[發明專利]一種高耦合效率的復合型二維光子晶體的設計方法

無效

• 申請號: 200710178641.6
• 申請日: 2007-12-03
• 公開（公告）號: CN101169499A
• 公開（公告）日: 2008-04-30
• 發明（設計）人: 羅先剛;祁云飛;杜春雷
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 賈玉忠;盧紀

技術領域

本發明涉及一種通過引入復合結構提高光子晶體耦合效率的方法，特別涉及一種高耦合效率的復合型二維光子晶體的設計方法。

背景技術

光子晶體是一種人工制造的周期材料，由于其具有的禁帶特性，可以在很多方面得到應用，最近的一個進展是利用光子晶體表面波實現定向輻射，通過在光子晶體表面構造周期性的褶皺結構，可以激發表面模，并使表面模耦合進輻射模，從而實現定向輻射，文獻提出可以通過提高波導模與表面模式之間的耦合效率來增強表面波的激發，從而提高定向輻射的性能；具體的做法為增加表層圓柱的折射率和正向移動光子晶體表層的圓柱來形成褶皺結構等等，但是，只靠提高波導模與表面模之間的耦合效率，對定向輻射性能的改善比較有限，已有文獻提出通過在臨近光子晶體出射面的層添加點缺陷形成諧振模也可以實現定向輻射，但是由于諧振模反射回波導的能量較大，輻射出去的能量大大受限。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，通過在二維光子晶體結構中同時引入表面褶皺和點缺陷，可以提高光子晶體的定向耦合特性。

本發明解決其技術解決問題所采用的技術方案：一種高耦合效率的復合型二維光子晶體的設計方法，其特征在于步驟如下：

(1)根據工作波長λ，選擇合適的二維光子晶體的介質柱材料和背景介質材料；

(2)設介質柱和背景介質構成的二維光子晶體的晶格周期為常數a；

(3)取介質柱的截面尺寸為D，假設垂直于紙面向外方向為z軸正方向，介質柱沿z方向放置并固定；

(4)設計一個長為M×a，寬為N×a的二維光子晶體結構，假設長邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正方向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；

(5)取該二維光子晶體在x方向上的中間位置，并且將該位置及由該位置沿y方向向上的所有介質柱丟失，形成波導結構，入射光從光子晶體結構下方入射進該波導結構；

(6)將該二維光子晶體出射層的所有介質柱截面尺寸減小為r，并且將這一層第偶數個介質柱向下方平移d，形成褶皺結構；

(7)將褶皺層下面一層介質柱中的第偶數個晶格去掉，形成點缺陷結構；一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構設計完成；

(8)利用現有技術手段完成上述設計所得結構的制作。

所述步驟(1)中的二維光子晶體的介質柱材料為二氧化硅、玻璃、硅、鍺、或砷化鉀，背景介質材料為空氣。

所述步驟(2)中的二維光子晶體晶格周期a可以為λ/3到λ/2.5。

所述步驟(3)中的介質柱可以是圓柱形或方形。

所述步驟(3)中的介質柱的截面尺寸D為0.4a到0.8a，并且介質柱按正方形方式排列。

所述步驟(4)中的M，N均為大于等于1的整數。

所述步驟(5)中的波導結構寬度為2a。

所述步驟(6)中的出射面介質柱晶格的截面尺寸D′減小為0.1a到0.3a。

所述步驟(6)中的第偶數個晶格向下平移的距離d為0.1a到0.5a。

所述步驟(6)中的褶皺結構的晶格單元周期為2a。

本發明與現有技術相比所具有的優點是：

(1)與只有褶皺沒有點缺陷的光子晶體相比，定向輻射性能得到了極大的改善，這是因為點缺陷可以儲存出射光場的能量，并且遠場發散角也得到了改善。

(2)與只有點缺陷沒有褶皺的結構相比：在即含有表面褶皺又含有點缺陷的光子晶體結構中，表面模可以更好的耦合諧振模的能量，減小反射損耗，因此，其定向輻射性能更好。

附圖說明

圖1為本發明實施例所設計的二維光子晶體結構示意圖；

圖中：1為褶皺層，2為間隙層，3為光子晶體晶格，4為入射源，P為褶皺層單元周期，d為褶皺層中第偶數個晶格移動的距離，a為光子晶體周期。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不僅限于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。

本發明實施例的具體過程如下：

(1)確定入射波的波長λ＝700nm，選擇砷化鎵材料作為介質柱材料，空氣作為背景材料來進行二維光子晶體的設計；

(2)該二維光子晶體的晶格周期為a＝272nm，取介質柱形狀為圓柱形，其半徑為R＝0.3a＝81.6nm，取垂直于紙面向外的方向為Z軸的正方向，介質柱沿Z軸方向放置，并被固定在Z軸的另一側的底板上，其中介質柱是按正方形方式周期性的排布；