圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射柱直角波导

摘要

本发明公开了一种圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射柱直角波导，它由高折射率的第一介质柱在低折射率背景介质中按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列高折射率的第一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的拐弯处设置一个高折射率的第二介质柱；所述第二介质柱为补偿散射柱；所述第一介质柱为高折射率圆形柱。本发明的结构具有极低的反射率和非常高的传输率，便于大规模光路集成，这为光子晶体的应用提供了更广阔的空间。

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体拐弯波导，尤其是圆柱式正方晶格光子晶体 高折射率单补偿散射柱直角波导。

背景技术

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(PC)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。光子晶体对光的传播具有较强、灵活的控制能力，不仅 对直线式传输，而且对锐利的直角，其传输的效率也很高。如果在 PC结构中引入一个线缺陷，创建一个导光的通道，称为光子晶体光 波导(PCW)。这种波导即使在90°的转角处也只有很小的损失。与 基本的全内反射的传统光波导完全不同，它主要利用缺陷态的导波效 应，缺陷的引入在光子带隙(PBG)中形成新的光子态，而在缺陷态 周围的光子态密度为零。因此，光子晶体光波导利用缺陷模式实现光 传输不会产生模式泄漏，光子晶体光波导是构成光子集成光路的基本 器件，光子晶体拐弯波导可以提高光路集成度，与之相关的研究对于 集成光路的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有极低的反 射率和非常高的传输率的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿 散射柱直角波导。

为了实现以上目的，本发明是采取以下设计方案：

本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射柱直角 波导，由高折射率的第一介质柱在低折射率背景介质中按正方晶格排 列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和一列高折射率的第 一介质柱以形成直角波导；在所述直角波导的拐弯处设置一个高折射 率的第二介质柱；所述第二介质柱为补偿散射柱；

所述第一介质柱为高折射率圆形柱。

所述第二介质柱为半圆形柱、弓形柱、圆柱、三角柱、多边形柱， 或者横截面轮廓线为圆滑封闭曲线的柱子。

所述第二介质柱为半圆形柱。

所述高折射率背景介质的材料为硅、砷化镓、二氧化钛，或者 折射率大于2的介质。

所述高折射率背景介质材料为硅，其折射率为3.4。

所述低折射率背景介质为空气、真空、氟化镁、二氧化硅， 或者折射率小于1.6的介质。

所述低折射率背景介质为空气。

所述直角波导为TE工作模式波导。

所述直角波导结构的面积大于或等于7a×7a，所述a为光子晶 体的晶格常数。

光子晶体光波导器件能广泛应用于各种光子集成器件中。它与现 有技术相比，有如下积极效果：

1.本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射柱 直角波导具有极低的反射率和非常高的传输率，这为光子晶体的应用 提供了更广阔的空间；

2.本发明的结构基于多重散射理论，通过单高折射率介质补偿 散射柱对其内传输的光波实现相位和幅度的补偿，以降低反射率，提 升透射率，能够实现低反射率和高透射率；

3.本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射柱直 角波导基于正方晶格结构，可用于大规模集成光路设计中，光路简洁， 便于设计，利于大规模光路集成；

4.本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射柱直 角波导基于正方晶格结构，使得光路中不同光学元件之间以及不同光 路之间易于实现连接和耦合，有利于降低成本。

附图说明

图1是本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射 柱直角波导的结构的核心区域示意图。

图2是本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿散射 柱直角波导的归一化频率——传输特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述。

如图1所示，本发明的圆柱式正方晶格光子晶体高折射率单补偿 散射柱直角波导由高折射率的第一介质柱在低折射率背景介质中 按正方晶格排列而成的光子晶体，在所述光子晶体中移除一排和 一列高折射率的第一介质柱以形成直角波导，在所述直角波导的 拐弯处设置一个高折射率的第二介质柱；所述第二介质柱为补偿 散射柱，产生补偿反射波与波导本征反射波相抵消；所述补偿散射 介质柱还可以采用各种各样的形状，例如:半圆形柱、弓形柱、圆柱、 三角柱、多边形柱，当然也可以采用横截面轮廓线为圆滑封闭曲线的 柱子，所述第二介质柱(补偿散射介质柱)为半圆形柱，所述高折射 率介质材料分别采用硅、砷化镓、二氧化钛，或者折射率大于2的介 质；所述低折射率背景介质可以采用空气、真空、氟化镁、二氧化硅， 或者折射率小于1.6的介质。

根据以上结果给出如下6个实施例：

实施例1.所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a；高折射率的 第一介质柱为圆形柱,其半径为0.18a；波导内传输的光波极化形式 为TE波；第二介质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补 偿散射柱的半径为0.39312a；其以原点为基准在X向和Z向的位移 分别为0.63999a和0.06213a，其旋转角度为267.446859度；光源 距离原点的X向和Z向的位移为(-4a，0)；入射光的初始相位为0 度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射率为3.4；所述低 折射率背景介质为空气。所述直角波导的结构尺寸为15a×15a，此 时所述的光子晶体直角波导的回波损耗谱和插入损耗谱如图2所示， 该图的横轴部分是该结构的工作频率，纵轴部分则是其传输特性，图 中的虚线为该结构的回波损耗(定义为L_R＝-10log(P_R/P_I))，而实线则为 其插入损耗(定义为L_I＝-10log(P_T/P_I))，其中的P_I为该结构的入射功率， P_R为该结构的反射功率，P_T为该结构的传输功率。在归一化频率为 0.336(ωa/2πc)处，光子晶体直角波导的最大回波损耗为39.88dB 和最小插入损耗为0.0018dB。

实施例2.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.5208微米， 最佳归一化波长为1.71微米；高折射率的第一介质柱为圆形柱，其 半径为0.093744微米；波导内传输的光波极化形式为TE波；第二 介质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径 为0.204738微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为 0.333311微米和0.032361微米，其旋转角度为267.446859度；光 源距离原点的X向和Z向的位移为(-2.0832，0)(微米)；入射光 的初始相位为0度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射 率为3.4；所述低折射率背景介质为空气。所述光子晶体直角波导的 结构尺寸为15a×15a，其最大回波损耗为21.532672dB和最小插入 损耗为0.050712dB。

实施例3.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.5208微米， 使最佳归一化波长为1.55微米，高折射率的第一介质柱为圆形柱， 其半径为0.093744；波导内传输的光波极化形式为TE波；第二介 质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径为 0.204738微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为 0.333311微米和0.032361微米，其旋转角度为267.446859度；光 源距离原点的X向和Z向的位移为(-2.0832，0)(微米)；入射光 的初始相位为0度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射 率为3.4；所述低折射率背景介质为空气。所述光子晶体直角波导的 结构尺寸为15a×15a，其最大回波损耗为39.88dB和最小插入损耗 为0.0018dB。

实施例4.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.336微米， 使最佳归一化波长为1.00微米，高折射率的第一介质柱为圆形柱， 其半径为0.06048微米；波导内传输的光波极化形式为TE波；第二 介质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径 为0.132088微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为 0.215037微米和0.020876微米，其旋转角度为267.446859度；光 源距离原点的X向和Z向的位移为(-1.344，0)(微米)；入射光的 初始相位为0度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射率 为3.4；所述低折射率背景介质为空气。所述光子晶体直角波导的结 构尺寸为15a×15a，其最大回波损耗为39.88dB和最小插入损耗为 0.0018dB。

实施例5.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为0.49728微米， 使最佳归一化波长为1.48微米，高折射率的第一介质柱为圆形柱， 其半径为0.08951微米；波导内传输的光波极化形式为TE波；第二 介质柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径 为0.195491微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为 0.318254微米和0.030896微米，其旋转角度为267.446859度；光 源距离原点的X向和Z向的位移为(-1.98912，0)(微米)；入射光 的初始相位为0度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射 率为3.4；所述低折射率背景介质为空气。所述光子晶体直角波导的 结构尺寸为15a×15a，其最大回波损耗为39.88dB和最小插入损耗 为0.0018dB。

实施例6.所述正方晶格光子晶体的晶格常数a为168微米，使 最佳归一化波长为500微米，高折射率的第一介质柱为圆形柱，其 半径为30.24微米；波导内传输的光波极化形式为TE波；第二介质 柱为半圆形柱，即右下角半圆形高折射率介质补偿散射柱的半径为 66.04416微米；其以原点为基准在X向和Z向的位移分别为 107.5183微米和10.43784微米，其旋转角度为267.446859度；光 源距离原点的X向和Z向的位移为(-672，0)(微米)；入射光的初 始相位为0度。所述高折射率背景介质材料为硅(Si)，其折射率为 3.4；所述低折射率背景介质为空气。所述光子晶体直角波导的结构 尺寸为15a×15a，其最大回波损耗为39.88dB和最小插入损耗为 0.0018dB。

以上之详细描述仅为清楚理解本发明，而不应将其看做是对本发 明不必要的限制，因此对本发明的任何改动对本领域中的技术熟练的 人是显而易见的。