[發(fā)明專利]一種十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410515302.2
• 申請(qǐng)日: 2014-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN104297842B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 歐陽(yáng)征標(biāo);文國(guó)華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市浩源光電技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G02B6/122
• 分類號(hào): G02B6/122
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙)44248
• 代理人: 胡吉科

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及寬絕對(duì)禁帶二維光子晶體。

背景技術(shù)

1987年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射和Princeton大學(xué)的S.John在討論光子區(qū)域各自獨(dú)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(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。

現(xiàn)代光學(xué)的主要挑戰(zhàn)之一是對(duì)光的控制，隨著光通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)于光信號(hào)的控制和操作越發(fā)重要。由于光子晶體可以使某一特定方向，某一特定頻率的光完全禁止或通過(guò)這一性質(zhì)，光子晶體備受關(guān)注。

因?yàn)榻^對(duì)禁帶中的電磁場(chǎng)模式是完全不能存在的，所以當(dāng)電子能帶與光子晶體絕對(duì)禁帶重疊時(shí)，自發(fā)輻射被抑制。擁有絕對(duì)禁帶的光子晶體可以通過(guò)控制自發(fā)輻射，從而改變場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用以及提高光學(xué)器件的性能。這些光子晶體可以應(yīng)用在半導(dǎo)體激光器、太陽(yáng)能電池、高品質(zhì)諧振腔以及濾波器。絕對(duì)禁帶范圍內(nèi)消失的電磁場(chǎng)模式也可以改變?cè)S多原子、分子和激子系統(tǒng)。

光子晶體元胞中介電材料的分布對(duì)于帶隙有著強(qiáng)烈的影響，并且?guī)兜脑O(shè)計(jì)對(duì)于光子晶體的應(yīng)用有著很大的影響，特別是大的絕對(duì)禁帶對(duì)于寬帶信號(hào)的控制是非常有效的。

對(duì)于絕對(duì)禁帶中的頻率，無(wú)論偏振態(tài)和波矢如何，都沒(méi)有光波通過(guò)。擁有大光子禁帶可以用來(lái)制作：光波導(dǎo)、液晶光子晶體光纖、負(fù)折射率成像、缺陷模式的光子晶體激光器以及缺陷腔。大的光子晶體絕對(duì)禁帶可以在缺陷模式光子晶體激光器抑制有害自發(fā)輻射，尤其是在自發(fā)輻射光譜范圍很寬的情況下。如果我們想得到擁有窄諧振峰的光子晶體諧振腔時(shí)，較大的光子晶體絕對(duì)禁帶是必須的。在各種光學(xué)器件中，偏振無(wú)關(guān)的光子晶體絕對(duì)禁帶是非常重要的。正是因?yàn)楣庾泳w的許多器件都要利用光子禁帶，所以設(shè)計(jì)擁有大絕對(duì)禁帶的光子晶體是很有意義的，而找到大禁帶的這一項(xiàng)重要工作有效的辦法是發(fā)現(xiàn)適合的結(jié)構(gòu)并制作它。所以世界各國(guó)的科學(xué)家都力求設(shè)計(jì)各種光子晶體結(jié)構(gòu)，獲得大的光子晶體絕對(duì)禁帶。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種易于光路集成，且具有大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值的二維正方晶格光子晶體。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體包括高折射率介質(zhì)柱和低折射率背景介質(zhì)柱；所述的光子晶體結(jié)構(gòu)由元胞按正方晶格排列而成；所述正方晶格光子晶體的元胞由高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿、十字平板介質(zhì)桿和背景介質(zhì)組成；所述高折射率旋轉(zhuǎn)正方桿與十字平板介質(zhì)桿相連接；所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a；所述旋轉(zhuǎn)正方柱邊長(zhǎng)d為0.51a～0.64a，所述旋轉(zhuǎn)正方柱桿的旋轉(zhuǎn)角度α為2.30°～87.7°，所述十字平板介質(zhì)桿的寬度t為0.032a～0.072a；所述十字平板介質(zhì)桿相對(duì)于旋轉(zhuǎn)正方桿在一個(gè)晶格周期內(nèi)自下而上、自左而右的移動(dòng)距離G為0.4a～0.6a。

所述高折射率介質(zhì)為硅、砷化鎵、二氧化鈦，或者折射率大于2的高折射率介質(zhì)。

所述高折射率介質(zhì)材料為硅，其折射率為3.4。

所述背景介質(zhì)為低折射率介質(zhì)。

所述低折射率背景介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介質(zhì)。

所述低折射率背景介質(zhì)材料為空氣。

所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿水平部分的最左端距離最右端為a；所述光子晶體元胞的十字平板介質(zhì)桿豎直部分的最上端距離最下端為a。

高折射率材料為硅，低折射率材料為空氣，2.30°+90°×n≤α≤87.7°+90°×n,所述n為0，或者其它自然整數(shù)，0.51a≤d≤0.64a，0.032a≤t≤0.072a，0.4a≤G≤0.6a，所述光子晶體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)禁帶相對(duì)值大于10％。

高折射率材料為硅，低折射率材料為空氣，d＝0.57a；t＝0.048a；G＝0.5a；α＝21.94°+90°×n,所述n為0，或者其它自然整數(shù),絕對(duì)禁帶相對(duì)值為14.30％。

本發(fā)明的十字連桿與旋轉(zhuǎn)正方桿的二維正方晶格光子晶體，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成光路設(shè)計(jì)中。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下積極效果。

(1)利用平面波展開法進(jìn)行大量的精細(xì)研究得到，最大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值和其對(duì)應(yīng)的參數(shù)；通常將絕對(duì)禁帶寬度與禁帶中心頻率的比值作為禁帶寬度的考察指標(biāo)，稱之為絕對(duì)禁帶相對(duì)值。

(2)本光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常大的絕對(duì)禁帶，可以為光子晶體器件的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)更大的方便和靈活性。