一种基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构

摘要

本发明公开了一种基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构，包括高折射率的介质柱和低折射率的背景介质；光子晶体结构由高折射率介质柱按正方晶格排列成正方晶格光子晶体；正方晶格光子晶体的晶格常数为a；高折射率介质柱半径r为0.24a～0.3a；正方晶格光子晶体的缺陷结构是一个风车型的缺陷结构；正方晶格光子晶体缺陷结构的边长L为6a；每个扇翅离缺陷结构平行边缘的距离W为2(a‑r)；风车型的缺陷结构的扇翅向风车中心垂直平移的距离S为0～1a。本发明相对于简单缺陷结构具有非常大的TM禁带，当高折射率介质为硅，低折射率背景介质为空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.66a，禁带宽度为0.05057，带隙率达到19.12％，禁带宽度增长了82.43％，可广泛应用于光通信器件中。

说明书

技术领域

本发明属于通信研究领域，具体涉及一种提高二维正方晶格光子晶体TM禁带宽度的方法。

背景技术

1987年Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射和John在讨论光子局域时各自独立地提出了光子晶体的概念。光子晶体(Photonic crystal，PC)是由不同介电材料在空间按一定的周期排列而成的介质结构，具有光子能带和光子禁带，可以对光的传播进行控制和调节，被称为“光的半导体”。它的出现使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

光子晶体最重要的特性是光子禁带(PBG)。二维光子晶体通常具有TE模和TM模，TE模和TM模能分别产生TE禁带和TM禁带。大的PBG能很大程度提高光子晶体器件性能。由于光子晶体的带隙越宽，其在光通信器件中的应用性能就越好。而光子晶体结构的对称性对控制光子禁带至关重要，所以在完美光子晶体内设置一些缺陷腔，破坏了原有晶格的对称性，引入更多能够控制禁带特性的结构参数，不仅可以有控制地增加禁带宽度，还可以在多波段同时产生PBG，扩展单一器件的使用范围。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种提高二维正方晶格光子晶体TM禁带宽度的方法，提供具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构，且易于制备光通信器件。

本发明的技术方案是：一种基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构，包括高折射率介质柱和低折射率背景介质；

所述光子晶体结构由高折射率介质柱按正方晶格排列成正方晶格光子晶体；所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a；所述高折射率介质柱半径r为0.24a～0.3a；

所述正方晶格光子晶体内去除一个风车型的缺陷结构；所述正方晶格光子晶体缺陷结构包括四个呈风车形排列的扇翅，每个扇翅包括两个并排的高折射率介质柱，相邻的扇翅互相垂直，对角线上的两个扇翅互相平行；所述正方晶格光子晶体缺陷结构的边长L为6a；每个所述扇翅离缺陷结构平行边缘的距离W为2(a-r)；所述风车型的缺陷结构的扇翅向风车中心垂直平移的距离S为0～1a。

上述方案中，所述高折射率介质为硅、锗或砷化镓中的任意一种。

进一步的，所述高折射率介质为硅，其介电常数为12.096。

上述方案中，所述低折射率背景介质为空气，其介电常数为1。

上述方案中，所述正方晶格光子晶体的晶格常数为a＝1μm。

上述方案中，所述高折射率介质为硅，所述低折射率背景介质为空气，所述正方晶格光子晶体缺陷结构的边长L＝6a，所述风车的扇翅向风车中心垂直平移的距离S＝0～1a，所述正方晶格光子晶体的带隙率大于14.20％，禁带宽度增长大于31.96％。

进一步的，所述高折射率介质为硅，低折射率背景介质为空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.66a，带隙率为19.12％，禁带宽度增长82.43％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构的正方晶格光子晶体的带隙率大于14.20％，禁带宽度增长大于31.96％；且当所述高折射率介质为硅，低折射率背景介质为空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.66a，带隙率为19.12％，禁带宽度增长82.43％，说明具有非常大的TM禁带。

2.本发明基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构对TM禁带调制的可控性更强。

3.本发明基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构设计简单，易于制作，可广泛应用于光通信器件的设计中。

附图说明

图1是本发明二维正方晶格光子晶体结构示意图。

图2是本发明的一种提高二维正方晶格光子晶体TM禁带宽度方法的光子晶体风车缺陷腔结构示意图。

图3是实施例2、4-12采用缺陷腔参数值所对应的光子晶体TM禁带宽度图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明的基于风车型缺陷的二维正方晶格光子晶体包括高折射率的介质柱和低折射率的背景介质；光子晶体结构由圆形散射体高折射率介质柱按正方晶格结构排列；正方晶格光子晶体的晶格常数a为1μm；圆形散射体的半径r为0.24a～0.3a；如图2所示，正方晶格光子晶体的缺陷结构是一个风车型的缺陷结构；所述正方晶格光子晶体内去除一个风车型的缺陷结构；所述正方晶格光子晶体缺陷结构包括四个呈风车形排列的扇翅，每个扇翅包括两个并排的高折射率介质柱，相邻的扇翅互相垂直，对角线上的两个扇翅互相平行；所述正方晶格光子晶体缺陷结构的边长L为6a；每个所述扇翅离缺陷结构平行边缘的距离W为2(a-r)；所述风车型的缺陷结构的扇翅向风车中心垂直平移的距离S为0～1a。所述高折射率介质为硅；低折射率背景介质为空气。

实施例1：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.24a，L＝6a，S＝0。具有大TM禁带，最大宽度为0.02541。

实施例2：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0。具有大TM禁带，最大宽度为0.02772，如图3所示。

实施例3：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.3a，L＝6a，S＝0。具有大TM禁带，禁带宽度为0.02699。

实施例4：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.1a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.03658，带隙率达到14.20％，相对于实施例2，TM禁带增长31.96％，如图3所示。

实施例5：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.3a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.04223，带隙率达到16.21％，相对于实施例2，TM禁带增长52.34％，如图3所示。

实施例6：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.5a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.04756，带隙率达到18.09％，相对于实施例2，TM禁带增长71.57％，如图3所示。

实施例7：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.6a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.04947，带隙率达到18.74％，相对于实施例2，TM禁带增长78.46％，如图3所示。

实施例8：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.65a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.05056，带隙率达到19.11％，相对于实施例2，TM禁带增长82.39％，如图3所示。

实施例9：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.66a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.05057，带隙率达到19.12％，相对于实施例2，TM禁带增长82.43％，如图3所示。

实施例10：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.67a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.05048，带隙率达到19.08％，相对于实施例2，TM禁带增长82.10％，如图3所示。

实施例11：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.7a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.04971，带隙率达到18.83％，相对于实施例2，TM禁带增长79.32％，如图3所示。

实施例12：

高折射率介质采用硅，低折射率背景介质采用空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.9a。具有大TM禁带，禁带宽度为0.0425，带隙率达到16.32％，相对于实施例2，TM禁带增长53.31％，如图3所示。

从上述实施例中可以看出本发明基于风车型缺陷的具有大的TM禁带的二维正方晶格光子晶体结构的正方晶格光子晶体的带隙率大于14.20％，禁带宽度增长大于31.96％；且当所述高折射率介质为硅，低折射率背景介质为空气，r＝0.27a，L＝6a，S＝0.66a，带隙率为19.12％，禁带宽度增长82.43％，说明具有非常大的TM禁带。本发明对TM禁带调制的可控性更强，且结构设计简单，易于制作，可广泛应用于光通信器件的设计中。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。