[發明專利]支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體及設計方法和應用

有效

• 申請號: 201310625054.2
• 申請日: 2013-11-27
• 公開（公告）號: CN104678491B
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 蔣尋涯;林旭林;張小剛;李偉;陳亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;復旦大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B27/00;G02F1/35;G01N21/41
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 李儀萍

本發明提供一種支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體及設計方法和應用。其中，所述支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體具有由至少兩種材料形成的周期性折射率分布；且光子晶體色散空間內的某個能帶內存在平直的等頻線或平坦等頻面、且在平直等頻線或平坦等頻面所在頻率附近等頻線或等頻面曲率隨頻率的變化率至少比真空中提高50倍。由于本發明的光子晶體在自準直點附近等頻線或等頻面曲率隨頻率劇烈變化，使得光束衍射強度很容易受到頻率改變和材料折射率變化的影響，可以用于調控光束衍射強度、探測折射率等。

技術領域

本發明涉及人工材料領域，特別是涉及一種支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體及其設計方法和應用。

背景技術

光子晶體是一種用于控制電磁波傳播的人工材料，其特征為具有周期性的折射率分布和光子能帶—禁帶結構的色散關系。光子晶體具有豐富且可控的色散性質，可用于構造各種微尺度的可集成光學元件。光子晶體自準直現象[H.Kosaka et al.,Phys.Rev.B74,1912(1999)；J. Witzens et al.,IEEE Journal OF Selected Topics in QuantumElectronics,8,1246(2002)]是光子晶體能帶內部的一種特殊色散關系，其表現為有限寬度的光束在不需要邊界限制或者非線性作用參與的情況下中，就能在光子晶體內部準直地穩定傳播。對于二維光子晶體和光子晶體平板，自準直現象來源于平直的等頻線，而對于三維光子晶體，自準直現象則來源于平坦的等頻面。已有文獻披露，光子晶體自準直現象可以作為一種靈活且具有很強抗干擾能力的導波機制[X.Yu and S.Fan,Appl.Phys.Lett.83,3251(2003)；P.T.Rakich et al.,Nature Materials 5,93 (2006)]。此外，還有文獻披露，基于自準直現象可以設計多種功能性的可集成光學器件，如干涉儀[D.Zhao et al.,Appl.Phys.Lett.90,231114(2007)]、濾波器[X.Chen et al,Optics Express, 17,19808(2009)]和分束器[V.Zabelin et al.,Optics Letters,530(2007)]等。

自準直現象的嚴格成立要求等頻線(或者等頻面)的曲率為零，這個條件只能在某些特定的頻率才能被滿足，這些特定的頻率被稱作自準直頻率，曲率為零的等頻線(或者等頻面) 的中點則被稱作自準直點。通常情況下，自準直現象可以在自準直頻率附近某個等頻線曲率接近于零的頻率范圍內近似成立。這個頻率范圍的寬度取決于自準直頻率附近的等頻線曲率隨頻率的變化率。自準直頻率附近的等頻線曲率隨頻率的變化率也可稱作自準直頻率敏感度，因為它描述了自準直現象對頻率變化的敏感程度。目前公開的關于優化自準直現象的文獻大多是降低自準直頻率敏感度，以使得自準直現象在更寬的頻率范圍內近似成立[R.E.Hamam et al.,Optics Express,17,8109-8118(2009)；Y-C Chuang,T.J.Suleski,J.Opt.,12,035102(2010)]。

需要指出的是，提高自準直頻率敏感度具有更重要的意義。例如，根據文獻[X.Jiang et al., Appl.Phys.Lett.,91,031105(2007)；Z.Xu et al.,Optics Letters,33,1762(2008)]所披露的信息，在自準直頻率附近，光學非線性所引起的折射率改變會引致衍射強度在正值、零值和負值之間發生轉變，而衍射強度的轉變又會反過來影響光學非線性的強度，從而形成光孤子、光束寬度自鎖效應等新奇的物理現象，而提高自準直頻率敏感度可以增強自準直頻率附近衍射強度與光學非線性的相互作用，從而顯著地降低這些物理現象所需的最低能量強度。另外，可以預測，提高自準直頻率敏感度還可以提高相當一部分已有的基于自準直現象的光子晶體器件的性能，并且使得設計更多新型光子晶體器件具有可行性。

因此，如何提供一種能支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體及其設計方法，已成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。

發明內容