CN104360439A - 一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，包括周边设有外围隔离层(PEC)的光子晶体直角波导，其特征在于所述光子晶体直角波导由光子晶体波导区域(ABEF)、变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)构成，其中：所述变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)分别为背景介质的三角区域，所述光子晶体波导区域(ABEF)变换到背景介质的三角区域，由此构成光子晶体波导弯折空间区域。本发明通过采用变换介质与二维光子晶体复合的结构来控制光波传输的低损耗直角光波导，可使光波在弯折处低损耗甚至无损耗传输且适用于弯折角度较大的情况下使用。

Description

一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构
技术领域
本发明属于一种光学元器件技术领域，特别是涉及一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构。
背景技术
在现代集成光路系统中，光波导结构是不可缺少的光子传输线结构，而弯折光波导结构可以有效地控制光波沿不同路径的传输。光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。由于带隙中没有任何态存在，频率落在带隙中的电磁波被禁止传播。通过在完整的二维光子晶体中引入缺陷，破坏光子禁带，引入缺陷态，可用来制作二维光子晶体功能器件。若在完整的二维光子晶体中引入线缺陷即去掉数排介质柱，那么相应频率的电磁波就只能在这个线缺陷中传播，离开线缺陷就会迅速衰减，可以通过在二维光子晶体中引入线缺陷来制作光子晶体波导。
变换介质是通过基于空间变换来重新设计原背景介质的电磁参数，使得重新设计的变换介质引导光波沿所需要的变换空间传输。利用光子晶体与变换光学原理重新设计弯折波导结构，这与传统的介质波导采用全反射来控制光波的横向传输机理是不同的。光子晶体波导的优势在于当波导发生弯折时，其依然可以实现低损耗传输，从而克服了传统介质波导或光纤在弯折处损耗较大的特点。但纯光子晶体波导在弯折处的结构需要进行特殊设计，特别是弯折角度较大的时候，这种设计相当困难。
目前，光子晶体弯折波导仅限于在一维或二维结构上的设计，只有在弯折角度相对较小时才能达到低损耗传输的要求。因此，如何克服现有技术存在的不足已成为光学元器件技术领域亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术存在的不足而提供一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，本发明通过采用变换介质与二维光子晶体复合的结构来控制光波传输的低损耗直角光波导，可使光波在弯折处低损耗甚至无损耗传输且适用于弯折角度较大的情况下使用。
根据本发明提出的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，包括光子晶体直角波导、外围隔离层(PEC)，该光子晶体直角波导的周边设置有外围隔离层(PEC)，其特征在于，所述光子晶体直角波导由光子晶体波导区域(ABEF)、变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)构成，其中：所述变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)分别为背景介质的三角区域，所述光子晶体波导区域(ABEF)变换到背景介质的三角区域，由此构成光子晶体波导弯折空间区域。
本发明提出的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构的进一步优选方案是：所述光子晶体波导区域(ABEF)为相对介电常数εd＝11.0的Si或GaAs介质圆柱呈周期性排列构成的正方晶格，该正方晶格的常数设为a，该GaAs介质圆柱的占空比πr2/a2设为0.25；所述变换光子晶体波导1区域(ABC’)的介电常数为：磁导率参数为其中：A为光子晶体波导区域(ABC)到变换光子晶体波导1区域(ABC’)的空间变换Jacobian矩阵，εd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的介电常数，μd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的磁导率参数；所述变换光子晶体波导2区域(AC’D’)的介电常数为：磁导率参数为：其中：B为光子晶体波导区域(ACD)到变换光子晶体波导2区域(AC’D’)的空间变换Jacobian矩阵，εd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的介电常数，μd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的磁导率参数；所述外围隔离层(PEC)的材质为铜导体或者银导体。
本发明的工作原理是：本发明采用光子晶体与变换光学相结合的方式设计弯折波导结构，通过对直线型波导结构的重构，利用变换光学原理实现电磁波在弯折处的无损耗传输：在一块完整的光子晶体直角波导上选取两块三角区域作为背景介质，将其变换到两块三角区域构成弯折空间，并基于空间变换函数对应的雅可比矩阵来设计变换弯折空间的介质参数；基于不同的空间弯折变换比例，可以分别设计等宽波导弯折连接结构和不等宽波导弯折连接结构，根据所得到参数设计波导结构，从而实现不同光子传输线的连接与低损耗传输控制。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明采用基于空间变换来设计弯折变换空间的电磁参数，设计了两种基于光子晶体波导为背景介质的光子晶体弯折波导结构，该弯折波导结构可使落在光子带隙频率内的光波无损耗弯折传输，从而实现不同宽度的光子晶体波导连接。二是即使波导结构弯折角度较大的情况下，该弯折波导结构也能实现无损耗传输。三是本发明的整个光子晶体弯折波导集成在同一个基片上，不需要外置的光学元件，使得光子晶体波导结构更紧凑、体积更小，因而实施简便可靠。本发明广泛适用于光学元器件、微波器件等领域。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构的主视示意图。
图2是本发明提出的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构的三维立体示意图。
图3包括图3a和图3b，是完整的二维光子晶体直线波导结构与弯折波导结构之间的空间变换示意图。
图4是所设计的光子晶体带隙结构示意图。
图5包括图5a和图5b，是入射端口与出射端口宽度相等时，并以TE10模激励、变换介质光子晶体弯折波导与传统光子晶体弯折波导的横向电磁分布对比示意图。
图6包括图6a和图6b，是入射端口与出射端口宽度不相等时，并以TE10模激励、变换介质光子晶体弯折波导与传统光子晶体弯折波导的横向电磁分布对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
结合图1和图2，本发明提出的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，包括光子晶体直角波导、外围隔离层(PEC)，所述光子晶体直角波导的周边设置有外围隔离层(PEC)，所述光子晶体直角波导由光子晶体波导区域(ABEF)、变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)构成，其中：所述变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)分别为背景介质的三角区域，所述光子晶体波导区域(ABEF)变换到背景介质的三角区域，由此构成光子晶体波导弯折空间区域。
结合图3，本发明所述光子晶体波导区域(ABEF)为相对介电常数εd＝11.0的Si或由GaAs介质圆柱呈周期性排列构成的正方晶格，该正方晶格的常数设为a，介质圆柱的占空比πr2/a2设为0.25；其中：图3a所示，在水平方向上挖去4个周期的介质圆柱，即可形成直线型光子晶体波导；同时,选择光子晶体波导的三角区域ABC和ACD作为背景介质的区域；图3b所示，选择光子晶体波导的三角区域ABC’和AC’D’作为弯折的变换区域，四个三角区域通过线性映射得到变换函数关系；通过变换函数关系可以获得变换空间到背景空间的雅可比矩阵，并根据变换电磁学原理可以获得弯折变换空间的电磁参数，即变换介质参数。
结合图4，通过平面波展开方法，可以计算所设计光子晶体波导的光子带隙，并采用了归一化频率单位ωa/2πc；所设计的光子晶体波导第一禁带的带隙范围为0.24-0.33、第二禁带的带隙范围为0.44-0.53。
结合图5，设置映射边界AD＝AD’,可以使得弯折波导的入射端口与出射端口宽度相同，从而可有效地连接相同宽度的波导结构；选择光子禁带的带隙内的频率0.3ωa/2πc，并以TE10模激励入射端口；其中：图5a给出了具有等宽输入端口与输出端口的弯折波导横向电场分布；为了形成对比，图5b给出了相同激励下的传统光子晶体弯折波导横向电场分布；从图5a和图5b中可以看出采用了变换介质的光子晶体波导具有较低的传输损耗。
结合图6，设置映射边界AD≠AD’,可使得弯折波导的入射端口与出射端口宽度不同，从而可有效地连接不同宽度的波导结构；其中：图6a中是将入射端口宽度在图5a的基础上增加1倍，出射端口宽度不变，仍然选择光子禁带的带隙内的频率0.3ωa/2πc，并以TE10模激励入射端口，给出了具有不等宽输入端口与输出端口的弯折波导横向电场分布；为了形成对比，图6b给出了相同激励下的传统光子晶体弯折波导横向电场分布；从图6a与图6b的对比中可以看出，采用了变换介质的光子晶体波导具有较低的传输损耗。
本发明提出的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构的制造工艺实施例。在完成对本发明的光子晶体弯折波导结构设计的基础上，对光子晶体波导区域(ABEF)、变换光子晶体波导1区域(ABC’)、变换光子晶体波导2区域(AC’D’)所涉及的光子晶体波导均采用现有的电化学腐蚀法、金属催化化学腐蚀法等无序的纳米结构制备方法与MEMS工艺方法相结合进行制备，并在制备后的由光子晶体波导区域(ABEF)、变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)构成的光子晶体直角波导的周边焊接外围隔离层(PEC)，该外围隔离层(PEC)的材质选择铜导体或者银导体，由此制得本发明的光子晶体弯折波导结构。
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (5)

1.一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，包括光子晶体直角波导、外围隔离层(PEC)，该光子晶体直角波导的周边设置有外围隔离层(PEC)，其特征在于，所述光子晶体直角波导由光子晶体波导区域(ABEF)、变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)构成，其中：所述变换光子晶体波导1区域(ABC’)和变换光子晶体波导2区域(AC’D’)分别为背景介质的三角区域，所述光子晶体波导区域(ABEF)变换到背景介质的三角区域，由此构成光子晶体波导弯折空间区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，其特征在于所述光子晶体波导区域(ABEF)为相对介电常数εd＝11.0的Si或GaAs介质圆柱呈周期性排列构成的正方晶格，该正方晶格的常数设为a，该GaAs介质圆柱的占空比πr2/a2设为0.25。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，其特征在于所述变换光子晶体波导1区域(ABC’)的介电常数为：
ϵ = = det ( A ) - 1 · A ϵ 0 ( or ϵ d ) A T , 磁导率参数为 μ = = det ( A ) - 1 · A μ 0 ( or μ d ) A T , 其中：A为光子晶体波导区域(ABC)到变换光子晶体波导1区域(ABC’)的空间变换Jacobian矩阵，εd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的介电常数，μd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的磁导率参数。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，其特征在于所述变换光子晶体波导2区域(AC’D’)的介电常数为：
ϵ = = det ( B ) - 1 · B ϵ 0 ( or ϵ d ) B T , 磁导率参数为： μ = = det ( B ) - 1 · B μ 0 ( or μ d ) B T , 其中：B为光子晶体波导区域(ACD)到变换光子晶体波导2区域(AC’D’)的空间变换Jacobian矩阵，εd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的介电常数，μd为光子晶体波导区域(ABEF)中GaAs介质柱的磁导率参数。
5.根据权利要求1所述的一种基于变换介质的光子晶体弯折波导结构，其特征在于所述外围隔离层(PEC)的材质为铜导体或者银导体。
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