二维光子晶体平板、设计方法及利用此平板的光器件技术

本发明专利技术涉及一种二维光子晶体平板、设计方法以及利用此平板的光器件。所述二维光子晶体平板包括上包层、下包层和位于所述上包层和所述下包层之间的二维光子晶体核心层。二维光子晶体核心层为有限高的二维光子晶体。所述二维光子晶体平板具有完全光子带隙，其位于上包层和下包层所确定的包层光线以及二维光子晶体平板的类TE模式的最低阶光子能带曲线下方并位于类TM模式的最低阶光子能带曲线上方，并且所述有限高的二维光子晶体所对应的无限高理想二维光子晶体在TM模式的最低阶能带曲线与第二低阶能带曲线之间具有TM偏振态的光子带隙。所述二维光子晶体平板可以在最大折射率比较低的情况下形成完全光子带隙。

Two dimensional photonic crystal plate, design method and optical devices using the plate

【技术实现步骤摘要】
二维光子晶体平板、设计方法及利用此平板的光器件
本专利技术涉及二维光子晶体平板及其设计方法、以及利用二维光子晶体平板形成的光器件，尤其涉及一种对特定波长范围的电磁波形成完全光子带隙的二维光子晶体平板，以及利用此类二维光子晶体平板形成的光波导、谐振器等光器件。
技术介绍
光子晶体中的光子带隙现象能够使得在某一频率范围内的诸如光的电磁波不能在光子晶体的周期性结构中传播。在具有光子带隙的光子晶体中引入合适的缺陷，将会在光子带隙区中产生特定的缺陷模式，只有相应于这个模式的特定频率的电磁波能够在缺陷中出现。通常，在光子晶体中形成点缺陷来产生诸如谐振器之类的光器件，形成线缺陷来产生诸如波导之类的光器件，也可以同时形成点缺陷和线缺陷产生功能更强大的光器件。根据对光偏振控制能力的不同，可以将理想二维光子晶体的光子带隙类型分为三种：不支持TE模式的TE带隙、不支持TM模式的TM带隙和同时既不支持TE模式也不支持TM模式的完全光子带隙。完全光子带隙因为能同时对两种偏振的光进行限制，对光的限制能力更强，因而能以此为基础设计各种偏振有关的光器件。一般而言，光子带隙宽度越宽，光子带隙对光的控制性能越强。例如，光子带隙越宽，控制光工作的频带越宽、传输损耗越小，光子晶体谐振器或激光器的品质因子越高，对自发辐射的约束效果越好，光子晶体反射镜的反射效率越高。然而，理想二维光子晶体中的完全带隙通常要求由较高折射率比的光学材料来构成光子晶体。例如，据非专利文献Oskooi,A.F.,Joannopoulos,J.D.,andJohnson,S.G.:‘Zero-group-velocitymodesinchalcogenideholeyphotonic-crystalfibers’,OptExpress,2009,17,(12),pp.10082-10090和美国专利文献US2010/0221537A1所说明，对三角晶格的连接圆柱型理想二维光子晶体，当圆柱杆半径为0.16a(a为光子晶体的晶格常数)，连接杆宽度为0.2a时，在光子晶体中的柱体与填充材料的折射率比为2.8:1时，获得最大5.4％的优化归一化完全光子带隙宽度；当折射率比低于2.6:1时，完全光子带隙在这种理想二维光子晶体中消失。再例如，据非专利文献Cerjan,A.,andFan,S.:‘Completephotonicbandgapsinsupercellphotoniccrystals’,PHYSICALREVIEWA,2017,96,pp.051802(R)中所说明，对三角晶格的连接六边形环形超元胞二维光子晶体，在折射率比为2.4:1时，获得最大8.6％的优化归一化完全光子带隙宽度；当折射率比低于2.1:1时，完全光子带隙在这种理想二维光子晶体中消失。本公开中的折射率比为构成光子晶体或光子晶体平板的所有材料中的最大折射率值和最小折射率值的比值。在理想二维光子晶体中，假设光子晶体在第三个维度上是无穷且恒定不变的，因而只考虑了两个维度的光限制情况，在第三个维度上没有考虑光的限制能力。为了能够在第三个维度上同样获得光限制能力，在理想二维光子晶体的基础上发展出二维光子晶体平板。与第三维假定为无穷且恒定不变的理想二维光子晶体不同，二维光子晶体平板一般由厚的上包层和厚的下包层以及相对较薄的二维光子晶体核心层共同组成三明治结构。对于具有光子带隙的二维光子晶体平板，中间光子晶体核心层中的光在平板平面中的性质主要依赖光子带隙效应限制，而在垂直于光子晶体平板平面方向上的性质主要依赖在光子晶体核心层和上下包层界面处的全反射效应所限制，这样实现了光的全三维限制。从光子能带图上来讲，垂直于光子晶体平面方向上的光限制能力主要通过在光子能带色散图上增加上下包层的光线(锥)来确定，即在包层光线上方的光模式会泄漏到相应的包层中去，只有在两个包层光线共同下方的光模式才会因为全反射效应而被限制在中间的光子晶体核心层内。这样，二维光子晶体平板中的光子带隙要在两个包层光线的共同下方，才能获得空间三维方向上的光限制；与之相对的，理想二维光子晶体没有上下包层，也就没有这个要求。此外，在二维光子晶体平板中，由于上下包层的引入，特别是当上下包层为不同的材料或者也由光子晶体构成时，光的偏振态不能再严格划分为纯TE或纯TM偏振。然而，考虑到核心层具有相对较薄的厚度和上下包层的有效折射率一般相差很小，这种二维光子晶体平板中的光波具有与TE偏振或TM偏振相类似的性质，因而通常被分为类TE(TE-like或z-even-like)波和类TM(TM-like或z-odd-like)波。从而，对于二维光子晶体平板中的光子带隙，在包层光锥下方的区域中，也可以相应地划分出不支持TE-like模式的TE-like带隙、不支持TM-like模式的TM-like带隙、以及既不支持TE-like模式也不支持TM-like模式的完全光子带隙。TE或TE-like模式是指在平板中心平面上，电场E平行于XY平面的电磁波模式；所述的TM或TM-like模式是指在平板中心平面上，电场E垂直于XY平面(磁场H平行于XY平面)的电磁波模式。由于二维光子晶体平板本质是三维结构，所以通过先计算其光子能带结构再进一步寻找获得包层光锥下方的完全光子带隙的二维光子晶体平板，非常耗时，且需要消耗很大的计算资源。因此，传统的经验方法是首先计算并分析二维光子晶体平板所对应的理想二维光子晶体的光子能带结构和其规律，如果在其对应的理想二维光子晶体的光子能带结构中能够获得足够宽的完全光子带隙，再过渡到计算二维光子晶体平板的能带结构。传统理论经验认为：与对应的理想二维光子晶体相比，其对应的二维光子晶体平板的光子能带结构所包括的光子带隙具有相似的性质和变化规律；同时，由于二维光子晶体平板需要考虑第三个维度上的光限制，所以在二维光子晶体平板中获取完全光子带隙更加困难，在二维光子晶体平板中能获得的光子带隙的归一化带隙宽度更窄；如果在理想二维光子晶体中，不能得到完全光子带隙或者获得的完全光子带隙很小时，与其对应的二维光子晶体平板中难以获得具有实用价值的完全光子带隙。换言之，在传统理论经验中，若发现某个理想二维光子晶体不具有使用价值的完全光子带隙，即不存在重叠的TM带隙和TE带隙或重叠的TM带隙和TE带隙区域很小，则不会进一步考虑和设计对应的二维光子晶体平板的完全光子带隙。例如，据非专利文献arXiv:1704.08374[physics.optics](https://arxiv.org/abs/1704.08374)中所述，在理想二维光子晶体中获得足够宽的完全光子带隙后，开始二维光子晶体平板的设计。当折射率比为2.4:1时，在优化的三角晶格的连接六边形环超元胞理想二维光子晶体中获得了8.6％的归一化完全光子带隙宽度，而对同样的2.4:1的折射率比，在对应的三角晶格六边形环超元胞二维光子晶体平板中，由第7和第8阶能带确定的完全光子带隙仅获得了4.3％的归一化带隙宽度，低于其对应的理想二维光子晶体中获得的归一化完全光子带隙宽度。此外，该具有完全光子带隙的二维光子晶体平板的上下包层均为空气，中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维光子晶体平板，包括上包层、下包层和位于所述上包层和所述下包层之间的二维光子晶体核心层，其中/n所述二维光子晶体核心层为有限高的二维光子晶体，由周期排列的多个柱体和填充区域构成，所述柱体由所述二维光子晶体平板中折射率最高的材料形成，所述填充区域包围所述柱体并且由折射率低于所述柱体的折射率的材料形成，/n所述下包层包括固态支撑结构，/n所述二维光子晶体平板具有完全光子带隙，其位于所述上包层和所述下包层所确定的包层光线以及所述二维光子晶体平板的类TE模式的最低阶光子能带曲线的下方，并位于所述二维光子晶体平板的类TM模式的最低阶光子能带曲线上方，并且/n所述有限高的二维光子晶体所对应的无限高理想二维光子晶体在TM模式的最低阶能带曲线与第二低阶能带曲线之间具有TM偏振态光子带隙。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维光子晶体平板，包括上包层、下包层和位于所述上包层和所述下包层之间的二维光子晶体核心层，其中
所述二维光子晶体核心层为有限高的二维光子晶体，由周期排列的多个柱体和填充区域构成，所述柱体由所述二维光子晶体平板中折射率最高的材料形成，所述填充区域包围所述柱体并且由折射率低于所述柱体的折射率的材料形成，
所述下包层包括固态支撑结构，
所述二维光子晶体平板具有完全光子带隙，其位于所述上包层和所述下包层所确定的包层光线以及所述二维光子晶体平板的类TE模式的最低阶光子能带曲线的下方，并位于所述二维光子晶体平板的类TM模式的最低阶光子能带曲线上方，并且
所述有限高的二维光子晶体所对应的无限高理想二维光子晶体在TM模式的最低阶能带曲线与第二低阶能带曲线之间具有TM偏振态光子带隙。


2.如权利要求1所述的二维光子晶体平板，其中
所述无限高理想二维光子晶体不具有完全光子带隙或不具有最低阶光子能带曲线与第二阶能带光子曲线形成的完全光子带隙或具有不满足预定宽度要求的完全光子带隙。


3.如权利要求1或2所述的二维光子晶体平板，其中
所述二维光子晶体平板的完全光子带隙由最低阶光子能带曲线和包层光线围成的区域确定，或者由最低阶光子能带曲线、第二阶光子能带曲线和包层光线围成的区域确定。


4.如权利要求3所述的二维光子晶体平板，其中
所述最低阶光子能带曲线为所述二维光子晶体平板的类TM模式的最低阶能带曲线，并且
所述第二阶光子能带曲线为所述二维光子晶体平板的类TM模式的第二低阶光子能带曲线，或者为所述二维光子晶体平板的类TE模式的最低阶能带曲线，或者由所述二维光子晶体平板的类TE模式的最低阶能带曲线的一部分和类TM模式的第二低阶光子能带曲线的一部分形成。


5.如权利要求1或2所述的二维光子晶体平板，其中
形成所述二维光子晶体平板的材料的最大折射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯金，杨春勇，陈少平，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42