CN110749954B - 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法 - Google Patents

一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110749954B
CN110749954B CN201911202534.1A CN201911202534A CN110749954B CN 110749954 B CN110749954 B CN 110749954B CN 201911202534 A CN201911202534 A CN 201911202534A CN 110749954 B CN110749954 B CN 110749954B
Authority
CN
China
Prior art keywords
refractive index
dirac
negative refractive
light
photonic crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911202534.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110749954A (zh
Inventor
卓立强
赵泽阳
何真
邱伟彬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huaqiao University
Original Assignee
Huaqiao University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huaqiao University filed Critical Huaqiao University
Priority to CN201911202534.1A priority Critical patent/CN110749954B/zh
Publication of CN110749954A publication Critical patent/CN110749954A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110749954B publication Critical patent/CN110749954B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices

Abstract

一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法，负折射率波导快光器件包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。本发明利用类狄拉克点附近频率可使光子晶体的有效折射率为负的特性，通过控制入射光的频率和芯层厚度，实现包层的负折射率，并使得光在芯层中具有负群速度，以及反向传播的行为。

Description

一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法
技术领域
本发明涉及微结构光子晶体元件，特别涉及基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法。
背景技术
光子晶体是一种不同介质在空间呈周期性分布的人工合成的材料，由于其晶格常数和工作波长在一个数量级上，基于光子晶体的快光器件更易于实现高度集成化，适应光电集成的发展趋势。
波导器件在光通信系统中扮演着重要角色，为了避免光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，绕射而引起发散，导致光束中心部分的强度不断地衰减，保证光束在传播过程中能量在纵向上受到限制，使得光束能够集中在芯层中传输，并且损耗和噪声降到最小，因此波导器件是必不可少的。目前，负折射率波导可由有效介电常数εeff以及有效磁导率μeff为负的左手材料(LHMs)构成(Taya S A,Qadoura I M.Guided modesin slab waveguides with negative index cladding and substrate[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013,124(13):1431-1436.)，而且负折射率波导可以实现反常色散现象，进而导致快光现象(即负群速度)(Zhang Y,Zhang X,Wang Y,et al.Reversible Fano resonance by transition from fast lightto slow light in a coupled-resonator-induced transparency structure[J].Opticsexpress,2013,21(7):8570-8586.)。近年来，通过控制快光的群速度，便可实现光脉冲(Lezama A,Akulshin A M,Sidorov A I,et al.Storage and retrieval of lightpulses in atomic media with“slow”and“fast”light[J].Physical Review A,2006,73(3):033806.)，传播纠缠态的量子相互信息(Clark J B,Glasser R T,Glorieux Q,etal.Quantum mutual information of an entangled state propagating through afast-light medium[J].Nature Photonics,2014,8(7):515.)等。但是由于材料的有效介电常数εeff和有效磁导率μeff在通常情况下为特定值，因此构成的负折射率波导功能较为局限，在实际应用中不是很便利。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法，通过控制入射光的频率，实现反常色散现象和光的反向传播。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。
优选的，所述三角晶格光子晶体为空心空气介质柱，形成三角晶格核-壳光子晶体结构。
优选的，所述空心空气介质柱周期性地分布于硅介质中。
优选的，所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少。
另一方面，一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，包括：
S101，计算核-壳光子晶体的能带结构；
S102，调整核-壳结构光子晶体中的空气介质柱的占空比以实现在布里渊区中心的类狄拉克点；
S103，利用所述能带结构计算光子晶体的有效介电常数和有效磁导率；
S104，依据类狄拉克点的空气介质柱的占空比，在硅板上构造三角晶格光子晶体上包层和下包层，并在硅板中间留出预设厚度的芯层，所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。
优选的，空气介质柱的占空比的计算方式如下：
f＝(r1-r2)/a
其中，f表示占空比，r1表示空气介质柱外半径，r2表示空气介质壳柱内半径，a表示晶格常数。
优选的，所述有效介电常数和有效磁导率的计算方法，如下：
其中，εeff表示光子晶体的有效介电常数；μeff表示光子晶体的有效磁导率；ky表示波矢量的y分量；ω表示角频率；ε0表示真空介电常数；μ0表示真空磁导率；Ex表示本征电场沿x轴方向的平均值；Hz表示本征磁场沿z轴方向的平均值。
优选的，所述S104之后，还包括：
S105，将构造的光子晶体波导通过软件模拟，对其进行仿真分析，得到所设计的负折射率波导快光器件的仿真结果。
优选的，所述S105中仿真分析采用的方法为有限元数值方法。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的波导快光器件包括由设置在硅板上的多个三角晶格核-壳光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数εeff以及有效磁导率μeff与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，并实现反常色散现象和光的反向传播。
附图说明
图1是本发明的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件结构图；
图2是本发明的三角晶格核-壳光子晶体的能带结构图；
图3是本发明的类狄拉克点处的三个简并模式的光场分布图；
图4是本发明的三角晶格核-壳光子晶体的有效介电常数εeff以及有效磁导率μeff；
图5是本发明的负折射率波导快光器件的仿真结果图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参见图1所示，一方面，本发明一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，包括由设置在硅板10上的多个三角晶格光子晶体20组成的具有负折射率的上包层30和下包层40；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层50；所述上包层30和下包层40的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。
所述三角晶格光子晶体20为空心空气介质柱，形成三角晶格核-壳光子晶体结构。
所述空心空气介质柱周期性地分布于硅介质中。
所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少。
另一方面，本本发明还公开了上述负折射率波导快光器件的设计方法，包括以下步骤：
S101，利用基于有限元方法的Comsol Multiphysics构建三角晶格核-壳(core-shell)光子晶体(空气介质柱周期性地分布于硅中)模型，对其原胞(光子晶体最小周期性单元)边界设置为Floquet周期性边界条件，并施加TE模式的电磁场，求其Brillouin Zone(布里渊区)中高对称点(M-Γ-K-M)所围区域边界的能带结构，即最终计算出三角晶格核-壳(core-shell)光子晶体(空气介质柱周期性地分布于硅中)的能带结构；
S102，调整三角晶格核-壳光子晶体中的空气介质柱的占空比f(空气介质柱占空比f＝(r1-r2)/a，r1表示空气介质柱外半径，r2表示空气介质壳柱内半径，a表示晶格常数)，实现在布里渊区中心的类狄拉克点；计算结果参见图2所示，在晶格常数a＝1um，介质壳柱外半径r1＝0.42a，介质壳柱外半径r2＝0.1781a时，在布里渊区中心出现类狄拉克点，且其频率为171.85THz(～1.7457um)，参见图3中(a)-(c)为类狄拉克点处的三个简并模式的光场分布；
S103，利用计算能带所导出的数据计算有效介电常数εeff以及有效磁导率μeff，如下：
其中，εeff表示光子晶体的有效介电常数；μeff表示光子晶体的有效磁导率；ky表示波矢量的y分量；ω表示角频率；ε0表示真空介电常数；μ0表示真空磁导率；Ex表示本征电场沿x轴方向的平均值；Hz表示本征磁场沿z轴方向的平均值。
有效介电常数εeff以及有效磁导率μeff的计算结果如图4所示。
S104，依据类狄拉克点的空气介质柱的占空比f，在硅板上构造三角晶格光子晶体上包层和下包层，并在硅板中间留出预设厚度的芯层，所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少，所设计负折射率波导如图1所示；
S105，将构造的光子晶体负折射率波导通过软件模拟，采用有限元数值方法对其进行仿真分析，得到所设计的负折射率波导快光器件的仿真结果。参见图5所示，(a)为频率为154THz的入射光，由厚度d＝4.5μm的芯层入射，此时上下包层的折射率为负，光在芯层中具有负群速，并且反向传播；(b)为频率为176THz的入射光，由厚度d＝2.5μm的芯层入射，此时上下包层的折射率为正，光在芯层中正向传播。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，其特征在于：包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。
2.根据权利要求1所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，其特征在于，所述三角晶格光子晶体为空心空气介质柱，形成三角晶格核-壳光子晶体结构。
3.根据权利要求2所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，其特征在于，所述空心空气介质柱周期性地分布于硅介质中。
4.根据权利要求3所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，其特征在于，所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少。
5.一种如权利要求1至4中任意一项所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，其特征在于，包括：
S101，计算核-壳光子晶体的能带结构；
S102，调整核-壳结构光子晶体中的空气介质柱的占空比以实现在布里渊区中心的类狄拉克点；
S103，利用所述能带结构计算光子晶体的有效介电常数和有效磁导率；
S104，依据类狄拉克点的空气介质柱的占空比，在硅板上构造三角晶格光子晶体上包层和下包层，并在硅板中间留出预设厚度的芯层，所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数以及有效磁导率与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，实现光的反向传播。
6.根据权利要求5所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，其特征在于，空气介质柱的占空比的计算方式如下：
f＝(r1-r2)/a
其中，f表示占空比，r1表示空气介质柱外半径，r2表示空气介质壳柱内半径，a表示晶格常数。
7.根据权利要求5所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，其特征在于，所述有效介电常数和有效磁导率的计算方法，如下：
其中，εeff表示光子晶体的有效介电常数；μeff表示光子晶体的有效磁导率；ky表示波矢量的y分量；ω表示角频率；ε0表示真空介电常数；μ0表示真空磁导率；Ex表示本征电场沿x轴方向的平均值；Hz表示本征磁场沿z轴方向的平均值。
8.根据权利要求5所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，所述S104之后，还包括：
S105，将构造的光子晶体波导通过软件模拟，对其进行仿真分析，得到所设计的负折射率波导快光器件的仿真结果。
9.根据权利要求8所述的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，所述S105中仿真分析采用的方法为有限元数值方法。
CN201911202534.1A 2019-11-29 2019-11-29 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法 Active CN110749954B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911202534.1A CN110749954B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911202534.1A CN110749954B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110749954A CN110749954A (zh) 2020-02-04
CN110749954B true CN110749954B (zh) 2024-03-29

Family

ID=69285157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911202534.1A Active CN110749954B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110749954B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005122218A (ja) * 2000-12-27 2005-05-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> フォトニック結晶導波路
CN101995604A (zh) * 2010-09-16 2011-03-30 北京邮电大学 一种基于斜体蜂巢结构的二维光子晶体慢光波导实现方法
CN104570546A (zh) * 2015-02-02 2015-04-29 中国科学院大学 利用狄拉克点差频效应实现多方位电磁波低频转换的方法
CN105022116A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 南昌航空大学 光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构
CN211426847U (zh) * 2019-11-29 2020-09-04 华侨大学 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005122218A (ja) * 2000-12-27 2005-05-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> フォトニック結晶導波路
CN101995604A (zh) * 2010-09-16 2011-03-30 北京邮电大学 一种基于斜体蜂巢结构的二维光子晶体慢光波导实现方法
CN104570546A (zh) * 2015-02-02 2015-04-29 中国科学院大学 利用狄拉克点差频效应实现多方位电磁波低频转换的方法
CN105022116A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 南昌航空大学 光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构
CN211426847U (zh) * 2019-11-29 2020-09-04 华侨大学 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
丁俊伟 ; 梁斌明 ; 蒋强 ; 陆志仁 ; 庄松林 ; .近零折射率材料相位特性及应用.激光与光电子学进展.(03),全文. *
侯尚林 ; 荆志强 ; 刘延君 ; 雷景丽 ; 王道斌 ; 李晓晓 ; .光子晶体光纤中基于受激布里渊散射实现快光的数值模拟研究.发光学报.2016,(03),全文. *
王晓 ; 陈立潮 ; 刘艳红 ; 石云龙 ; 孙勇 ; .纵模对光子晶体中类狄拉克点传输特性的影响.物理学报.(17),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110749954A (zh) 2020-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1512994B1 (en) Photonic crystal waveguide
Liu et al. Design of a multi-bits input optical logic device with high intensity contrast based on plasmonic waveguides structure
CN103645536B (zh) 一种全固态大模场光子带隙光纤
CN106154403A (zh) 一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤
CN104503020A (zh) 一种纵向螺旋模式转移光纤
CN106537199A (zh) 交叉波导
Khorasaninejad et al. Bend waveguides on silicon nanowire optical waveguide (SNOW)
CN211426847U (zh) 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件
CN110749954B (zh) 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法
JP2002350657A (ja) フォトニック結晶導波路
CN103235360A (zh) 模式空间分离的新型光通讯波导
CN210038225U (zh) 一种支持te和tm模式传输的紧凑型波导
CN106772780A (zh) 一种具有慢光特性的光子晶体光纤
Zhou et al. Design and analysis of hollow core Bragg fibers array for space division multiplexing
Biswas et al. Dirac‐mode guidance in silica‐based hollow‐core photonic crystal fiber with high‐index dielectric rings
CN108459370A (zh) 一种以石英玻璃为基质光子带隙中具有狄拉克点的光子晶体光纤
JP4062308B2 (ja) フォトニック結晶導波路
Hasin et al. Modified Plus Shaped Photonic Crystal Fiber Structure with Low Loss, Negative Dispersion and High Birefringence over S+ C+ L Wavelength Bands
CN114545552A (zh) 基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件
Phukan et al. Designing an Air Core Photonic Bandgap Fiber to Study the Dispersion and Loss Characteristics for Optical Pulse Propagation
Mittal et al. Optimization of coupling and transmission through finite height SOI photonic crystal slab waveguides
Kumar Design and Analysis of Solid core and Liquid core Photonic crystal fiber for Slow light generation
KR20060113304A (ko) 대형 코어 폴리머 광도파로를 이용한 가변 광 감쇠기
JP4313344B2 (ja) フォトニック結晶導波路
CN116381846A (zh) 一种高聚光光子晶体光纤

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant