一种圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体.pdf

《一种圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体.pdf（8页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103901536 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103901536 A (21)申请号 201410145359.8 (22)申请日 2014.04.11 G02B 6/122(2006.01) (71)申请人 深圳大学 地址 518060 广东省深圳市南山区南海大道 3688 号 (72)发明人 欧阳征标 王晶晶 (74)专利代理机构 深圳市科吉华烽知识产权事 务所 ( 普通合伙 ) 44248 代理人 胡吉科 (54) 发明名称 一种圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子 晶体 (57) 摘要 本发明公开了一种圆环杆与平板连杆的二维 正方晶格光。

2、子晶体， 它包括高折射率介质柱和低 折射率背景介质柱 ； 所述的光子晶体结构由元胞 按正方晶格排列而成 ； 所述的高折射率介质柱由 平板介质柱与圆环介质柱连接构成 ； 所述的平板 介质柱的宽度 D 为 0.01a 0.2a， 所述的圆环柱 的外径 R 为 0.1a 0.5a， 所述的圆环柱的内外径 之差与圆环外径的比值 T 为 0.01 0.99。本发 明的结构可以使光路简洁， 且易于提供光路的集 成度， 具有非常大的绝对禁带， 为光子晶体器件的 设计和制造带来更大的方便和灵活性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 。

3、(12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103901536 A CN 103901536 A 1/1 页 2 1. 一种圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于 ： 所述的光子晶体包 括高折射率介质柱和低折射率背景介质柱 ； 所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而 成 ； 所述的高折射率介质柱由平板介质柱与圆环介质柱连接构成 ； 所述的平板介质柱的宽 度 D 为 0.01a 0.2a， 所述的圆环柱的外径 R 为 0.1a 0.5a， 所述的圆环柱的内外径之差 与圆环外径的比值 T 为 0.01 0.99。 2. 按照权利要求 1 所。

4、述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于 ： 所述元胞的左平板连接杆的最左端到右平板连接杆的最右端的距离为 a ； 所述元胞的下平 板连接杆的最底端到上平板连接杆的最顶端的距离为 a。 3. 按照权利要求 1 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于 ： 所述的高折射率介质为硅、 砷化镓、 二氧化钛或者折射率大于 2 的高折射率介质。 4. 按照权利要求 3 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于 ： 所述的高折射率介质为硅， 其折射率为 3.4。 5. 按照权利要求 1 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于 ： 所述。

5、的低折射率背景介质为空气、 氟化镁、 二氧化硅或者低折射率介质。 6. 按照权利要求 5 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于 ： 所述的低折射率背景介质为空气。 7. 按照权利要求 1 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于， 设置 0.029a D 0.124a， 0.26a R 0.38a， 0.206 T 0.99， 所述光子晶体结构的 绝对禁带相对值大于 5%。 8. 按照权利要求 1 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于， 设置 0.029a D 0.086a， 0.26a R 0.38a， 0.304 T 0.99，。

6、 所述光子晶体结构的 绝对禁带相对值大于 10%。 9. 按照权利要求 1 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于， 设置 0.0385a D 0.05275a， 0.28a R 0.34a， 0.4755 T 0.99， 所述光子晶体结 构的绝对禁带相对值大于 15%。 10. 按照权利要求 1 所述的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 其特征在于， 设置 D 为 0.049a， R 为 0.296a， T 为 0.838， 绝对禁带宽度相对值为 19.026%。 权 利 要 求 书 CN 103901536 A 2 1/4 页 3 一种圆环杆与平板连杆的二维正方晶。

7、格光子晶体 技术领域 0001 本发明涉及宽绝对禁带二维光子晶体。 背景技术 0002 1987 年， 美 国 Bell 实 验 室 的 E.Yablonovitch 在 讨 论 如 何 抑 制 自 发 辐 射 和 Princeton 大学的 S.John 在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体 （Photonic Crystal） 的概念。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构， 通常由两 种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。 0003 在频域， 对任意方向传播的TE或TM波， 电磁场态密度为零的频率区间定义为光子 晶体的 TE 或 TM 完全禁带， 同时为 TE 。

8、和 TM 完全禁带的频率区间被称为光子晶体的绝对禁 带。设计具有完全禁带或绝对禁带的光子晶体， 能够简单而有效地调控介质的宏观电磁特 性， 包括选择其中传播电磁波的频带、 模模式和传输路径， 控制其中介质的吸收或辐射等特 性， 是控制光子运动、 制作各种光子器件的基础。 0004 对于各种光子晶体器件而言， 光子禁带越宽， 器件的性能越好， 例如， 光子禁带越 宽， 则光子晶体波导的工作频带越宽、 传输损耗越小， 光子晶体谐振腔和激光器的品质因子 越高， 光子晶体对自发辐射的约束效果越好， 光子晶体反射镜的反射率越高等。 具有完全禁 带和绝对禁带的光子晶体因对不同传播方向上的光都存在光子带隙。。

9、 0005 现有技术中采用三角晶格、 六角晶格等非正方晶格结构以获得大的相对禁带， 但 是在光子晶体集成光路中， 不易于提供光路的集成度， 而现有技术中的正方晶格光子晶体 的绝对禁带宽度很小。 发明内容 0006 本发明的目的是克服现有技术中的不足之处， 提供一种易于光路集成， 且具有非 常大的绝对禁带宽度相对值的二维正方晶格光子晶体。 0007 本发明的目的是通过下述技术方案予以实现。 0008 本发明的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体包括高折射率介质柱和低 折射率背景介质柱 ； 所述的光子晶体结构由元胞按正方晶格排列而成 ； 所述的高折射率介 质柱由平板介质柱与圆环介质柱连接构成 ；。

10、 所述的平板介质柱的宽度 D 为 0.01a 0.2a， 所述的圆环柱的外径R为0.1a0.5a， 所述的圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值T为 0.01 0.99。 0009 所述元胞的左平板连接杆的最左端到右平板连接杆的最右端的距离为 a ； 所述元 胞的下平板连接杆的最底端到上平板连接杆的最顶端的距离为 a。 0010 所述的高折射率介质为硅、 砷化镓、 二氧化钛或者折射率大于 2 的高折射率介质 ； 0011 所述的高折射率介质为硅， 其折射率为 3.4。 0012 所述的低折射率背景介质为空气、 氟化镁、 二氧化硅或者低折射率介质。 0013 所述的低折射率背景介质为空气。 说 明 。

11、书 CN 103901536 A 3 2/4 页 4 0014 设置 0.029a D 0.124a， 0.26a R 0.38a， 0.206 T 0.99， 所述光子晶 体结构的绝对禁带相对值大于 5%。 0015 设置 0.029a D 0.086a， 0.26a R 0.38a， 0.304 T 0.99， 所述光子晶 体结构的绝对禁带相对值大于 10%。 0016 设置 0.0385a D 0.05275a， 0.28a R 0.34a， 0.4755 T 0.99， 所述光 子晶体结构的绝对禁带相对值大于 15%。 0017 设置 D 为 0.049a， R 为 0.296a， T。

12、 为 0.838， 绝对禁带宽度相对值为 19.026%。 0018 本发明的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体， 可广泛应用于大规模集成 光路设计中。它与现有技术相比， 有如下积极效果。 0019 （1） 利用平面波展开法进行大量的精细研究得到， 最大的绝对禁带相对值和其对 应的参数 ； 通常将绝对禁带宽度与禁带中心频率的比值作为禁带宽度的考察指标， 称之为 绝对禁带宽度相对值。 0020 （2） 本光子晶体结构具有非常大的绝对禁带， 可以为光子晶体器件的设计和制造 带来更大的方便和灵活性。 0021 （3） 光子晶体集成光路中， 光路中不同光学元件之间以及不同光路之间易于连接 和耦合，。

13、 采用正方晶格结构可以使光路简洁， 且易于提供光路的集成度。 0022 （4） 设计简洁， 易于制作， 降低了制作成本。 附图说明 0023 图 1 是本发明的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体的结构示意图。 0024 图2是本发明圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值T对于绝对禁带相对值的影 响图。 0025 图 3 是本发明的光子晶体结构对应最大的绝对禁带宽度相对值的能带图。 0026 图 4 为对应本发明光子晶体最大绝对禁带相对值的参数的结构图。 具体实施方式 0027 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。 0028 本发明的圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体包括高折射率介质。

14、柱和低 折射率背景介质柱， 如图 1 所示的为光子晶体的一个元胞， 所述的光子晶体结构由所述元 胞按正方晶格排列而成。所述元胞结构的特征参数有三个 ： 平板介质柱的宽度 D， 圆环柱的 外径 R， 圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值 T ； 所述正方晶格光子晶体的晶格常数为 a ； 所述元胞的左平板连接杆的最左端到右平板连接杆的最右端的距离为 a ； 所述元胞的下平 板连接杆的最底端到上平板连接杆的最顶端的距离为 a ； 所述的高折射率介质柱由平板介 质柱与圆环介质柱连接构成 ； 所述的高折射率介质采用硅 （Si） ， 所述的低折射率背景介质 为空气。 0029 通过最速下降法对所述光子晶体结。

15、构进行优化搜索研究， 能获得最大绝对禁带相 对值。 0030 (1） 确定三个参数的初扫描范围 ： 平板介质柱的宽度 D 为 （0.01a 0.2a） ， 圆环柱 的外径 R 为 （0.1a 0.5a） ， 圆环柱的内外径之差与圆环外径的比值 T（0.01 0.99） 。 说 明 书 CN 103901536 A 4 3/4 页 5 0031 （2）基于平面波展开法做初扫描， 得到比较好的参数 ： 平板介质柱的宽度 D 为 0.048a， 圆环柱的外径 R 为 0.3a。 0032 （3） 固定 D 为 0.048a， R 为 0.3a， 基于平面波展开法对 T 进行扫描， 得到图 2 所示 。

16、的结果。图 2 中 T 的值在 0.267 0.99 的范围内都有完全禁带， 且在 T 等于 0.8415 处有 最大绝对禁带相对值， 0033 gapratio1=18.276%。 0034 （4） 固定 D 为 0.048a， T 为 0.8415， 基于平面波展开法对 R 进行扫描， 得到最佳绝 对禁带相对值 gapratio2=18.649%， 对应的 R 值为 0.296a。 0035 （5） 固定 R 为 0.296a， T 为 0.8415， 基于平面波展开法对 D 进行扫描， 得到最佳绝 对禁带相对值 gapratio2=18.998%， 对应的 D 值为 0.048776a。。

17、 0036 （6）判 断 |(gapratio2gapratio1)/(gapratio2+gapratio1)| 是 否 小 于 1%， 否则以上述各步的结果， 对各参数进行新一轮扫描， 直到 |(gapratio2gapratio1)/ (gapratio2+gapratio1)|1% 才结束搜索， 最终获得最优化的绝对禁带相对值及其所对应 的结构参数。 0037 最终得到的优化结果为 ： D=0.049a， R=0.296a， T=0.838 时， 最大绝对禁带的相对 值 =19.026%。其能带图如图 3 所示， 最终结构参数下的光子晶体结构如图 4 所示。 0038 根据以上结果给出。

18、如下 9 个实施例 ： 0039 实施例 1. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.6975, 平板介质柱宽 度 D=0.049a=0.034 微米， 圆环柱外径 R=0.296a=0.206 微米， 圆环柱内径为 0.033 微米， 得 到光子晶体的绝对禁带范围为 （1.69025 1.39659） ， 绝对禁带的相对值对应为 19.026%。 0040 实施例 2. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.765， 平板介质柱宽度 D=0.049a=0.037微米， 圆环柱外径R=0.296a=0.226微米， 圆环柱内径为0.037微米， 得到光 子晶体的绝对。

19、禁带范围为 （1.85383 1.53175） ， 绝对禁带相对值对应为 19.026%。 0041 实施例 3. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.585， 平板介质柱宽度 D=0.049a=0.029微米， 圆环柱外径R=0.296a=0.173微米， 圆环柱内径为0.028微米， 得到光 子晶体的绝对禁带范围为 （1.41763 1.17134） ， 绝对禁带的相对值对应为 19.026%。 0042 实施例 4. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.585， 平板介质柱宽度 D=0.067a=0.039 微米， 圆环柱外径 R=0.34a=0.199 。

20、微米， 圆环柱内径为 0.119 微米， 得到光 子晶体的绝对禁带范围为 （1.37218 1.30510） ， 绝对禁带的相对值对应为 5.011%。 0043 实施例 5. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.585， 平板介质柱宽度 D=0.067a=0.039 微米， 圆环柱外径 R=0.26a=0.152 微米， 圆环柱内径为 0.061 微米， 得到光 子晶体的绝对禁带范围为 （1.26582 1.16764） ， 绝对禁带的相对值对应为 8.066%。 0044 实施例 6. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.455， 平板介质柱宽度 D=0.0。

21、48a=0.022 微米， 圆环柱外径 R=0.38a=0.173 微米， 圆环柱内径为 0.053 微米， 得到光 子晶体的绝对禁带范围为 （1.23246 1.11487） ， 绝对禁带的相对值对应为 10.016%。 0045 实施例 7. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.45， 平板介质柱宽度 D=0.029a=0.013微米， 圆环柱外径R=0.3a=0.135微米， 圆环柱内径为0.054微米， 得到光子 晶体的绝对禁带范围为 （0.97308 0.85701） ， 绝对禁带的相对值对应为 12.087%。 0046 实施例 8. 高折射率介质采用硅， 低折射率。

22、介质为空气， a=0.425， 平板介质柱宽度 说 明 书 CN 103901536 A 5 4/4 页 6 D=0.048a=0.020 微米， 圆环柱外径 R=0.26a=0.111 微米， 圆环柱内径为 0.034 微米， 得到光 子晶体的绝对禁带范围为 （0.93079 0.79715） ， 绝对禁带的相对值对应为 15.468%。 0047 实施例 9. 高折射率介质采用硅， 低折射率介质为空气， a=0.385， 平板介质柱宽度 D=0.048a=0.018微米， 圆环柱外径R=0.3a=0.116微米， 圆环柱内径为0.035微米， 得到光子 晶体的绝对禁带范围为 （0.92702 0.77334） ， 绝对禁带的相对值对应为 18.079%。 0048 以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处， 不应当理解为对本发 明限制。 说 明 书 CN 103901536 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103901536 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103901536 A 8 。