CN109669242B - 一种光子晶体波导对角模干涉fano共振结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其包括由若干个具有折射率的介质柱排布构成的二维光子晶体线型波导，二维光子晶体线型波导包括两个波导端口和一个点缺陷谐振腔，其中两个波导端口分别设置在点缺陷谐振腔的两侧，点缺陷谐振腔包括四个介质柱和一个横截面为正方形或近似正方形的点缺陷介质柱，其中点缺陷介质柱的两侧相对称地分别设置各两个介质柱，四个介质柱和点缺陷介质柱的各个中心等距离地间隔排布。本发明结构紧凑，便于控制Fano谐振的明模和暗模，易于与其它光子晶体器件实现集成。

Description

一种光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构
技术领域
本发明涉及光子晶体点缺陷模式分布和Fano共振领域，具体涉及一种由光子晶体波导对角模干涉导致的Fano共振结构。
背景技术
近年来光子晶体一直是人们研究光器件的热门领域。光子晶体是由不同介电常数的材料通过周期晶格排列构成的晶体结构。电磁波在光子晶体内传播时，布拉格散射导致电磁波被调制而形成能带结构，处于禁带中的电磁波完全不能传播。对光子晶体中引入缺陷可以实现对电磁波的引导与控制，由此可以获得各种不同功能的器件，如光子晶体激光器、滤波器、传感器等。
Fano共振最先是在量子领域发现的，后来在光学领域也发现了很多Fano共振现象，其主要特点就是具有非对称线型和极窄的线宽，可广泛应用于光开关、激光、生物传感等方面，近年来在光学领域掀起了一股研究热潮。一般情况下，光学Fano共振的产生需要两个条件：a、宽带模或较宽的共振模，也叫亮模；b、较窄的共振模，也叫暗模，在窄模共振频谱点附近，两个模式波的相位有π的差异。两个模式耦合、干涉后，在相位差为π的频率处，两个模式相消，出现一个很陡的谷，也就是在暗模的共振频率附近出现一个谷，而相位相长部分则两个模式强度相互加强，在某频率处会观察到一个尖峰。然而，现有的文献报道，构造可控的光子晶体Fano共振都需要采用复杂的非对称结构，才能进行有限的调节。
随着光子晶体器件集成度的增加，对光子晶体器件的体积要求是越小越好。如果在小型化与简化结构的同时，还能够更好地对Fano共振线型进行调节和控制将会使光学Fano共振的应用研究向产业化更进一步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，结构简单对称，克服了上述现有技术中的不足，通过一个点缺陷腔构造出两个相交波导模，且能够实现对Fano共振明模和暗模的灵活调控。
为了实现上述目的，本发明提供一种光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，适于设置在具有折射率的背景介质中，其包括：
二维光子晶体线型波导，所述二维光子晶体线型波导由若干个具有折射率的介质柱排布构成，所述二维光子晶体线型波导包括两个波导端口和一个点缺陷谐振腔，其中两个所述波导端口分别设置在所述点缺陷谐振腔的两侧，所述点缺陷谐振腔包括四个所述介质柱和一个点缺陷介质柱，其中所述点缺陷介质柱的两侧相对称地分别设置各两个所述介质柱，四个所述介质柱和所述点缺陷介质柱的各个中心等距离地间隔排布，所述点缺陷介质柱的横截面的高宽比为0.99～1.01，近似为正方形。通过所述点缺陷谐振腔构造出两个相交波导模，从而实现构造光子晶体Fano共振。
优选地，四个所述介质柱和所述点缺陷介质柱排布在同一直线。
根据本发明的优选实施例，所述介质柱按正方晶格或三角晶格排布形成二维光子晶体。
根据本发明的优选实施例，所述背景介质的折射率小于1.5。
优选地，所述背景介质为空气、真空、或泡沫材料。
根据本发明的优选实施例，所述介质柱的折射率大于2.6。
优选地，所述介质柱的材料为硅或砷化镓。
优选地，所述介质柱的横截面为圆形或正多边形。
根据本发明的优选实施例，所述二维光子晶体线型波导的宽度为2a，长度为na，其中a为所述二维光子晶体线型波导中光子晶体的晶格常数，n为不小于5的常整数。
优选地，所述点缺陷介质柱的横截面为矩形或椭圆形。
本发明的所述光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构广泛适用于任意电磁波波段，如微波波段、毫米波波段、太赫兹波段、红外波段或可见光波段等。相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)打破了以往光子晶体可调节Fano共振结构必须具有复杂的非对称结构的要求，结构简单对称，对减小光器件的体积有重要作用；
(2)可灵活实现对Fano共振明模暗模的调控，可以更加自由和连续地控制Fano共振模的形态，为未来实现可控电磁场器件提供了更加便利和灵活的方案。
本发明的上述以及其它目的、特征、优点将通过下面的详细说明、附图、以及所附的权利要求进一步明确。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构的示意图；
图2是根据本发明优选实施例的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构的光子带结构图；
图3是根据本发明优选实施例的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构的两个缺陷模的电场分布图；
图4是根据本发明优选实施例的光子晶体波导结构模式没有分裂时对应模式的电场分布图；
图5是根据本发明优选实施例的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构的透射谱；
图中：背景介质00；介质柱01；点缺陷介质柱02；点缺陷介质柱横截面高度h；点缺陷介质柱横截面宽度w(w＝h或w≈h)；波导端口11；波导端口12；二维光子晶体线型波导宽度w1。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参看附图之图1至图5，根据本发明优选实施例的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构将在接下来的描述中被阐明，其适于设置在具有低折射率的背景介质00中。
所述背景介质00的折射率小于1.5。在本实施例中，所述背景介质00为空气。在其他可能的实施方式中，所述背景介质00也可以是其他折射率小于1.5的介质，例如真空、泡沫材料等。
如附图1所示，所述光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构包括二维光子晶体线型波导，所述二维光子晶体线型波导由若干个具有折射率的介质柱01排布构成。优选地，所述介质柱01均匀地分布在所述背景介质00中。
优选地，所述介质柱01按正方晶格排布形成二维光子晶体。所述介质柱01的横截面为圆形，半径为0.2μm，其横截面在x-y平面上，圆柱轴线沿z轴方向。所述介质柱01的材料采用硅，折射率为3.5。
本领域技术人员可以理解的是，在其他可能的实施方式中，所述二维光子晶体也可以但不限于由介质柱按三角晶格排布形成，所述介质柱的横截面也可以但不限于是正多边形，其材料也可以是砷化镓。
进一步地，所述二维光子晶体线型波导包括波导端口11、波导端口12、以及一个点缺陷谐振腔，其中所述波导端口11和所述波导端口12分别设置在所述点缺陷谐振腔的两侧。
所述点缺陷谐振腔设置在所述二维光子晶体线型波导的中心位置，其包括四个所述介质柱01和一个点缺陷介质柱02，其中所述点缺陷介质柱02的两侧相对称地分别设置各两个所述介质柱01。
优选地，所述点缺陷介质柱02的横截面为矩形，其高宽比为0.99～1.01。所述点缺陷介质柱02的材料和所述介质柱01相同，也为硅，折射率为3.5。在其他可能的实施方式中，所述点缺陷介质柱02的横截面也可以为椭圆形，其材料也可以是砷化镓。
优选地，四个所述介质柱01和所述点缺陷介质柱02的各个中心等距离地间隔排布。
优选地，四个所述介质柱01和所述点缺陷介质柱02排布在同一直线，从而形成点缺陷线型谐振腔。
本发明的Fano共振结构波导分别对应两个波导端口，即所述波导端口11和波导端口12，分别作为波导入射端口和波导出射端口。所述二维光子晶体线型波导的宽度w1为2a，长度为na，其中n为不小于5的常整数，a为所述二维光子晶体线型波导中光子晶体的晶格常数。在本实施例中，a被设定为1μm。
优选地，n为15。
图2与图3为矩形点缺陷介质柱02高h＝1μm，宽w＝1μm时的光子带结构图和模场分布图，其中图2使用的是7×7波导结构进行计算得到的。图4为矩形点缺陷介质柱02高h＝0.2μm，宽w＝0.2μm时的点缺陷特征模式电场分布图，由于此时点缺陷介质柱较小，模式还没有出现分裂。图5为矩形点缺陷介质柱02高h＝1μm，宽w分别取0.9994μm、0.9997μm、1μm、1.0003μm、1.0006μm时的透射谱。由图5可知，w的取值直接影响了Fano共振的线型，说明可通过调节点缺陷介质柱02横截面宽w的大小，或者调节点缺陷介质柱02的折射率来控制Fano共振模的形态。
本领域技术人员可以理解的是，本发明所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构并不限于上述实施方式，如本领域技术人员根据本发明所揭示的技术方案，并根据光子晶体等比例缩放原理，即Fano共振结构的工作波长与光子晶体晶格常数、光子晶体中的介质柱尺寸等参数的关系满足正比关系以选择相应材料；又如使用其他比例结构构造相同模式干涉产生Fano共振。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，适于设置在具有折射率的背景介质中，其特征在于，包括：
二维光子晶体线型波导，所述二维光子晶体线型波导由若干个具有折射率的介质柱排布构成，所述二维光子晶体线型波导包括两个波导端口和一个点缺陷谐振腔，其中两个所述波导端口分别设置在所述点缺陷谐振腔的两侧，所述点缺陷谐振腔包括四个所述介质柱和一个点缺陷介质柱，其中所述点缺陷介质柱的两侧相对称地分别设置各两个所述介质柱，四个所述介质柱和所述点缺陷介质柱的各个中心等距离地间隔排布，所述点缺陷介质柱的横截面的高宽比为0.99～1.01。
2.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，四个所述介质柱和所述点缺陷介质柱排布在同一直线。
3.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述介质柱按正方晶格或三角晶格排布形成二维光子晶体。
4.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述背景介质的折射率小于1.5。
5.根据权利要求1或4所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述背景介质为空气、真空、或泡沫材料。
6.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述介质柱的折射率大于2.6。
7.根据权利要求1或6所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述介质柱的材料为硅或砷化镓。
8.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述介质柱的横截面为圆形或正多边形。
9.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述二维光子晶体线型波导的宽度为2a，长度为na，其中a为所述二维光子晶体线型波导中光子晶体的晶格常数，n为不小于5的常整数。
10.根据权利要求1所述的光子晶体波导对角模干涉FANO共振结构，其特征在于，所述点缺陷介质柱的横截面为矩形或椭圆形。
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Granted publication date: 20210101

Termination date: 20220104