CN115356851A - 一种基于椭圆孔的高q值硅基光子晶体环形腔优化方法 - Google Patents
一种基于椭圆孔的高q值硅基光子晶体环形腔优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，包括以下步骤：S1、选定完好的二维三角晶格光子晶体，并获取晶格周期和空气孔半径；S2、在光子晶体内按正六边形的形状去除若干个初始空气孔以形成环形腔；S3、以环形腔中心处为基准建立直角坐标系，并获取环形腔内部和外部各初始空气孔的位移；S4、对位于环形腔内边沿拐角处的各初始空气孔进行椭圆化处理以形成椭圆孔；S5、对剩余的各初始空气孔的孔径和位移进行逐一扫描优化处理，以使每一初始空气孔优化后的孔径和位移对所述环形腔的Q值影响均是最高的。本发明方法步骤简单，能够得到较高Q值的环形腔。
Description
技术领域
本发明涉及上传下载滤波器和激光器等领域，尤其涉及一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法。
背景技术
20世纪中后期，电子信息技术迅速蓬发，人们的生活迎来了翻天覆地的变化。随着信息化的普及，人们对信息的传输、处理、分析的需求也日益增加，为了满足这一需求，电子器件不断朝向微型化、集成化、芯片化的趋势发展。随着电子芯片集成度越来越高，电子之间的相互作用力也变得越来越强，同时会散发出大量的热，这将显著影响半导体芯片的性能，这些都使传统电子学行业进入“瓶颈期”，半导体芯片再也无法很好的满足人们发展的需求，人们急需找寻一个可以替代的方案。
为进一步谋求半导体技术的发展，研究者经过实验发现光子传播速度快，在信息的传播中，比电子更具优势，且光子频率的相对带宽较大，这样光子能够承载的信息量更大。且光子的传播不会造成巨大的能量损耗也不会导致散热的问题，其抗干扰性强，在通信过程中更加安全稳定。光子晶体是一个很好的纳米光电器件制作平台，在光子晶体的制作过程中引入缺陷，这些缺陷在光子晶体的光子带隙中形成局域态，在较小的区域内形成较大的光场能量，即可形成光子晶体微腔。光子晶体微腔具有极小尺寸、低功耗、局域特性强等优势，在光学开关、光传感器、生物探测、高性能滤波器等领域中都有着广泛的应用。
在最近的十多年来，基于空气孔型三角晶格的平板光子晶体的多种形状的微腔被相继提出，其中光子晶体环形腔，它的大小可自由设计，环的半径越大，环形腔的Q值(品质因子)可以越高，然而其有效模式体积也会越大。环形腔有诸多优点，包括：品质因子高、有效模式体积小、设计灵活等等。由于环形腔可以支持多个光学模式，在模式设计、多模应用方面有更大的灵活性。Q值是衡量谐振腔性能好坏的重要指标之一，提高Q值可以增强光与物质的相互作用，从而增强光学非线性，拥有高Q值的微腔在各类应用中优势显著，例如，在光开关中，可以极大地降低开关的功耗，故此为了进一步的提高应用了环形腔特性的设备的使用性能，急需一种优化方法以进一步提高环形腔的Q值。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法。
本发明的实施例提供的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，包括以下步骤：
S1、选定完好的二维三角晶格光子晶体，并获取晶格周期和光子晶体内初始的空气孔半径；
S2、在所述光子晶体内按正六边形的形状去除若干个初始空气孔以形成环形腔；
S3、以所述环形腔中心处为基准建立直角坐标系，并获取所述环形腔内部和外部各初始空气孔的位移；
S4、对位于所述环形腔内边沿拐角处的各初始空气孔进行椭圆化处理以形成椭圆孔，其中是根据仿真软件得到的最高Q值来确定对应各初始空气孔的椭圆化程度的；
S5、对剩余的各初始空气孔的孔径和位移进行逐一扫描优化处理，以使每一初始空气孔优化后的孔径和位移对所述环形腔的Q值影响均是最高的。
进一步地，在步骤S1中，所述二维三角晶格光子晶体是基于SOI的平板光子晶体，其晶格周期为420nm，每一初始空气孔的半径为0.3倍的晶格周期。
进一步地，在步骤S2中，所述环形腔是在所述光子晶体内按正六边形的形状去除30个初始空气孔形成的。
进一步地，在步骤S2中，所述环形腔内部的所有初始空气孔沿所述环形腔的中心处形成五个空气孔圈，所述五个空气孔圈自内向外分别为第一圈、第二圈、第三圈、第四圈、以及第五圈，其中所述第一圈是由一个初始空气孔组成且该初始空气孔的孔心与所述环形腔的中心处重合，所述环形腔外部的所有初始空气孔沿所述环形腔的中心处形成两个空气孔圈，所述两个空气孔圈自内向外分别为第六圈和第七圈。
进一步地，在步骤S4中，所述对位于所述环形腔内边沿拐角处的各初始空气孔进行椭圆化处理以形成椭圆孔具体包括以下步骤：
对所述第五圈中位于所述环形腔内边沿拐角处的六个初始空气孔分别进行椭圆化处理以形成椭圆孔。
进一步地，每一所述椭圆孔的半短轴为141.3nm，半长轴为143.3nm。
进一步地，优化后的所述第一圈中的各空气孔半径均为134nm、所述第二圈中的各空气孔半径均为151nnm、所述第三圈中的各空气孔半径均为116.1nm、所述第四圈中的各空气孔半径均为120.1nm、所述第五圈中除了六个椭圆化后的各空气孔半径均为126nm。
进一步地，优化后的所述第六圈中位于所述环形腔外边沿沿拐角处的各空气孔的半径均为102.1nm、其余的半径均为122nm。
进一步地，优化后的所述第七圈中的各空气孔半径均为113.5nm。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，首先以一种较小环半径的环形腔为初始结构，然后对环形腔内边沿拐角处的六个空气孔进行椭圆化以形成椭圆孔，并利用仿真软件计算椭圆化后环形腔的Q值，在椭圆化对环形腔的Q值影响最大时确定六个椭圆孔的尺寸，随后对环形腔内部和外部剩余的各个空气空的半径和位移进行逐一扫描优化处理，并计算对应的Q值，以使每一优化后的空气孔对环形腔的Q值影响最大，进而得到高Q值的环形腔；同时本优化方法步骤简单，可以对不同晶格周期的环形腔进行优化，以得到对应的高Q值环形腔。
附图说明
图1是本发明一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法的流程图；
图2是本发明一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法中优化前的环形腔的结构；
图3是本发明一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法中优化后的环形腔的结构；
图4是本发明中一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法在进行椭圆化时椭圆化程度与Q值的对应关系示意图；
图中：1-二维三角晶格光子晶体、2-空气孔、3-环形腔、4-第一圈、5-第二圈、6-第三圈、7-第四圈、8-第五圈、9-第六圈、10-第七圈、11-椭圆孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，该优化方法包括：
S1、选定完好的二维三角晶格光子晶体，并获取晶格周期和光子晶体内初始的空气孔半径。
具体地，在本实施例中所述二维三角晶格光子晶体1是基于SOI的平板光子晶体，其晶格周期为420nm，所述二维三角晶格光子晶体1内的初始空气孔2的半径为0.3倍的晶格周期，即半径为126nm。
S2、在所述光子晶体内按正六边形的形状去除若干个初始空气孔以形成环形腔。
请参考图2，具体地，在本实施例中，在所述二维三角晶格光子晶体1内按照正六边形的形状去除30个初始的空气孔2以形成所述环形腔3，此时还未对所述环形腔3进行优化，由于这个状态时的所述环形腔3的形成是比较常见的现有技术，故此在这里不做详细累述；同时，待所述环形腔3形成后，由于所述二维三角晶格光子晶体1内的各个初始空气孔2是规律排布的，故此，所述环形腔3内部各个初始的空气孔2的数量为61个，并且有一个初始空气孔2的孔心与所述环形腔3的中心处重合；所述环形腔3内部各个初始的空气孔2沿所述环形腔3的中心处形成五个空气孔圈，所述五个空气孔圈自内向外分别为第一圈4、第二圈5、第三圈6、第四圈7、以及第五圈8，其中所述第一圈4由一个初始空气孔2组成且该初始空气孔2就是与所述环形腔3中心处重合的孔；所述环形腔3外部的所有初始空气孔2沿所述环形腔3的中心处形成两个空气孔圈，所述两个空气孔圈自内向外分别为第六圈9和第七圈10。
在这里需要说明的是，由于在本实施例中所选取的二维三角晶格光子晶体1是部分结构，且外形是呈正六边形的，故此，在所述环形腔3外部只形成两个空气孔圈，即所述第六圈9和所述第七圈10，但是在其他实施例中，所选取的二维三角晶格光子晶体1的外形不受本实施例的限制，故此在所述环形腔3外部所形成的空气孔圈的数量也不受本实施例的限制。
还需要说明的是，由于所述二维三角晶格光子晶体1中的各个初始空气孔2是规律排布的，故此在本实施例中所述第二圈5中的各个初始空气孔2的孔心相互连接可形成正六边形，同样的所述第三圈6、所述第四圈7、所述第五圈8、所述第六圈9、以及所述第七圈10均是如此。
S3、以所述环形腔中心处为基准建立直角坐标系，并获取所述环形腔内部和外部各初始空气孔的位移。
具体地，以所述环形腔3的中心处为基准建立直角坐标系，并在所述直角坐标系的基础上获取所述环形腔3内部和外部各初始空气孔2的位移，进而就可以确定好每一初始空气孔2的半径和位移参数。
S4、对位于所述环形腔内边沿拐角处的各初始空气孔进行椭圆化处理以形成椭圆孔，其中是根据仿真软件得到的最高Q值来确定对应各初始空气孔的椭圆化程度的。
具体地，在本实施例中，所述第五圈8是靠近所述环形腔3内边沿的，由于所述第五圈8中的各个初始空气孔2的孔心相互连接是一个正六边形，故此所述第五圈8中六个顶点处的初始空气孔2正好位于所述环形腔3内边沿拐角处；进一步地，对所述环形腔3内边沿各拐角处的初始空气孔2进行椭圆化处处理，并在椭圆化时通过仿真软件实时计算对应的Q值，待Q值最大时来确定此时的椭圆化程度，在本实施例中，当所述环形腔3内边沿各拐角处的初始空气孔2椭圆化所形成的椭圆孔11的半短轴为141.3nm、半长轴为143.3nm时，对所述环形腔3的Q值影响最大。
在这里需要说明的是，在对所述环形腔3内边沿拐角处的六个初始空气孔进行椭圆化时，随着椭圆化程度的不同，对应的Q值也不相同，总体上呈先升后降的趋势，如图4所示，故此在峰值时确定对应的椭圆化程度。
还需要说明的是，在步骤S4中的椭圆化是沿着所述环形腔3对角线方向进行的。
S5、对剩余的各初始空气孔的孔径和位移进行逐一扫描优化处理，以使每一初始空气孔优化后的孔径和位移对所述环形腔的Q值影响均是最高的。
具体地，待所述环形腔3内边沿拐角处的六个初始空气孔椭圆化程度确定后，保持这六个椭圆化孔参数不变，随后对剩余的初始空气孔2的位移和半径进行逐一扫描优化，并逐步计算对应的Q值，以使每一优化后的空气孔2的半径和位移对所述环形腔的Q值影响均是最高的。
进一步地，在本实施例中，首先是对所述第一圈4中的初始空气孔的半径和位移进行优化，由于所述第一圈4中只有一个初始空气孔2，故此先对该初始空气孔2的半径进行优化，以使其半径对所述环形腔3的Q值的影响是最大的，待该初始空气孔2半径确认后再优化其位移，同样的使其位于对所述环形腔的Q值的影响是最大的；待所述第一圈4扫描优化结束后；进行同样的方式对所述第二圈5中各个初始空气孔2进行扫描优化，逐次类推至所述第七圈10中各个初始空气孔2扫描优化结束，此时通过所述仿真软件计算得到的所述环形腔的Q值高达76万，相较于现有技术中的环形腔的Q值有这明显的提升。
在这里需要说明的是，在对所述第五圈8中的各个初始空气孔2进行扫描优化时，只需要对非椭圆化的初始空气孔2进行扫描优化即可。
进一步地，请参考图3，在本实施例中，扫描优化结束后，所述第一圈4中的初始空气孔2的半径为134nm、位移不变，所述第二圈5中的各空气孔2半径均为151nnm、位移不变，所述第三圈6中的各空气孔2半径均为116.1nm、位移不变，所述第四圈7中的各空气孔2半径均为120.1nm、位移不变，所述第五圈8中除了六个椭圆化后的各空气孔2半径均为126nm、位移不变，所述第六圈9中位于所述环形腔3外边沿沿拐角处的各空气孔2的半径均为102.1nm、其余的半径均为122nm，位移均不变，所述第七圈10中的各空气孔2半径均为113.5nm、位移不变。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选定完好的二维三角晶格光子晶体，并获取晶格周期和光子晶体内初始的空气孔半径；
S2、在所述光子晶体内按正六边形的形状去除若干个初始空气孔以形成环形腔；
S3、以所述环形腔中心处为基准建立直角坐标系，并获取所述环形腔内部和外部各初始空气孔的位移；
S4、对位于所述环形腔内边沿拐角处的各初始空气孔进行椭圆化处理以形成椭圆孔，其中是根据仿真软件得到的最高Q值来确定对应各初始空气孔的椭圆化程度的；
S5、对剩余的各初始空气孔的孔径和位移进行逐一扫描优化处理，以使每一初始空气孔优化后的孔径和位移对所述环形腔的Q值影响均是最高的。
2.如权利要求1所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：在步骤S1中，所述二维三角晶格光子晶体是基于SOI的平板光子晶体，其晶格周期为420nm，每一初始空气孔的半径为0.3倍的晶格周期。
3.如权利要求1所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：在步骤S2中，所述环形腔是在所述光子晶体内按正六边形的形状去除30个初始空气孔形成的。
4.如权利要求3所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：在步骤S2中，所述环形腔内部的所有初始空气孔沿所述环形腔的中心处形成五个空气孔圈，所述五个空气孔圈自内向外分别为第一圈、第二圈、第三圈、第四圈、以及第五圈，其中所述第一圈是由一个初始空气孔组成且该初始空气孔的孔心与所述环形腔的中心处重合，所述环形腔外部的所有初始空气孔沿所述环形腔的中心处形成两个空气孔圈，所述两个空气孔圈自内向外分别为第六圈和第七圈。
5.如权利要求4所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于，在步骤S4中，所述对位于所述环形腔内边沿拐角处的各初始空气孔进行椭圆化处理以形成椭圆孔具体包括以下步骤：
对所述第五圈中位于所述环形腔内边沿拐角处的六个初始空气孔分别进行椭圆化处理以形成椭圆孔。
6.如权利要求5所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：每一所述椭圆孔的半短轴为141.3nm，半长轴为143.3nm。
7.如权利要求3所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：优化后的所述第一圈中的各空气孔半径均为134nm、所述第二圈中的各空气孔半径均为151nnm、所述第二圈中的各空气孔半径均为116.1nm、所述第三圈中的各空气孔半径均为120.1nm、所述第五圈中除了六个椭圆化后的各空气孔半径均为126nm。
8.如权利要求3所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：优化后的所述第六圈中位于所述环形腔外边沿沿拐角处的各空气孔的半径均为102.1nm、其余的半径均为122nm。
9.如权利要求3所述的一种基于椭圆孔的高Q值硅基光子晶体环形腔优化方法，其特征在于：优化后的所述第七圈中的各空气孔半径均为113.5nm。
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