一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构制造技术

本发明专利技术公开了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置。本发明专利技术提出了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，尺寸小，性能稳定，具有更高的Q值和更低的模式体积V。和更低的模式体积V。和更低的模式体积V。

【技术实现步骤摘要】
一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构


[0001]本专利技术公开了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，涉及光学器件


技术介绍

[0002]光子晶体是一种人工制成的，结构极小的，具有一定的周期性，由有着不同折射率的介质排列而成的微型结构；根据其介电常数周期性排列的维度不同，可以将光子晶体分为三种，即一维光子晶体，二维光子晶体，三维光子晶体。
[0003]一维光子晶体是一种最简单的光子晶体，是由不同介电常数的材料层交叠而成，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在另外两个平行于介质层面方向上介电函数不会随着空间位置变化。在这种结构中，它的缺陷态可以局域光的能量。
[0004]光子晶体纳米梁腔是一种典型的光子晶体微腔，其通过在一维光子晶体中人为引入缺陷以破坏原有结构的周期性，使得原本处于禁带中无法传播的特定频率的光(通常称之为谐振频率)能够通过光子晶体，从而构成了所谓的谐振腔结构。其中品质因子Q和模式体积V是两个衡量光子晶体性能的重要指标。
[0005]但现有的技术很难同时满足高品质因子Q和低模式体积V。如Judson D.Ryckman和S.M.Weiss[3]提出的狭缝型的一维光子晶体纳米梁微腔拥有极小的模式体积，但品质因子Q较低，只有104级别。Yiyang Gong和Jelena[4]专利技术的介质孔为矩型的一维光子晶体纳米梁微腔的模式体积较大，为2.0(λ/n)3,Q值也仅仅为16000。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述
技术介绍
中的缺陷，提供一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，结构精巧，性能稳定。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构。
[0008]进一步的，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置，菱形空气孔具有更好的封闭性，使得光能更加集中，光场高度集中于波导中间位置；波导两端加装的一段圆形空气孔作为分布式布拉格反射镜(DBR)，DBR是由高、低折射率材料交替排列组成的高反射膜，能够反射光能；在波导两端加入DBR有助于减少波导耦合消耗，并且形成反射，使得更多的光能储存在波导中，提高了品质因子。
[0009]进一步的，所述的锥形渐变区的菱形空气孔的半径由中间向两侧增大，且菱形空气孔的半径变化呈抛物线形，显著减小了辐射损耗，从而大大提高了一维光子晶体的品质
因子Q。
[0010]进一步的，所述菱形空气孔的半径渐变函数为：
[0011]R
i
＝R
c
+(R
e
‑
R
c
)*(i
‑
1)2/(M
‑
1)2[0012]其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；M为单侧菱形空气孔的总个数，2M为菱形空气孔的总个数，R
c
为最接近中心线的菱形空气孔的半径，R
e
为中心线最外侧菱形空气孔的半径，R
i
为第i个菱形空气孔的半径。
[0013]进一步的，锥形渐变区的晶格常数a
k
从中间向两侧边缘逐渐增大，根据等差函数a
k
设定，且锥形渐变区的菱形空气孔的最大晶格常数与镜面区的圆心空气孔的晶格常数相等，
[0014]a
k
＝283.5+23.25*k；
[0015]其中：a
k
表示从波导的中心线向一侧排列的第k个菱形空气孔和第k+1个菱形空气孔之间的晶格常数，k表示从波导的中心线向一侧开始的第k个菱形空气孔，k＝＝[1，M
‑
1]，2M为菱形空气孔的总个数。
[0016]进一步的，圆形空气孔最大的晶格常数a
max
＝λ0/2n
eff
，
[0017]所述波导的高度：0.5a
max
≤H≤1.2a
max
，
[0018]所述波导的宽度：1.1a
max
≤W≤2.5a
max
，
[0019]所述波导的长度：2((2M+N
‑
1)a
max
+R
e
)≤L
[0020]所述菱形空气孔的总个数：2≤2M≤20
[0021]所述圆形空气孔的总个数：2≤N≤50
[0022]其中：n
eff
为波导的有效折射率，λ0为微腔结构目标谐振波长。
[0023]进一步的，所述的波导采用硅材料制成。
[0024]一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构的设计方法，进一步的，包括：
[0025]确定器件工作波长λ0；
[0026]确定镜面区的圆形空气孔的晶格常数a
max
；
[0027]确定器件高度H；
[0028]设置器件宽度W；
[0029]确定中心菱形孔半径R
c
；
[0030]确定最外侧空气菱形孔的半径R
e
；
[0031]构建锥形渐变区的其余菱形孔的半径；
[0032]构建锥形渐变区菱形孔的晶格常数a
k
[0033]实际对品质因子Q和透过率的要求，选择合适的菱形孔个数2M；
[0034]确定圆形孔的半径R
e
；
[0035]实际对品质因子Q和透过率的要求，选择合适的圆形镜子孔个数N；
[0036]根据设计的孔的数量和大小，确定一维光子晶体纳米梁微腔的总长度L。
[0037]有益效果：
[0038]1.本专利技术提出的菱形空气孔做渐变区部分，镜面区为圆形孔的结构，我们提出的这种混合型结构能给光子晶体带来更好的性质：光子晶体更加稳定，光学损耗更小；对于菱形空气孔结构，其特殊在于光能主要集中于菱形的尖端；相较于常用的圆形空气孔，菱形空气孔具有更好的封闭性，使得光能更加集中，从电场图可以看出，光场高度集中于中间即菱
形部分，使得模式体积很小。
[0039]2.本专利技术设计光子晶体微腔的方法简单易实现；本申请采用了一种确定性设计方法来设计高Q值一维光子晶体波导微腔，该方法主要基于能带计算和模式匹配理论，该方法设计过程直接，不需要进行基于尝试性方法的参数扫描计算，因此对计算资源要求较低，并且可以得到我们预先设定的目标谐振波长。
[0040]3.本专利技术光子晶体的锥形渐变区的晶格常数是渐变的。锥形渐变区中晶格常数根据等差函数由中间向两边逐渐增大，这样的设计形成了光学势本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构。2.根据权利要求1所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置。3.根据权利要求2所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述的锥形渐变区的菱形空气孔的半径由中间向两侧增大，且菱形空气孔的半径变化呈抛物线形。4.根据权利要求3所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述菱形空气孔的半径渐变函数为：R
i
＝R
c
+(R
e
‑
R
c
)*(i
‑
1)2/(M
‑
1)2其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；M为单侧菱形空气孔的总个数，R
c
为最接近中心线的菱形空气孔的半径，R
e
为中心线最外侧菱形空气孔的半径，R
i
为第i个菱形空气孔的半径。5.根据权利要求2所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，锥形渐...

【专利技术属性】
技术研发人员：宾璟橦，刘启发，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：