CN110441858B - 三角晶格二维光子晶体Fano共振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三角晶格二维光子的Fano共振器，该器件由一个光子晶体腔和一个设计有反射元的光子晶体波导构成。腔结构产生Fano共振所需的离散态，而设计有反射元的光子晶体波导产生Fano共振所需的连续态，两者耦合产生非对称的Fano共振线形。本发明产生的Fano共振的消光比高达55dB，Fano共振的峰值与谷值之差仅有1.4nm，此外也具有高的Q值和低的插入损耗。该发明应用于光子集成中的光开关、光子传感器、滤波器等基础光子器件。
Description
技术领域
本发明属于二维光子晶体器件领域，具体的说是涉及一种三角晶格二维光子晶体Fano共振器。
背景技术
Fano共振现象是由Ugo Fano在1961年研究量子力学中的原子粒子散射时发现的一种非对称共振线形。Fano共振产生的原理为离散态与连续态耦合形成。随着对Fano共振的进一步研究，人们发现Fano共振不仅仅出现在量子系统中，在光学系统中也广泛的出现非对称的Fano线形。相较于传统的Lorentzian共振线形，Fano共振线形能够在较窄的波长范围内传输特性急剧变化。因此，Fano共振能够广泛的应用在光开关、光子传感器、滤波器等光子器件中。
二维光子晶体是一种由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。当光子晶体的材料介电常数相差足够大，且材料对光的吸收足够低时，就会形成光子禁带，光子在禁带中不能以特定的频率向某些方向传播。近年来光子晶体已成为光子集成的研究热点，基于光子晶体Fano共振的研究课题也越来越多。目前有人在三角晶格二维光子晶体中利用腔与加入PTE的波导耦合形成Fano共振。该Fano共振结构的消光比只有30dB左右，并且峰值波长与谷值波长之间的差值也相对而言不是很小。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种三角晶格二维光子晶体Fano共振器，该共振器解决了消光比较低的问题，并且降低了峰值波长与谷值波长之间的差值。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是三角晶格二维光子晶体Fano共振器，该共振器由一个光子晶体腔和一个设计有反射元的光子晶体波导构成，其特征在于：所述光子晶体腔由9个大小不等的缺陷柱构成，该结构决定了共振器的峰谷差和品质；光子晶体波导中设计了PTE介质柱。
本发明的进一步改进在于：三角晶格介质柱阵列排列于空气中构成二维光子晶体。
本发明的进一步改进在于：三角晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱形。
本发明的进一步改进在于：三角晶格介质柱阵列的介质柱半径r＝0.2a，a为光子晶体的晶格常数。
本发明的进一步改进在于：9个缺陷柱半径分别为0.22a、0.24a、0.26a、0.28a、0.3a、0.28a、0.26a、0.24a和0.22a，其中a为二维光子晶体的晶格常数，腔的位置在最靠近波导处时，即距离波导为一个晶格常数的距离，耦合效果最优。
本发明的进一步改进在于：所述PTE柱的半径为0.19a，其中a为二维光子晶体的晶格常数。
本发明的进一步改进在于：二维光子晶体波导的波导宽度为2a，长度为n*a，其中，n为不小于4的整数，a为二维光子晶体的晶格常数。
本发明的有益效果是：1、本发明为高消光比的二维光子晶体Fano共振器，可用于结构复杂、功能集成的光子晶体系统，能广泛应用于光子传感器、光开关、滤波器的光子集成的基础器件；2、本发明采用多个缺陷柱构成腔，提高了腔的品质；3、通过提高腔的品质和调整PTE的半径，提高了Fano共振的消光比。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是腔与Fano结构的透射谱。
图3是波导中不加PTE时y方向电场分布图。
图4是Fano共振峰值处的y方向电场分布图。
图5是Fano共振谷值处的y方向电场分布图。
图6是不同PTE半径的透射谱。
图7是不同耦合距离的透射谱。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明是一种三角晶格二维光子晶体Fano共振器，该共振器由一个光子晶体腔和一个设计有反射元的二维光子晶体波导构成。
二维光子晶体是三角晶格介质柱阵列排列于空气中构成，折射率为1，三角晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱，材料为硅，折射率为3.42，三角晶格介质柱阵列的介质柱半径r＝0.2a，a为光子晶体的晶格常数，光子晶体波导中设计了PTE介质柱，所述PTE柱的半径为0.19a，其中a为二维光子晶体的晶格常数，所述光子晶体腔由9个大小不等的缺陷柱构成，该结构决定了共振器的峰谷差和品质；9个缺陷柱半径分别为0.22a、0.24a、0.26a、0.28a、0.3a、0.28a、0.26a、0.24a和0.22a，其中a为二维光子晶体的晶格常数，二维光子晶体波导的波导宽度为2a，长度为n*a，其中，n为不小于4的整数，a为二维光子晶体的晶格常数。
根据耦合模理论，PTE半径的大小与耦合距离的大小会对Fano共振有影响，可以通过优化PTE的半径大小与耦合距离的大小来使得该共振器产生的消光比、品质、峰谷之差、插入损耗得到最优化。
根据上述优化的方法，通过软件仿真得到以下结果：
如图2所示，当没有加入PTE时，光从一端入射，由于没有PTE，只有腔构成一条散射路径，所以整个透射谱呈现对称的Lorentzian共振线形，当加入PTE时，由于PTE的存在，入射波经过PTE时也会形成一条散射路径，两条路径分别形成Fano共振所需的离散态与连续态，两者耦合形成非对称的Fano共振线形。
如图3所示，为Lorentzian共振的y方向的电场分布图。
如图4、5所示，为Fano共振峰值与谷值处的y方向电场分布图。
如图6所示，当PTE半径不同时，对入射波的散射效果不一样，故产生的Fano共振的消光比就会不一样。
如图7所示，当耦合的距离变大时，腔与加入了PTE的波导之间的耦合效果变弱，使得Fano共振的透射率下降。
本发明为三角晶格二维光子晶体Fano共振器，利用多个缺陷柱构成一个高品质的腔，通过优化PTE的半径大小，降低了Fano共振的峰谷值之间的差值。本发明产生的Fano共振的消光比高达55dB，峰谷值之间的差降低到1.4nm，此外也具有高Q值和低的插入损耗，该发明应用于光子集成中的光开关、光子传感器、滤波器等基础光子器件。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.三角晶格二维光子晶体Fano共振器，该共振器由一个光子晶体腔和一个光子晶体波导构成，其特征在于：所述光子晶体腔由9个大小不等的缺陷柱构成，光子晶体波导中设计了PTE介质柱。
2.根据权利要求1所述三角晶格二维光子晶体Fano共振器，其特征在于：三角晶格介质柱阵列排列于空气中构成二维光子晶体。
3.根据权利要求2所述三角晶格二维光子晶体Fano共振器，其特征在于：三角晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱形。
4.根据权利要求3所述三角晶格二维光子晶体Fano共振器，其特征在于：三角晶格介质柱阵列的介质柱半径r＝0.2a，a为光子晶体的晶格常数。
5.根据权利要求1所述三角晶格二维光子晶体Fano共振器，其特征在于：9个缺陷柱半径分别为0.22a、0.24a、0.26a、0.28a、0.3a、0.28a、0.26a、0.24a和0.22a，其中a为二维光子晶体的晶格常数。
6.根据权利要求1所述三角晶格二维光子晶体Fano共振器，其特征在于：所述PTE柱的半径为0.19a，其中a为二维光子晶体的晶格常数。
7.根据权利要求1所述三角晶格二维光子晶体Fano共振器，其特征在于：二维光子晶体波导的波导宽度为2a，长度为n*a，其中，n为不小于4的整数，a为二维光子晶体的晶格常数。
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