一种基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法技术

本发明专利技术提出了一种基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法，涉及光子晶体技术领域。其方法包括步骤：首先在中心处设计一个内部填充低折射率材料，外部填充高折射率材料的孔形结构作为光子晶体的中心散射体。然后在中心孔形结构周围引入与中心结构相连的，填充高折射率材料的连杆结构作为边缘散射体。以中心散射体和边缘散射体为边界所围成的闭合区域被称为散射区，尽可能地利用有限的中心散射体和边缘散射体划分出更多的散射区以设计结构。采用这种方法，本发明专利技术公开了一种正方晶格环形孔多连杆光子晶体。它可以实现在折射率比为1.9:1时支持完全光子带隙，是目前人类已知的，在理想二维光子晶体中可以获得完全光子带隙的最低折射率比。的最低折射率比。的最低折射率比。

【技术实现步骤摘要】
一种基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法


[0001]本专利技术涉及光子晶体
，具体而言，涉及一种基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法。

技术介绍

[0002]如今，集成电路的电子器件在高速发展的同时面临着速度极限和密度极限的问题。光子凭借着速度快、串扰小等优势正在逐渐取代电子作为新兴的信息载体登上历史舞台。其中，光子晶体作为一种新型的微结构因可以实现对光的控制而受到科学家的重视。
[0003]光子晶体的一个重要特性是光子带隙效应，光子带隙是指在特定的频率范围内，光被禁止传播。按照光子晶体中高低折射率材料周期性排列的方向个数，光子带隙可以划分为一维光子带隙、二维光子带隙和三维光子带隙。其中，一维光子带隙因只有在一个方向上对光有限制，对光的限制能力较弱。三维光子带隙虽然在三个方向对光都有强控制，但在设计、工艺制备、应用等方面相对困难。因此，综合了它们优势的二维光子带隙更加受到研究者的关注。
[0004]光在二维光子晶体中传播时，可以分解为横磁模(TM模)以及横电模(TE模)，对应的二维光子带隙也可以分为在特定频率范围内禁止TM模式光传播的TM带隙、在特定频率范围内禁止TM模式光传播的TM带隙以及既不支持TM模式光传播，也不支持TE模式光传播的完全光子带隙(CPBG)。完全光子带隙因对TE和TM偏振的光都有很强地限制而被广泛关注和深度研究。
[0005]基于二维完全光子带隙特性而设计的高性能光器件，如慢光光子晶体光纤、偏振分束器、偏振无关波导、量子级联激光器等在传感、滤波、非线性增强等领域有着重要的应用。然而，由于在中低折射率比下难以获得大的完全光子带隙，目前大部分的带隙器件都是在高折射率比体系下实现的，导致这些器件在设计的时候面临材料选择范围小、器件难以工作在近红外和可见光波段等问题。若能在中低折射率比下实现大带宽的完全光子带隙，那么这些器件的性能会有大大地提高。因此，研究二维完全光子带隙在中低折射率比下的增强具有重要意义。
[0006]目前，实现二维完全光子带隙在中低折射率比下增强的方法主要有两种，一种是打破光子晶体元胞的空间对称性，包括在元胞中引入不同半径的介质柱和对元胞进行旋转操作等。另一种是在光子晶体元胞中引入复式的结构，包括环形结构、连杆结构等。通过这些方法，目前已知在理想二维光子晶体中可获得完全光子带隙的最低折射率比为2.1:1。虽然结果看似令人鼓舞的，但经过几年的研究，科学家依旧难以在低于2.1:1的折射率比下获取完全光子带隙。近期，中南民族大学侯金、周宇森等人在《Complete two
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dimensional photonic bandgap in refractive
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index ratio 2.1 photonic crystals due to high
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order bands》一文中表明：在二维光子晶体中，由高阶能带决定的高阶完全光子带隙相比于由低阶能带决定的低阶完全光子带隙受折射率比的影响更小(随折射率比的降低，高阶完全光子带隙的带宽相比于低阶完全光子带隙的带宽减少的更慢)，高阶完全光子带隙更
多地受到高阶布拉格散射的影响。若能设计出一种光子晶体可以支持大带宽的高阶完全光子带隙，那么该光子晶体理应可以在更低的折射率比下支持完全光子带隙。然而，如何设计一种可以支持高阶完全光子带隙的光子晶体，目前尚未有明确的方法。
[0007]因此，针对于现有技术的不足，提供一种能解决上述
技术介绍
中提出的问题的基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法是很有必要的。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法，其能够针对现有技术中的不足之处，提出解决方案，具有可以实现在1.9:1的低折射率比下获取完全光子带隙。该折射率比刷新了目前人类所知的，可以在理想二维光子晶体中获取完全光子带隙的最低折射率比等特点。
[0009]本专利技术的实施例提供一种基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法，包括如下步骤：
[0010]分别选定低折射率材料和高折射率材料，并确定材料的折射率，依据所述低折射率材料和所述高折射率材料构建光子晶体，并确定所述光子晶体的结构参数；
[0011]依据所述结构参数利用循环算法和光子带隙的数值计算法计算所述光子晶体在固定折射率比下的最大完全光子带隙值，并确定对应于所述最大完全光子带隙值的最优结构参数。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述分别选定低折射率材料和高折射率材料，并确定材料的折射率，依据所述低折射率材料和所述高折射率材料构建光子晶体，并确定所述光子晶体的结构参数的步骤，包括：
[0013]构建中心散射体：采用所述高折射率材料填充构建孔形介质柱，并向所述孔形介质柱的内部中填充所述低折射率材料，获得中心散射体；
[0014]构建边缘散射体：在所述中心散射体的外侧均匀间隔连接多个填充有所述高折射率材料的连杆作为边缘散射体；其中，以所述中心散射体和所述边缘散射体为边界所围成的闭合区域为散射区；
[0015]以所述中心散射体、所述边缘散射体和所述散射区共同构建所述光子晶体，并确定所述光子晶体的结构参数。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述依据所述结构参数利用循环算法和光子带隙的数值计算法计算所述光子晶体在固定折射率比下的最大完全光子带隙值，并确定对应于所述最大完全光子带隙值的最优结构参数的步骤，包括：
[0017]利用循环算法遍历所述光子晶体的结构参数，利用光子带隙的数值计算法计算每一个所述结构参数的完全光子带隙值；
[0018]将多个所述完全光子带隙进行排序，获得最大完全光子带隙值，并确定对应于所述光子晶体的最优结构参数。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述利用循环算法遍历所述光子晶体的结构参数，利用光子带隙的数值计算法计算每一个所述结构参数的完全光子带隙值的步骤，包括：
[0020]增加能带的计算数目，利用所述光子带隙的数值计算法计算每一个所述结构参数的归一化带宽，获得不同能带下的完全光子带隙值。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，所述增加能带的计算数目，利用光子带隙的数值计算法计算每一个所述结构参数归一化带宽，获得不同能带下的完全光子带隙值的步骤，包括：
[0022]当所述光子晶体在高折射率比下能获得超过3％归一化带宽的完全光子带隙值，则计算目标折射率下所述光子晶体的最大完全光子带隙值，并获得对应于所述最大完全光子带隙值的最优结构参数；
[0023]当所述光子晶体在高折射率比下不能获得超过3％归一化带宽的完全光子带隙值，则重新构建所述光子晶体。
[0024]本专利技术的实施例还提供一种基于散射区划分的高性能光子晶体，包括光子晶体，所述光子晶体由多个元胞组成，所述元胞包括环形孔介质柱和多个连杆，所述连杆均匀间隔的连接于所述环形孔介质柱的周侧。
[0025]在本专利技术的一些实施例中，所述环形孔介质柱包括由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：分别选定低折射率材料和高折射率材料，并确定材料的折射率，依据所述低折射率材料和所述高折射率材料构建光子晶体，并确定所述光子晶体的结构参数；依据所述结构参数利用循环算法和光子带隙的数值计算法计算所述光子晶体在固定折射率比下的最大完全光子带隙值，并确定对应于所述最大完全光子带隙值的最优结构参数。2.根据权利要求1所述的基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法，其特征在于，所述分别选定低折射率材料和高折射率材料，并确定材料的折射率，依据所述低折射率材料和所述高折射率材料构建光子晶体，并确定所述光子晶体的结构参数的步骤，包括：构建中心散射体：采用所述高折射率材料填充构建孔形介质柱，并向所述孔形介质柱的内部填充所述低折射率材料，获得中心散射体；构建边缘散射体：在所述中心散射体的外侧均匀间隔连接多个填充有所述高折射率材料的连杆作为边缘散射体；其中，以所述中心散射体和所述边缘散射体为边界所围成的闭合区域为散射区；以所述中心散射体、所述边缘散射体和所述散射区共同构建所述光子晶体，并确定所述光子晶体的结构参数。3.根据权利要求2所述的基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法，其特征在于，所述依据所述结构参数利用循环算法和光子带隙的数值计算法计算所述光子晶体在固定折射率比下的最大完全光子带隙值，并确定对应于所述最大完全光子带隙值的最优结构参数的步骤，包括：利用循环算法遍历所述光子晶体的结构参数，利用光子带隙的数值计算法计算每一个所述结构参数的完全光子带隙值；将多个所述完全光子带隙进行排序，获得最大完全光子带隙值，并确定对应于所述光子晶体的最优结构参数。4.根据权利要求3所述的基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法，其特征在于，所述利用循环算法遍历所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇森，黄高明，周吉茂，黄改凤，
申请(专利权)人：周宇森，
类型：发明
国别省市：