CN104950383B - 方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导 - Google Patents

方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，它由低折射率的第一介质柱在高折射率背景介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列低折射率的第一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的两个拐弯处分别设置低折射率的第二、三介质柱；所述第二、三介质柱为补偿散射柱；所述第二、三介质补偿散射柱为低折射率介质柱或者空气孔；所述第一介质柱为低折射率方柱或者空气方孔。本发明的结构具有极低的反射率和非常高的传输率，便于大规模光路集成，这为光子晶体的应用提供了更广阔的空间。

Description

方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导
技术领域
本发明涉及光子晶体波导，尤其是方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导。
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(PC)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。光子晶体对光的传播具有较强、灵活的控制能力，不仅对直线式传导，而且对锐利的直角，其传导的效率也很高。如果在PC结构中引入一个线缺陷，创建一个导光的通道，称为光子晶体光波导(PCW)。这种波导即使在90°的转角处也只有很小的损失。与基本的全内反射的传统光波导完全不同，它主要利用缺陷态的导波效应，缺陷的引入在光子带隙(PBG)中形成新的光子态，而在缺陷态周围的光子态密度为零。因此，光子晶体光波导利用缺陷模式实现光传输不会产生模式泄漏，光子晶体光波导是构成光子集成光路的基本器件，光子晶体拐弯波导可以提高光路集成度，与之相关的研究对于集成光路的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有极低的反射率和非常高的传输率的方孔式正方晶格光子晶体高折射率双补偿散射柱直角波导。
为实现以上目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，它由低折射率的第一介质柱在高折射率背景介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列低折射率的第一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的两个拐弯处分别设置低折射率的第二、三介质柱；所述第二、三介质柱为补偿散射柱；所述第二、三介质补偿散射柱为低折射率介质柱或者空气孔；所述第一介质柱为低折射率方柱或者空气方孔。
所述第二、三介质补偿散射柱为等腰直角三角形低折射率柱或者空气孔、弓形低折射率柱或者空气孔、方低折射率柱或者空气孔、三角低折射率柱或者空气孔、多边形低折射率柱或者空气孔、或者横截面轮廓线为圆滑封闭曲线的低折射率柱或者空气孔。
所述第二、三介质补偿散射柱分别为等腰直角三角形低折射率柱或者空气孔。
所述高折射率背景介质的材料为硅、砷化镓、二氧化钛，或者折射率大于2的介质。
所述高折射率背景介质材料为硅，其折射率为3.4。
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为空气。
所述直角波导为TM工作模式波导。
所述直角波导结构的面积大于或等于7a×7a，其中a为光子晶体的晶格常数。
本发明的光子晶体光波导器件能广泛应用于各种光子集成器件中。它与现有技术相比有如下积极效果：
1.本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导具有极低的反射率和非常高的传输率，这为光子晶体的应用提供了更广阔的空间。
2.本发明的结构基于多重散射理论，通过双低折射率介质补偿散射柱对其内传输的光波实现相位和幅度的补偿，以降低反射率，提升透射率，该结构能实现低反射率和高透射率。
3.本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导基于正方晶格结构，可用于大规模集成光路设计中，光路简洁，便于设计，利于大规模光路集成。
4.本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导基于正方晶格结构，使得光路中不同光学元件之间以及不同光路之间易于实现连接和耦合，有利于降低成本。
附图说明
图1是本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导的结构的核心区域示意图。
图2是本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导的归一化频率——传输特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的阐述。
如图1所示，为本发明的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，它由低折射率的第一介质柱在高折射率背景介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，所述高折射率背景介质的材料采用硅、砷化镓、二氧化钛，或者折射率大于2的介质；所述低折射率背景介质采用空气、真空、氟化镁、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介质。在所述光子晶体中移除一排和一列低折射率的第一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的两个拐弯处分别设置低折射率的第二、三介质补偿散射柱，所述第二、三介质补偿散射柱分别为低折射率介质柱或者空气孔，产生补偿反射波与波导本征反射波相抵消；所述补偿散射介质柱还可以采用各种各样的形状，例如：等腰直角三角形低折射率柱或空气孔、弓形低折射率柱或空气孔、方形低折射率柱或空气孔、三角形低折射率柱或空气孔、多边形低折射率柱或空气孔、或横截面轮廓线为圆滑封闭曲线的低折射率柱或空气孔。
根据以上结果给出如下6个实施例：
实施例1.所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a；低折射率的第一介质柱为空气方形柱(或称之为空气方孔)，所述空气方柱的边长为0.83a；波导内传输的光波极化形式为TM波；所述第二、三介质补偿散射柱为空气柱或称之为空气孔，该第二、三介质补偿散射空气柱分别为等腰直角三角形空气柱或空气孔；第二介质柱，即左上角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.46029a；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为1.08486a和0.21121a，其旋转角度为205.8度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱，即右下角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.48022a；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.15476a和0.2018a，其旋转角度为269.58度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(-6.00a，0)；入射光的初始相位为169.8度。所述高折射率背景介质为硅(Si)，其折射率为3.4；所述的低折射率介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15a×15a，此时所述的光子晶体直角波导的回波损耗谱和插入损耗谱如图2所示，该图的横轴部分是该结构的工作频率，纵轴部分则是其传输特性，图中的虚线为该结构的回波损耗(定义为LR＝-10log(PR/PI))，而实线则为其插入损耗(定义为LI＝-10log(PT/PI))，其中的PI为该结构的入射功率，PR为该结构的反射功率，PT为该结构的透射功率。在归一化频率为0.336(ωa/2πc)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为45.11dB和最小插入损耗为0.0004dB。
实施例2.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.5208微米，使最佳归一化波长为1.4微米，低折射率的第一介质柱为空气方柱，所述空气方柱的边长为0.432264微米；波导内传输的光波极化形式为TM波；所述第二、三介质补偿散射柱分别为等腰直角三角形空气柱；第二介质柱，即左上角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.24微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.565微米和0.11微米，其旋转角度为205.8度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱，即右下角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.2501微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.0806微米和0.1051微米，其旋转角度为269.58度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(-6.00a，0)；入射光的初始相位为169.8度。所述高折射率背景介质为硅(Si)，其折射率为3.4；所述低折射率介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15a×15a，此时光子晶体直角波导的回波损耗为0.37209dB和插入损耗为10.85587dB。
实施例3.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.5208微米，使最佳归一化波长为1.55微米，低折射率的第一介质柱为空气方形柱，所述空气方柱的边长为0.432264微米；波导内传输的光波极化形式为TM波；所述第二、三介质补偿散射柱分别为等腰直角三角形空气柱；第二介质柱，即左上角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.24微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.565微米和0.11微米，其旋转角度为205.8度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱，即右下角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.2501微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.0806微米和0.1051微米，其旋转角度为269.58度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(-3.1248，0)(微米)；入射光的初始相位为169.8度。所述高折射率背景介质为硅(Si)，其折射率为3.4；所述低折射率介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15a×15a，在归一化频率为0.336(ωa/2πc)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为45.11dB和最小插入损耗为0.0004dB。
实施例4.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.336微米，使最佳归一化波长为1.00微米，低折射率的第一介质柱为空气方形柱，所述空气方柱的边长为0.27888微米；波导内传输的光波极化形式为TM波；所述第二、三介质补偿散射柱分别为等腰直角三角形空气柱；第二介质柱，即左上角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.154657微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.364513微米和0.070967微米，其旋转角度为205.8度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱，即右下角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.161354微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.051999微米和0.067805微米，其旋转角度为269.58度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(-2.016，0)(微米)；入射光的初始相位为169.8度。所述高折射率背景介质为硅(Si)，其折射率为3.4；所述低折射率介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15a×15a。在归一化频率为0.336(ωa/2πc)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为45.11dB和最小插入损耗为0.0004dB。
实施例5.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.49728微米，使最佳归一化波长为1.48微米，低折射率的第一介质柱为空气方形柱，所述空气方柱的边长为0.412742微米；波导内传输的光波极化形式为TM波；所述第二、三介质补偿散射柱分别为等腰直角三角形空气柱；第二介质柱，即左上角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.228893微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.539479微米和0.105031微米，其旋转角度为205.8度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱，即右下角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为0.238804微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为0.076959微米和0.100351微米，其旋转角度为269.58度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(-2.98368，0)(微米)；入射光的初始相位为169.8度。所述高折射率背景介质为硅(Si)，其折射率为3.4；所述低折射率介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15a×15a，在归一化频率为0.336(ωa/2πc)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为45.11dB和最小插入损耗为0.0004dB。
实施例6.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为168微米，使最佳归一化波长为500微米，低折射率的第一介质柱为空气方形柱，所述空气方柱的边长为139.44微米；波导内传输的光波极化形式为TM波；所述第二、三介质补偿散射柱分别为空气等腰直角三角形柱；第二介质柱，即左上角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为77.32872微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为182.2565微米和35.48328微米，其旋转角度为205.8度，旋转角的参考轴为水平右向轴，旋转方向为顺时针方向，X轴方向为水平向右，Z轴方向为垂直向上；第三介质柱，即右下角等腰直角三角形低折射率介质补偿散射柱的直角边长为80.67696微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为25.99968微米和33.9024微米，其旋转角度为269.58度；光源距离原点的X向和Z向的位移为(-1008，0)(微米)；入射光的初始相位为169.8度。所述高折射率背景介质为硅(Si)，其折射率为3.4；所述低折射率介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构尺寸为15a×15a，在归一化频率为0.336(ωa/2πc)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为45.11dB和最小插入损耗为0.0004dB。
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 (8)

1.一种方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，由低折射率的第一介质柱在高折射率背景介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列低折射率的第一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的两个拐弯处分别设置低折射率的第二、三介质柱；所述第二、三介质柱为补偿散射柱；所述第二、三介质柱为空气柱；所述第二、三介质柱分别为等腰直角三角形空气柱；所述第二介质柱设置于所述直角波导的左上角，其直角边长为0.46029a，其中a为正方晶格光子晶体的晶格常数，该第二介质柱的旋转角为205.8度，其旋转方向为顺时针方向；所述第三介质柱位于直角波导的右下角，其直角边长为0.48022a，其旋转角度为269.58度；所述第一介质柱为空气方孔；在归一化频率0.336处，所述直角波导的回波损耗为45.11dB，插入损耗为0.0004dB。
2.按照权利要求1所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述高折射率背景介质的材料为折射率大于2的介质。
3.按照权利要求1所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述高折射率背景介质的材料为硅、砷化镓或者二氧化钛。
4.按照权利要求3所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述高折射率背景介质的材料为硅，其折射率为3.4。
5.按照权利要求1所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述低折射率的介质为折射率小于1.6的介质。
6.按照权利要求1所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述低折射率的介质为空气、真空、氟化镁或者二氧化硅。
7.按照权利要求1所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述直角波导为TM工作模式波导。
8.按照权利要求1所述的方孔式正方晶格光子晶体低折射率双补偿散射柱直角波导，其特征在于，所述直角波导的结构的面积大于或等于7a×7a，其中a为正方晶格光子晶体的晶格常数。
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