[發明專利]二維光子晶體最大絕對帶隙結構優化方法

有效

• 申請號: 201110433693.X
• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN103176272A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 俞重遠;王東林;劉玉敏;馮昊;郭曉濤
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G06F19/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及光子晶體技術領域，尤其涉及一種二維光子晶體最大絕對帶隙結構優化方法。

背景技術

在現代化信息社會，電子技術得到了飛速發展。現代電子學的基礎是電子能帶及能隙結構，它是電子波在凝聚態物質中傳播的結果。與電子相比，光子作為信息及能量的載體有更大的優越性，是提升信息傳輸容量的關鍵。與半導體晶體結構類似，光子晶體結構是一類在光學尺度上介電材料周期排列的晶體結構，光子在其中傳播也會產生光子能帶及能隙。光子晶體的出現，使人們操縱和控制光子成為可能。人們可以通過設計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。由于其獨特的性能，因此被廣泛應用于多種光子學器件，如：無閾值的激光器，無損耗波導，光學微腔，光子晶體光纖等。光子晶體的出現使光子晶體信息處理技術的“全光子化”和光子技術的微型化與集成化成為可能，是促進信息技術快速發展的關鍵因素。

光子晶體能帶特性是影響光子晶體器件的重要因素，由于光子晶體有類似電子晶體的結構，人們通常采用分析電子晶體的方法結合電磁理論來分析光子晶體的特性。主要的理論研究方法有：平面波展開法、傳輸矩陣法、有限差分時域法和散射矩陣法等。這些方法是探索新型光子晶體結構的基礎也是設計光子晶體器件的關鍵。隨著光子晶體器件的廣泛應用，優化提高光子晶體器件的性能是推動光子技術快速發展的關鍵因素。如：為了減小色散對信號的影響，需要設計相應色散的光子晶體光纖；為了提高激光功率，需要設計高Q值的光子晶體腔；為了調高波導帶寬，需要設計寬帶隙的光子晶體波導等。因此優化光子晶體結構，提高光子晶體器件的效率和可靠性，成為光子調控亟待解決的關鍵科學問題。

特別是針對設計寬帶隙的光子晶體的問題，目前主要的設計方法是參數優化和拓撲優化算法。其中參數優化方法只能得到初值附近的最優解，很難得到全局最優解。而拓撲方法是把優化區域分成很多小的子區域，然后對子區域進行逐一搜尋，它雖然提供了搜索全局最優解的辦法，但是這種方法運算量非常大。特別是在設計寬絕對帶隙的光子晶體結構，需要同時考慮TE模和TM模帶隙情況，使運算更加復雜。雖然一些新穎的算法被結合到拓撲優化方法里，如：遺傳算法，optimal?centroidal?voronoi?tessellation算法，圓錐法(convex?conic)優化算法等。這些算法雖然得到了一些不錯的結果，但是這些算法的計算效率和最優指標都有待提高。綜上所述，提出一種更加高效的光子晶體結構優化方法，得到更寬絕對帶隙的光子晶體結構是提高光子晶體波導器件帶寬迫切需要解決的問題。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：提供一種二維光子晶體最大絕對帶隙結構優化方法，以較高的計算效率得到具有更寬絕對帶隙的二維光子晶體結構，有利于提高光子晶體波導信號帶寬。

(二)技術方案

為解決上述問題，本發明提供了一種二維光子晶體最大絕對帶隙結構優化方法，包括以下步驟：

S1：選擇具有所需晶格結構的初始二維光子晶體結構，并對所述二維光子晶體結構進行優化區域的選擇；

S2：在所述優化區域建立初始介質分布模型；具體包括：

在所述優化區域設定若干控制點，并給每一個控制點賦予高度；

利用控制點二維坐標及其高度擬合出一個三維曲面的曲面方程；

由高度方向值為0的平面與所述三維曲面交界得到交界曲線，并根據所述三維曲面和交界曲線得到初始介質分布模型；

S3：利用有限元方法計算所述初始二維光子晶體結構的絕對帶隙寬度，并根據所述初始介質分布模型計算所述絕對帶隙寬度對初始介質分布的梯度；

S4：根據計算的所述絕對帶隙寬度對介質分布的梯度，得到所述初始光子晶體結構模型中能夠提高所述絕對帶隙寬度的介質分布區域；將位于所述能夠提高所述絕對帶隙寬度的介質分布區域中的控制點高度作為優化變量；

S5：將所述優化變量與所述絕對帶隙寬度代入到優化算法中，得到最優的光子晶體結構。

優選地，所述優化方法還包括使用簡單的幾何圖形對所述對步驟S5得到的最優光子晶體結構進行簡化的步驟。

優選地，所述優化方法還包括對所述簡化后的最優光子晶體結構進行參數優化的步驟。

優選地，所述步驟S1中，根據所述二維光子晶體的晶胞的對稱軸將所述晶胞均勻劃分成若干份，選擇其中一份作為所述優化區域。

優選地，所述步驟S4得到所述初始光子晶體結構模型中能夠提高所述絕對帶隙寬度的介質分布區域具體為：將得到的梯度值為正的正值區域作為能夠提高所述絕對帶隙寬度的介質分布區域。