CN114545552A - 基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，包括芯层以及设于芯层上下两侧结构对称的包层，芯层包括多个规律性排列的第一光子晶体，包层包括多个规律性排列的第二光子晶体，第一光子晶体包括硅基板和环形空气柱，第二光子晶体包括硅基板和圆形空气柱，在入射波频率在1.9322E14Hz‑1.9328E14Hz范围内，第一光子晶体和第二光子晶体均为左手材料并且均具有负折射率。本发明利用了基于左手材料的三层平板波导存在反常色散的特性，表现为波导传播常数β与频率f呈现出负相关关系，并在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的频率范围内实现产生快光的功能。由于其波导宽度在纳米级别，解决集成光学中波导微型化、高传输带宽、低传输损耗的问题，为未来集成光学提供一种极佳解决方案。

Description

基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，特别是一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件。

背景技术

当今社会正在向信息化快速发展，信息通信技术及应用相当广泛，各类电子产品出现在我们生活的方方面面，飞速增长的信息充斥在我们的生活之中，这让我们对信息的处理速度以及存储容量提出了新要求。与此同时更高效高速与微型化的集成方法不断更迭，芯片尺寸不断减小。上世纪半导体物理学科建立以来，电子成为集成芯片中主要的信息载体，但由于电子间库伦效应的存在，集成电路性能的提高必定将与其集成度的减小相矛盾。此时，光子的性能优势突显，能在大大提高信息传输速度的同时减小损耗，不断提高集成度。光子晶体的提出使得光子的优势更加明显。近年来，随着的新型微纳光子器件的飞速发展，人们对器件的性能和尺寸要求也越来越高；控制光子、设计和生产光器件成为可能，为未来的全光通信、光子计算机等提供解决方案。

光子晶体是一种全新的人工微结构材料，具有天然材料所不具备的物理性质，其中独特的带隙与快光效应为设计具有更高集成度以及更好性能的光通信器件提供可能。可以实现负折射率的物理性质，可用于制备左手材料，且可以该性质通过频率来调节，被广泛用于光学波导、天线系统和电磁隐身器件等方面。光子晶体从根本上解决了微纳尺寸光器件控光的难题，提供了实现超密集型集成器件的新途径，使得基于光子晶体的光子晶体波导、滤波器、调制器、分束器等具有广泛的应用前景。

波导作为集成光学中的最基础的通道，其集成化一直是限制集成光学发展的核心问题，如何设计微纳级别的集成波导，同时保证一定的传输带宽与较低的传输损耗一直是集成光学发展的瓶颈。三层平板波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为芯层，芯两侧的介质层称为包层。芯层的介电常数要比两侧包层的介电常数大，使得光束能够集中在芯层中传输，从而起到导波的作用由芯层夹在两包层之间的波导结构，具有独特的光学传输特性。传统的快光波导传输损耗高、传输带宽低、无法集成，快光获取的过程也较为复杂，往往需要较为复杂制作工序。即使在集成光学中波导也存在微型化、高传输带宽、低传输损耗的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，包括芯层以及设于所述芯层上下两侧结构对称的包层，所述芯层包括多个规律性排列的第一光子晶体，所述包层包括多个规律性排列的第二光子晶体，所述第一光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的环形空气柱，所述第二光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的圆形空气柱，在入射波频率在1.9322E14Hz-1.9328E14Hz范围内，所述第一光子晶体和第二光子晶体均为左手材料并且均具有负折射率。

作为优选，所述快光波导器件为三层平板结构，所述芯层与所述包层均为晶体结构为六方晶系并严格按照晶格的结构紧密相接以形成异质结构。

作为优选，所述第一光子晶体以第一周期性排列构成第一厚度的所述芯层，所述第二光子晶体以第二周期性排列构成第二厚度的所述包层，所述第一周期性和所述第二周期性的数量根据散射边界条件设定。

作为优选，所述第一周期性排列的数量为4，所述第二周期性排列的数量为3。

作为优选，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均为二维核-壳结构。

作为优选，所述第一光子晶体的晶格常数a＝1.096um，所述环形空气柱的内圆半径r₁＝0.14959um，外圆半径r₂＝0.48485um。

作为优选，所述第二光子晶体的晶格常数a＝1.096um，所述圆形空气柱的半径r＝0.4429um。

作为优选，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的能带均在Γ点出现偶然的三重简并点。

作为优选，当所述快光波导器件的入射波频率在1.9322E14Hz-1.9328E14Hz范围内皆产生快光。

作为优选，当入射波为调制高斯脉冲，且载波频率信息为1.93224E14Hz和1.93230E14Hz时，在所述快光波导器件中发生反向传播。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件利用了基于左手材料的三层平板波导存在反常色散的特性，该反常色散特性表现为波导传播常数β与频率f呈现出负相关关系，实现了产生快光的功能在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的频率范围内皆可产生快光。

(2)本发明的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件可由硅基的光子晶体材料构造而成，具有异质结构，且具有简单、易加工、微型化等优点，具有较为新颖的快光波导结构特性。

(3)与其传统波导结构相比，本发明的快光波导器件具有结构最为简单，传输损耗低和集成度高。通过设计核-壳型光子晶体材料构造异质结构的三层平板波导，可在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的频率范围内实现了产生快光，由于其波导宽度在纳米级别，解决集成光学中波导微型化、高传输带宽、低传输损耗的问题，为未来集成光学提供一种极佳解决方案。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的结构示意图；

图2是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的第一光子晶体原胞和第二光子晶体原胞结构、能带和电场分布示意图；

图3是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的第一光子晶体和第二光子晶体有效参数示意图；图(a)中的带有实心圆形和实心方框标记的线条分别表示第一光子晶体和第二光子晶体的有效磁导率与频率的关系，图(a)中的带有空心圆形和空心方框标记的线条分别表示第一光子晶体和第二光子晶体的有效介电常数与频率的关系；图(b)中的虚线和实线分别表示第一光子晶体和第二光子晶体的有效折射率与频率的线性关系；图(b)中的阴影部分为快光波导的工作频率范围；

图4是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件在入射波频率为1.9324E14Hz时的电场分布示意图；

图5是本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的传播常数和归一化频率示意图；其中，图(a)所示为快光波导的传播常数β与频率f呈现负相关关系，即反常色散关系；图(b)所示为在快光波导器件的工作频率范围内计算得到的负群速度；

图6是调制高斯脉冲在快光波导器件中反向传播示意图；其中，图(a)为所构造的调制高斯脉冲波包包络，其载波可携带特定的频率信息。将脉冲从入射端口入射，经过一段时间的波导传播，在出射端口收集脉冲信息。图(b)是出射端口归一化电场强度与时间的关系，也就表现为出射端口收集脉冲波形和时间的关系。其中，带有空心圆形标记的曲线的载波频率为1.93224E14Hz；带有实心圆形标记的曲线的载波频率为1.93230E14Hz。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参考图1，本发明的实施例中提出了一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，包括芯层1以及设于芯层1上下两侧结构对称的包层2，芯层1包括多个规律性排列的第一光子晶体11，包层2包括多个规律性排列的第二光子晶体21，第一光子晶体11包括硅基板以及设置在硅基板上的环形空气柱，第二光子晶体21包括硅基板以及设置在硅基板上的圆形空气柱。在入射波频率在1.9322E14Hz-1.9328E14Hz范围内，第一光子晶体11和第二光子晶体21均为左手材料并且均具有负折射率和相同的晶格常数。本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件为三层平板结构，芯层1与包层2均为晶体结构为六方晶系并严格按照晶格的结构紧密相接以形成异质结构。第一光子晶体11以第一周期性排列构成第一厚度的芯层1，第二光子晶体21以第二周期性排列构成第二厚度的包层2，第一周期性和第二周期性的数量根据散射边界条件设定。

如图2所示的第一光子晶体11原胞和第二光子晶体21原胞结构及能带和电场分布示意图，本申请的实施例中的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件中的第一光子晶体11包括环状空气柱和硅基板，晶格常数皆为a＝1.096um，内圆半径为r₁＝0.14959um,外圆半径为r₂＝0.48485um。本申请的实施例中的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件中的第二光子晶体21包括圆形空气柱和硅基板，晶格常数皆为a＝1.096um，圆半径为r＝0.4429um。第一光子晶体和第二光子晶体均为二维核-壳结构。如图3所示为第一光子晶体11和第二光子晶体21的有效参数示意图，图(a)中的带有实心圆形和实心方框标记的线条分别表示第一光子晶体11和第二光子晶体21的有效磁导率与频率的关系，图(a)中的带有空心圆形和空心方框标记的线条分别表示第一光子晶体11和第二光子晶体21的有效介电常数与频率的关系；图(b)中的虚线和实线分别表示第一光子晶体11和第二光子晶体21的有效折射率与频率的线性关系，图(b)中的阴影部分为快光波导器件的工作频率范围，在此工作频率范围内，第一光子晶体11和第二光子晶体21的有效折射率为负，且介电常数和磁导率同时为负值，因此，第一光子晶体11和第二光子晶体21为左手材料。

如图4所示为基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件在入射波频率为1.9324E14Hz时的电场分布示意图，其包括周期性排列的第一光子晶体11构成的芯层1和周期性排列的第二光子晶体21构成的包层2。在本申请的实施例中，第一光子晶体11在芯层1的第一周期性排列的数量为M＝4，第二光子晶体21在包层2的第二周期性排列的数量为N＝3。在本申请的实施例中，波导为异质结构，波导横向长度为40*a微米，入射波频率为1.9324E14Hz。

本申请的实施例的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件是由4个周期性排列的第一光子晶体11组成的芯层1和3个周期性排列的第二光子晶体21组成的包层1构成。其中，光子晶体的有效介电常数和有效磁导率的计算方法，如下：

公式中，ε_eff表示光子晶体的有效介电常数；μ_eff表示光子晶体的有效磁导率；k_y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；E_x表示本征电场沿x轴方向的平均值；H_z表示本征磁场沿z轴方向的平均值。

通过TM模在快光波导器件中传播的色散方程为

其中，b为归一化传播常数，V为归一化频率，ε_core和ε_clad分别为芯层和包层的介电常数，ω为角频率，m为模式阶数，且m＝0。由上式得出传播常数β和角频率ω的关系，通过群速度公式

可以得出负群速度。

当入射波频率为1.9324E14Hz时，第一光子晶体11折射率绝对值大于第二光子晶体21，由此，三层平板波导的芯层折射率大于包层折射率，电磁波被很好的限制在波导内传输，从而实现了产生快光的功能。并通过调制高斯脉冲在该波导中的反向传播，验证了快光的真实存在。

以下结合仿真实验，对本发明技术效果做进一步说明。

1.仿真条件和内容：

设置仿真频率区间为1.9322E14Hz到1.9328E14Hz，使用商业仿真软件COMSOLMultiphysics 5.5对上述具体实施例进行：

仿真1，通过分别构造第一和第二光子晶体原胞，对本申请的实施例中第一和第二光子晶体单元的能带和电场进行仿真，如图2所示；

仿真2，设置入射波为平面电磁波，当入射波频率为1.9324E14Hz时，对本申请的实施例中基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件在入射波频率为1.9324E14Hz时的电场分布进行仿真，如图4所示；

仿真3，设置入射波为调制高斯脉冲，当载波频率信息为1.93224E14Hz和1.93230E14Hz时，分别进行时域传播的仿真，如图6所示。

2.仿真测量结果分析：

参考图2，显示了当第一光子晶体11原胞由环状空气柱和硅基板构成，晶格常数为a＝1.096um，内圆半径为r₁＝0.14959um,外圆半径为r₂＝0.48485um时，所呈现的能带在Γ点出现了偶然的三重简并点，即类狄拉克点p₁。同样，第二光子晶体21原胞由圆形空气柱和硅基板构成，晶格常数是皆为a＝1.096um，圆半径为r＝0.4429um时，所呈现的能带在Γ点出现了偶然的三重简并点，即类狄拉克点p₂。

参考图4，显示了工作频率为1.9324E14Hz下基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件的电场分布。仿真结果表明，在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的宽频率范围内，基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件可以将光较好的限制在芯层内传播，满足波导低损耗，微型化要求。

参考图6，显示了分别将携带不同频率信息的调制高斯脉冲从入射端口入射，经过一段时间的波导传播并收集出射后的脉冲信息。当入射脉冲的载波频率信息为1.93230E14Hz时，其脉冲波形出现在载波频率信息为1.93224E14Hz的入射脉冲之前(两个脉冲波峰位置的前后关系)，即证明了该基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件中出现反向传播的现象，符合快光的性质。仿真结果表明，基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件在1.9322E14Hz到1.9328E14Hz的频率范围内皆可产生快光。

以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，包括芯层以及设于所述芯层上下两侧结构对称的包层，所述芯层包括多个规律性排列的第一光子晶体，所述包层包括多个规律性排列的第二光子晶体，所述第一光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的环形空气柱，所述第二光子晶体包括硅基板以及设置在所述硅基板上的圆形空气柱，在入射波频率在1.9322E14Hz-1.9328E14Hz范围内，所述第一光子晶体和第二光子晶体均为左手材料并且均具有负折射率。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述快光波导器件为三层平板结构，所述芯层与所述包层均为晶体结构为六方晶系并严格按照晶格的结构紧密相接以形成异质结构。

3.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一光子晶体以第一周期性排列构成第一厚度的所述芯层，所述第二光子晶体以第二周期性排列构成第二厚度的所述包层，所述第一周期性和所述第二周期性的数量根据散射边界条件设定。

4.根据权利要求3所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一周期性排列的数量为4，所述第二周期性排列的数量为3。

5.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均为二维核-壳结构。

6.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一光子晶体的晶格常数a＝1.096um，所述环形空气柱的内圆半径r₁＝0.14959um，外圆半径r₂＝0.48485um。

7.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第二光子晶体的晶格常数a＝1.096um，所述圆形空气柱的半径r＝0.4429um。

8.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的能带均在Γ点出现偶然的三重简并点。

9.根据权利要求8所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，当所述快光波导器件的入射波频率在1.9322E14Hz-1.9328E14Hz范围内皆产生快光。

10.根据权利要求1所述的基于光子晶体材料异质结构的快光波导器件，其特征在于，当入射波为调制高斯脉冲，且载波频率信息为1.93224E14Hz和1.93230E14Hz时，在所述快光波导器件中发生反向传播。

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