[發明專利]基于狄拉克點的光子晶體諧振腔和光子晶體光纖

有效

• 申請號: 201410036879.5
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103792621A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 謝康;姜海明;李堅
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26;G02B6/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及光子晶體能帶結構及諧振腔和波導技術，具體為基于光子晶體狄拉克點形成的新型光子晶體諧振腔和光子晶體光纖。

背景技術

依靠光子晶體光子帶隙抑制光的發散可以形成光子晶體諧振腔和光子晶體光纖。光子晶體的一個重要應用就是構建光學諧振腔和波導。光學諧振腔和波導是現代光子學系統的重要基本單元，通過諧振腔和波導等基本構成單元之間的組合可以形成微型激光器、耦合器、濾波器、功分器等集成光學模塊。組合的方式決定了組合單元之間相互作用特征，進而決定集成光學模塊的功能，但是這些相互作用是建立在光子晶體所支持的局域模式重疊所引起的耦合上，而這些模式重疊部分的波場都是瞬逝波-強度隨距離指數衰減的，所以依靠光子帶隙抑制光的發散形成的傳統光子晶體諧振腔和波導之間的作用是短程的。該局限性限制了這些諧振腔的空間布局，從而限制了模塊可實現的功能。長程相互作用的引入不但可以提供一種額外的可供選擇的耦合機理，而且還可以從根本上緩解空間布局上的這些限制，因此可以為光學和微波器件帶來新的功能。

石墨烯的電子能帶結構中有六個狄拉克點，位于六邊形布里淵區的六個頂點。在狄拉克點附近電子有線性的E-k關系，其動力學行為與真空中的相對論電子相似，服從無質量的二維狄拉克方程。在與原子晶體的類比中，人們發現二維三角晶系或蜂巢晶系光子晶體擁有與石墨烯相似的能帶結構，在布里淵區的六個頂點呈圓錐狀。由于在圓錐頂點（狄拉克點）附近光子的運動服從無質量的二維狄拉克方程，這種介質有可能會支持一種特殊局域模式，模式間的相互作用表現出長程的性質。自從狄拉克點在光子晶體能帶結構中被發現以來，人們對擁有這種結構的二維三角晶系和蜂巢晶系光子晶體進行了廣泛深入的研究，在光子晶體的鋸齒形邊緣上觀察到狄拉克頻率附近的一維局域模，但是考慮到一維局域模式的形成不需要完全的光子晶體帶隙，比如x方向傳輸的波導模式只需要光子晶體在y方向存在帶隙就能夠形成。而與一維局域模式不同，人們普遍認為二維局域模式只能夠存在于完全的帶隙中，因為任何一個方向只要沒有帶隙的抑制，局域模的能量就可能從那個方向泄漏出去，所以從事光學研究的學者相信狄拉克頻率附近沒有完全帶隙，該頻率二維局域模式是不可能存在的。

發明內容

本發明針對狄拉克頻率附近局域模式存在與否的問題，顛覆了過去對二維局域模式存在條件的認識，利用狄拉克點的特殊性有效地抑制了光的發散，在沒有完全帶隙的情況下構建出了獨特的局域模式，提出了基于狄拉克點的光子晶體諧振腔和光子晶體光纖，實現了長程耦合作用。新的光學模塊必將帶來新的功能和結構。

本發明所采用的技術方案如下：

基于狄拉克點的光子晶體諧振腔和光子晶體光纖，其特征在于：在三角晶系或蜂巢晶系光子晶體結構的中心引入缺陷，從而形成光子晶體諧振腔或光子晶體光纖，利用該類型光子晶體能帶結構中的狄拉克點抑制光的散射，從而在沒有完全帶隙的情況下形成二維局域模式。

所述的中心有缺陷的光子晶體結構，如若局域模式沿縱向傳輸（波矢k_z≠0），則代表光子晶體光纖，如若局域模式不沿縱向傳輸（波矢k_z=0），則代表光子晶體諧振腔。

所述的光子晶體二維局域模式，存在于光子晶體完全帶隙之外。該局域模式強度在空間隨距離按冪函數r^-3/2衰減，模式相位在兩個狀態之間跳躍，顯示出駐波的相位特征。

所述的光子晶體二維局域模式，品質因子隨諧振腔面積線性增加，當不考慮材料的吸收時，增大諧振腔的尺寸可以無限制的提高模式的品質因數。

所述的光子晶體二維局域模式，不只存在于狄拉克頻率，還存在于狄拉克頻率周圍一定范圍的其它頻率。

所述的光子晶體二維局域模式，當頻率偏離狄拉克頻率以后模式的能量不但會通過諧振腔的邊界泄漏到周圍空間，而且會通過散射泄漏到光子晶體的行波模式，局域模的品質因子將會有所下降，局域模有一定的帶寬。

通過本發明，基于狄拉克點的光子晶體諧振腔和光子晶體光纖，所支持的局域二維模式模場強度是隨距離是冪指數衰減的，決定了模式間的耦合作用是長程的，大大擴展了集成光學元件功能。

附圖說明

圖1(a)是由電介質棒組成的二維三角晶系光子晶體諧振腔及光子晶體光纖的結構和模式。

圖1(b)是由電介質中的空氣孔組成的二維三角晶系光子晶體諧振腔及光子晶體光纖的結構和模式。

圖1(c)是由電介質棒組成的二維蜂巢晶系光子晶體諧振腔及光子晶體光纖的結構和模式。