光器、太阳能电池、高品质谐振腔以及滤波器。绝对禁带范围内消失的电磁场模式也可以改变许多原子、分子和激子系统。
光子晶体元胞中介电材料的分布对于带隙有着强烈的影响，并且带隙的设计对于光子晶体的应用有着很大的影响，特别是大的绝对禁带对于宽带信号的控制是非常有效的。
对于绝对禁带中的频率，无论偏振态和波矢如何，都没有光波通过。拥有大光子禁带可以用来制作：光波导、液晶光子晶体光纤、负折射率成像、缺陷模式的光子晶体激光器以及缺陷腔。大的光子晶体绝对禁带可以在缺陷模式光子晶体激光器抑制有害自发辐射，尤其是在自发辐射光谱范围很宽的情况下。如果我们想得到拥有窄谐振峰的光子晶体谐振腔时，较大的光子晶体绝对禁带是必须的。在各种光学器件中，偏振无关的光子晶体绝对禁带是非常重要的。正是因为光子晶体的许多器件都要利用光子禁带，所以设计拥有大绝对禁带的光子晶体是很有意义的，而找到大禁带的这一项重要工作有效的办法是发现适合的结构并制作它。所以世界各国的科学家都力求设计各种光子晶体结构，获得大的光子晶体绝对禁带。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种易于光路集成，且具有大的绝对禁带相对值的二维正方晶格光子晶体。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
本发明的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体包括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱；所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方杆、十字平板介质杆和背景介质组成；所述高折射率旋转正方杆与十字平板介质杆相连接；所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a；所述旋转正方柱边长d为0.51a～0.64a，所述旋转正方柱杆的旋转角度α为2.30°～87.7°，所述十字平板介质杆的宽度t为0.032a～0.072a；所述十字平板介质杆相对于旋转正方杆在一个晶格周期内自下而上、自左而右的移动距离G为0.4a～0.6a。
所述高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛，或者折射率大于2的高折射率介质。
所述高折射率介质材料为硅，其折射率为3.4。
所述背景介质为低折射率介质。
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。
所述低折射率背景介质材料为空气。
所述光子晶体元胞的十字平板介质杆水平部分的最左端距离最右端为a；所述光子晶体元胞的十字平板介质杆竖直部分的最上端距离最下端为a。
高折射率材料为硅，低折射率材料为空气，2.30°+90°×n≤α≤87.7°+90°×n,所述n为0，或者其它自然整数，0.51a≤d≤0.64a，0.032a≤t≤0.072a，0.4a≤G≤0.6a，所述光子晶体结构的绝对禁带相对值大于10％。
高折射率材料为硅，低折射率材料为空气，d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝21.94°+90°×n,所述n为0，或者其它自然整数,绝对禁带相对值为14.30％。
本发明的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，可广泛应用于大规模集成光路设计中。它与现有技术相比，有如下积极效果。
(1)利用平面波展开法进行大量的精细研究得到，最大的绝对禁带相对值和其对应的参数；通常将绝对禁带宽度与禁带中心频率的比值作为禁带宽度的考察指标，称之为绝对禁带相对值。
(2)本光子晶体结构具有非常大的绝对禁带，可以为光子晶体器件的设计和制造带来更大的方便和灵活性。
(3)光子晶体集成光路中，光路中不同光学元件之间以及不同光路之间易于连接和耦合，采用正方晶格结构可以使光路简洁，且易于提供光路的集成度。
(4)设计简洁，易于制作，降低了制作成本。
附图说明
图1为本发明的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体的元胞结构示意图。
图2为实施例1采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图3为实施例2采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图4为实施例3采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图5为实施例4采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图6为实施例5采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图7为实施例6采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图8为实施例7采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图9为实施例8采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图10为实施例10采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图11为实施例11采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
图12为实施例12采用元胞参数值所对应的光子带结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体包括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱，如图1所示的为光子晶体的一个元胞，所述光子晶体结构由所述元胞按正方晶格排列而成。所述正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方杆、十字平板介质杆和背景介质组成；所述高折射率旋转正方杆与十字平板介质杆相连接。所述元胞结构的特征参数为四个：旋转正方柱的边长d为0.51a～0.64a，旋转正方柱的旋转角度α为2.30°+90°×n≤α≤87.7°+90°×n，其中n＝0,1,2，……(n∈N)为自然数,十字平板介质杆的宽度t为0.032a～0.072a，其中a为晶格常数，十字平板介质杆相对于旋转正方柱在一个晶格周期内自下而上、自左而右的移动距离G为0.4a～0.6a；所述光子晶体元胞的十字平板介质杆水平部分的最左端距离最右端为a；所述光子晶体元胞的十字平板介质杆竖直部分的最上端距离最下端为a。
实施例1
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝2.30°。本实施例的数值模拟结果如图2所示可知，具有大绝对禁带相对值为10％。
实施例2
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝87.7°。本实施例的数值模拟结果如图3所示可知，具有大绝对禁带相对值为10％。
实施例3
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，d＝0.51a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝21.94°。本实施例的数值模拟结果如图4所示可知，具有大绝对禁带相对值为10.46％。
实施例4
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，d＝0.64a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝21.94°。本实施例的数值模拟结果如图5所示可知，具有大绝对禁带相对值为11.53％。
实施例5
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，d＝0.57a；t＝0.032a；G＝0.5a；α＝21.94°。本实施例的数值模拟结果如图6所示可知，具有大绝对禁带相对值为10.10％。
实施例6
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，d＝0.57a；t＝0.072a；G＝0.5a；α＝21.94°。本实施例的数值模拟结果如图7所示可知，具有大绝对禁带相对值为10.08％。
实施例7
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，α＝21.94°；d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.4a；本实施例的数值模拟结果如图8所示可知，具有大绝对禁带相对值为12.62％。
实施例8
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，α＝21.94°；d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.6a；本实施例的数值模拟结果如图9所示可知，具有绝对禁带相对值为12.54％。
实施例9
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，a＝1.55*0.431μm≈0.668μm,则相应结构参数为：d＝0.2457μm；t＝0.0207μm；G＝0.2155μm；α＝21.94°，该结构在1.55μm通信波段具有14.03％的绝对禁带相对值。
实施例10
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，n＝0，d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝21.94°；本实施例的数值模拟结果如图10所示可知，具有大绝对禁带相对值为14.30％。
实施例11
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，α＝21.94°；t＝0.048a；G＝0.5a；d＝0.51a。本实施例的数值模拟结果如图11所示可知，具有绝对禁带相对值为10.46％。
实施例12
高折射率材料采用硅，低折射率材料为空气，α＝21.94°；d＝0.57a；G＝0.5a；t＝0.068a。本实施例的数值模拟结果如图12所示可知，具有大绝对禁带相对值为10.50％。
以上之详细描述仅为清楚理解本发明，而不应将其看做是对本发明不必要的限制，因此对本发明的任何改动对本领域中的技术熟练的人是显而易见的。
Claims (11)
1.一种十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：它包括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱；所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方杆、十字平板介质杆和背景介质组成；所述高折射率旋转正方杆与十字平板介质杆相连接；所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a；所述旋转正方柱边长d为0.51a～0.64a，所述旋转正方柱杆的旋转角度为2.30°～87.7°，所述十字平板介质杆的宽度t为0.032a～0.072a；所述十字平板介质杆相对于旋转正方杆在一个晶格周期内自下而上、自左而右的移动距离G为0.4a～0.6a。
2.按照权利要求1所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述高折射率介质为折射率大于2的高折射率介质。
3.按照权利要求1所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述高折射率介质为硅、砷化镓或者二氧化钛。
4.按照权利要求2所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述高折射率介质材料为硅，其折射率为3.4。
5.按照权利要求1所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述背景介质为低折射率介质。
6.按照权利要求1或5所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述低折射率背景介质为折射率小于1.6 的介质。
7.按照权利要求1或5所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述低折射率背景介质为空气、真空、氟化镁或者二氧化硅。
8.按照权利要求7所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述低折射率背景介质为空气。
9.按照权利要求1所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：所述光子晶体元胞的十字平板介质杆水平部分的最左端距离最右端为a；所述光子晶体元胞的十字平板介质杆竖直部分的最上端距离最下端为a。
10.按照权利要求1所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：高折射率材料为硅，低折射率材料为空气，2.30°+90°×n≤α≤87.7°+90°×n，所述n为0，或者其它自然整数，0.51a≤d≤0.64a，0.032a≤t≤0.072a，0.4a≤G≤0.6a，所述光子晶体结构的绝对禁带相对值大于10％。
11.按照权利要求1所述的十字连杆与旋转正方杆的二维正方晶格光子晶体，其特征在于：高折射率材料为硅，低折射率材料为空气，d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝21.94°+90°×n，所述n为0，或者其它自然整数,绝对禁带相对值为14.30％。
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