一種十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，它包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶體的元胞由高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿、十字平板介質(zhì)桿和背景介質(zhì)組成；所述高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿與十字平板介質(zhì)桿相連接；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a；所述旋轉(zhuǎn)正方柱邊長(zhǎng)d為0.51a～0.64a，所述旋轉(zhuǎn)正方柱桿的旋轉(zhuǎn)角度為2.30°～87.7°，所述十字平板介質(zhì)桿的寬度t為0.032a～0.072a；所述十字平板介質(zhì)桿相對(duì)于旋轉(zhuǎn)正方桿在一個(gè)晶格周期內(nèi)自下而上、自左而右的移動(dòng)距離G為0.4a～0.6a。本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)易于提供光路的集成度，具有非常大的絕對(duì)禁帶。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及寬絕對(duì)禁帶二維光子晶體。

【背景技術(shù)】
[0002]1987年，美國(guó)8^11實(shí)驗(yàn)室的￡.在討論如何抑制自發(fā)輻射和大學(xué)的3.了￠)1111在討論光子區(qū)域各自獨(dú)立地提出了光子晶體(91101:0111(3
的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。
[0003]現(xiàn)代光學(xué)的主要挑戰(zhàn)之一是對(duì)光的控制，隨著光通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)于光信號(hào)的控制和操作越發(fā)重要。由于光子晶體可以使某一特定方向，某一特定頻率的光完全禁止或通過(guò)這一性質(zhì)，光子晶體備受關(guān)注。
[0004]因?yàn)榻^對(duì)禁帶中的電磁場(chǎng)模式是完全不能存在的，所以當(dāng)電子能帶與光子晶體絕對(duì)禁帶重疊時(shí)，自發(fā)輻射被抑制。擁有絕對(duì)禁帶的光子晶體可以通過(guò)控制自發(fā)輻射，從而改變場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用以及提高光學(xué)器件的性能。這些光子晶體可以應(yīng)用在半導(dǎo)體激光器、太陽(yáng)能電池、高品質(zhì)諧振腔以及濾波器。絕對(duì)禁帶范圍內(nèi)消失的電磁場(chǎng)模式也可以改變?cè)S多原子、分子和激子系統(tǒng)。
[0005]光子晶體元胞中介電材料的分布對(duì)于帶隙有著強(qiáng)烈的影響，并且?guī)兜脑O(shè)計(jì)對(duì)于光子晶體的應(yīng)用有著很大的影響，特別是大的絕對(duì)禁帶對(duì)于寬帶信號(hào)的控制是非常有效的。
[0006]對(duì)于絕對(duì)禁帶中的頻率，無(wú)論偏振態(tài)和波矢如何，都沒(méi)有光波通過(guò)。擁有大光子禁帶可以用來(lái)制作:光波導(dǎo)、液晶光子晶體光纖、負(fù)折射率成像、缺陷模式的光子晶體激光器以及缺陷腔。大的光子晶體絕對(duì)禁帶可以在缺陷模式光子晶體激光器抑制有害自發(fā)輻射，尤其是在自發(fā)輻射光譜范圍很寬的情況下。如果我們想得到擁有窄諧振峰的光子晶體諧振腔時(shí)，較大的光子晶體絕對(duì)禁帶是必須的。在各種光學(xué)器件中，偏振無(wú)關(guān)的光子晶體絕對(duì)禁帶是非常重要的。正是因?yàn)楣庾泳w的許多器件都要利用光子禁帶，所以設(shè)計(jì)擁有大絕對(duì)禁帶的光子晶體是很有意義的，而找到大禁帶的這一項(xiàng)重要工作有效的辦法是發(fā)現(xiàn)適合的結(jié)構(gòu)并制作它。所以世界各國(guó)的科學(xué)家都力求設(shè)計(jì)各種光子晶體結(jié)構(gòu)，獲得大的光子晶體絕對(duì)禁帶。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種易于光路集成，且具有大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值的二維正方晶格光子晶體。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶體的元胞由高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿、十字平板介質(zhì)桿和背景介質(zhì)組成；所述高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿與十字平板介質(zhì)桿相連接；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為3 ；所述旋轉(zhuǎn)正方柱邊長(zhǎng)(1為0.51^1?0.6?，所述旋轉(zhuǎn)正方柱桿的旋轉(zhuǎn)角度0為2.30。?87.7。，所述十字平板介質(zhì)桿的寬度I為0.032--0.072? ；所述十字平板介質(zhì)桿相對(duì)于旋轉(zhuǎn)正方桿在一個(gè)晶格周期內(nèi)自下而上、自左而右的移動(dòng)距離為0.如?0.63。
[0010]所述高折射率介質(zhì)為硅、砷化鎵、二氧化鈦，或者折射率大于2的高折射率介質(zhì)。
[0011]所述高折射率介質(zhì)材料為硅，其折射率為3.4。
[0012]所述背景介質(zhì)為低折射率介質(zhì)。
[0013]所述低折射率背景介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介質(zhì)。
[0014]所述低折射率背景介質(zhì)材料為空氣。
[0015]所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿水平部分的最左端距離最右端為3 ；所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿豎直部分的最上端距離最下端為^
[0016]高折射率材料為硅，低折射率材料為空氣，2.30。+90° XI！彡0^87.7。+90° XI！，所述=為0，或者其它自然整數(shù)，0.(1^ 0.648,0.032^彡七彡0.072^,0.4? ^ 6 ^ 0.63，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁帶相對(duì)值大于10%。
[0017]高折射率材料為硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.578 = 0.0483 ；6 = 0.53 ； 0= 21.94° +90° XI！，所述I！為0，或者其它自然整數(shù)，絕對(duì)禁帶相對(duì)值為14.30%。
[0018]本發(fā)明的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成光路設(shè)計(jì)中。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下積極效果。
[0019](1)利用平面波展開(kāi)法進(jìn)行大量的精細(xì)研究得到，最大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值和其對(duì)應(yīng)的參數(shù)；通常將絕對(duì)禁帶寬度與禁帶中心頻率的比值作為禁帶寬度的考察指標(biāo)，稱(chēng)之為絕對(duì)禁帶相對(duì)值。
[0020](2)本光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常大的絕對(duì)禁帶，可以為光子晶體器件的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)更大的方便和靈活性。
[0021](3)光子晶體集成光路中，光路中不同光學(xué)元件之間以及不同光路之間易于連接和耦合，采用正方晶格結(jié)構(gòu)可以使光路簡(jiǎn)潔，且易于提供光路的集成度。
[0022](4)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，易于制作，降低了制作成本。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體的元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為實(shí)施例1采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖3為實(shí)施例2采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖4為實(shí)施例3采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖5為實(shí)施例4采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖6為實(shí)施例5采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖7為實(shí)施例6采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖8為實(shí)施例7采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖9為實(shí)施例8采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0032]圖10為實(shí)施例10采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0033]圖11為實(shí)施例11采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖12為實(shí)施例12采用元胞參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的光子帶結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0036]本發(fā)明的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱，如圖1所示的為光子晶體的一個(gè)元胞，所述光子晶體結(jié)構(gòu)由所述元胞按正方晶格排列而成。所述正方晶格光子晶體的元胞由高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿、十字平板介質(zhì)桿和背景介質(zhì)組成；所述高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿與十字平板介質(zhì)桿相連接。所述元胞結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)為四個(gè):旋轉(zhuǎn)正方柱的邊長(zhǎng)(1為0.51^1^0.6?，旋轉(zhuǎn)正方柱的旋轉(zhuǎn)角度0
為 2.30。+90° XII 彡 0^87.7。+90° XII，其中 11 = 0，1，2，......(11 已吣為自然數(shù)，
十字平板介質(zhì)桿的寬度I為0.0328?0.0723，其中3為晶格常數(shù)，十字平板介質(zhì)桿相對(duì)于旋轉(zhuǎn)正方柱在一個(gè)晶格周期內(nèi)自下而上、自左而右的移動(dòng)距離為0.43?0.68 ；所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿水平部分的最左端距離最右端為3 ；所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿豎直部分的最上端距離最下端為3。
[0037]實(shí)施例1
[0038]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.573 0 = 0.0483 ；6 = 0.5^-,0 =2.30°。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10%。
[0039]實(shí)施例2
[0040]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.573 0 = 0.0483 ；6 = 0.5^-,0 =87.7°。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10%。
[0041]實(shí)施例3
[0042]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.518 ^ = 0.0483七=0.53 ； ￠1= 21.94°。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10.46%。
[0043]實(shí)施例4
[0044]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.6? ^ = 0.0483七=0.53 ； ￠1=21.94。。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為11.53%。
[0045]實(shí)施例5
[0046]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.578 ^ = 0.0323七=0.53 ； ￠1= 21.94°。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10.10%。
[0047]實(shí)施例6
[0048]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，(1 = 0.578 ^ = 0.0723七=0.53 ； ￠1= 21.94°。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10.08%。
[0049]實(shí)施例7
[0050]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，0 = 21.94° ^ = 0.57^4 =0.0483 ；6 = 0.43 ；本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為12.62%。
[0051]實(shí)施例8
[0052]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，0 = 21.94° ^ = 0.57^4 =0.0483 ；6 = 0.621；本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示可知，具有絕對(duì)禁帶相對(duì)值為12.54%。
[0053]實(shí)施例9
[0054]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，3 = 1.55^0.431 0 111?0.668 0 111,則相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:(1 = 0.2457 9 111 ；七=0.0207 11111 ；6 = 0.2155 11111 ； 0 = 21.94。，該結(jié)構(gòu)在1.55 9 0通信波段具有14.03%的絕對(duì)禁帶相對(duì)值。
[0055]實(shí)施例10
[0056]高折射率材料采用娃,低折射率材料為空氣，11 = 0, (1 = 0.57? ；1: = 0.048? ；6 =0.53 ； 0 =21.94° ；本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為14.30%。
[0057]實(shí)施例11
[0058]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，0 = 21.94。= 0.048^ ；6 =0.53^ = 0.51^本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖11所示可知，具有絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10.46%。
[0059]實(shí)施例12
[0060]高折射率材料采用硅，低折射率材料為空氣，0 = 21.94° ^ = 0.57^ ；6 =0.53 4 = 0.0683。本實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果如圖12所示可知，具有大絕對(duì)禁帶相對(duì)值為10.50%。
[0061]以上之詳細(xì)描述僅為清楚理解本發(fā)明，而不應(yīng)將其看做是對(duì)本發(fā)明不必要的限制，因此對(duì)本發(fā)明的任何改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)熟練的人是顯而易見(jiàn)的。
【權(quán)利要求】
1.一種十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:它包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶體的元胞由高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿、十字平板介質(zhì)桿和背景介質(zhì)組成；所述高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿與十字平板介質(zhì)桿相連接；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a ；所述旋轉(zhuǎn)正方柱邊長(zhǎng)d為0.51a?0.64a，所述旋轉(zhuǎn)正方柱桿的旋轉(zhuǎn)角度α為2.30°?.87.V，所述十字平板介質(zhì)桿的寬度t為0.032a?0.072a ;所述十字平板介質(zhì)桿相對(duì)于旋轉(zhuǎn)正方桿在一個(gè)晶格周期內(nèi)自下而上、自左而右的移動(dòng)距離G為0.4a?0.6a。
2.按照權(quán)利要求1所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述高折射率介質(zhì)為硅、砷化鎵、二氧化鈦，或者折射率大于2的高折射率介質(zhì)。
3.按照權(quán)利要求2所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述高折射率介質(zhì)材料為硅，其折射率為3.4。
4.按照權(quán)利要求1所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述背景介質(zhì)為低折射率介質(zhì)。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體其特征在于:所述低折射率背景介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介質(zhì)。
6.按照權(quán)利要求5所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述低折射率背景介質(zhì)材料為空氣。
7.按照權(quán)利要求1所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿水平部分的最左端距離最右端為a ;所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿豎直部分的最上端距離最下端為a。
8.按照權(quán)利要求1所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:高折射率材料為硅，低折射率材料為空氣，2.30° +90° XnSa <87.7° +90° Xn,所述 η 為 0，或者其它自然整數(shù)，0.51a < d < 0.64a, 0.032a ^ t ^ 0.072a,.0.4a ^ G ^ 0.6a，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁帶相對(duì)值大于10%。
9.按照權(quán)利要求1所述的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，其特征在于:高折射率材料為硅，低折射率材料為空氣，d = 0.57a ；t = 0.048a ；G = 0.5a ； α =.21.94° +90° Xn，所述n為0，或者其它自然整數(shù)，絕對(duì)禁帶相對(duì)值為14.30%。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK104297842SQ201410515302
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】歐陽(yáng)征標(biāo), 文國(guó)華 申請(qǐng)人:歐陽(yáng)征標(biāo), 深圳大學(xué)