[發明專利]基于單連桿柱和圓環柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶體

有效

• 申請號: 201410363204.1
• 申請日: 2014-07-28
• 公開（公告）號: CN104101946B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 歐陽征標;王晶晶
• 申請（專利權）人: 歐陽征標;深圳大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 胡吉科

技術領域

本發明涉及寬絕對禁帶二維光子晶體。

背景技術

1987年，美國Bell實驗室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發輻射和Princeton大學的S.John在討論光子區域各自獨立地提出了光子晶體(Photonic Crystal)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結構，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數材料構成的人工晶體。

在頻域，對任意方向傳播的TE或TM波，電磁場態密度為零的頻率區間定義為光子晶體的TE或TM完全禁帶，同時為TE和TM完全禁帶的頻率區間被稱為光子晶體的絕對禁帶。設計具有完全禁帶或絕對禁帶的光子晶體，能夠簡單而有效地調控介質的宏觀電磁特性，包括選擇其中傳播電磁波的頻帶、模式和傳輸路徑，控制其中介質的吸收或輻射等特性，是控制光子運動、制作各種光子器件的基礎。

對于各種光子晶體器件而言，光子禁帶越寬，器件的性能越好，例如，光子禁帶越寬，則光子晶體波導的工作頻帶越寬、傳輸損耗越小，光子晶體諧振腔和激光器的品質因子越高，光子晶體對自發輻射的約束效果越好，光子晶體反射鏡的反射率越高等。具有完全禁帶和絕對禁帶的光子晶體因對不同傳播方向上的光都存在光子帶隙。因此具有完全禁帶和絕對禁帶的光子晶體受到了廣泛關注。

傳統上，要獲得大的相對禁帶，需要采用三角晶格、六角晶格等非正方晶格結構，但是在光子晶體集成光路中，采用正方晶格結構可以使光路簡潔，并易于提高光路的集成度，而傳統的正方晶格光子晶體的絕對禁帶寬度很小，因此具有大的絕對禁帶的正方晶格光子晶體成為人們一直追求的目標。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中的不足之處，提供一種易于光路集成,大絕對禁帶寬度相對值的新型正方晶格光子晶體結構。

為實現以上目的，本發明是通過以下技術方案予以實現。

本發明的基于單連桿柱和圓環柱的大絕對禁帶正方晶格光子晶體包括高折射率介質柱和低折射率背景介質柱；所述的高折射率介質柱由圓環柱和連接圓環的平板介質柱單連桿構成；所述平板單連桿平行于正方晶格元胞的水平格矢量或者垂直格矢量；所述的光子晶體結構由元胞按正方晶格排列而成；所述的正方晶格光子晶體的晶格常數為a；所述平板介質柱的寬度D為0.048a，所述圓環柱的外徑R為0.27a，所述圓環柱的內外徑之差與圓環外徑的比值T為0.296，光子晶體結構絕對禁帶寬度相對值為9.8177％。

所述高折射率介質為硅、砷化鎵、二氧化鈦或折射率大于2的介質；

所述高折射率介質為硅，其折射率為3.4。

所述低折射率背景介質為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅或折射率小于1.6的介質。

所述低折射率介質為空氣。

所述水平格矢量元胞的左平板連接桿的最左端到右平板連接桿的最右端的距離為a。

所述垂直格矢量元胞的下平板連接桿的最底端到上平板連接桿的最頂端的距離為a。

所述平板介質柱的寬度為0.02a≤D≤0.06a，所述圓環柱的外徑為0.245a≤R≤0.32a，所述圓環柱的內外徑之差與圓環外徑的比值為0.25≤T≤0.45，所述光子晶體結構的絕對禁帶相對值大于5％。

所述平板介質柱的寬度為0.032a≤D≤0.06a，所述圓環柱的外徑為0.245a≤R≤0.29a，所述圓環柱的內外徑之差與圓環外徑的比值為0.29≤T≤0.39，所述光子晶體結構的絕對禁帶相對值大于7％。

本發明的光子晶體結構可廣泛應用于大規模集成光路設計中。它與現有技術相比，有如下積極效果。

1.本發明的光子晶體結構具有非常大的絕對禁帶，為光子晶體的應用提供了更大的空間，同時也為光子晶體器件的設計和制造帶來更大的方便和靈活性。

2.本發明的光子晶體屬于正方晶格，光路簡潔，便于設計，易于大規模光路集成；

3.本發明的正方晶格光子晶體的光路中不同光學元件之間以及不同光路之間易于實現連接和耦合，有利于降低成本。

附圖說明

圖1為本發明的連桿平行于元胞水平格矢量的正方晶格二維光子晶體的結構示意圖。

圖2為本發明的連桿平行于元胞垂直格矢量的正方晶格二維光子晶體的結構示意圖。

圖3為本發明平板介質柱的寬度對于絕對禁帶相對值的影響圖。

圖4為本發明光子晶體結構對應于最大絕對禁帶寬度相對值的能帶圖。

圖5為圖1所示光子晶體最大絕對禁帶相對值的參數結構圖。

具體實施方式