一种新型声光子晶体结构的制作方法

本发明涉及声学与光学功能材料结构设计领域，特别涉及一种新型声光子晶体结构。

背景技术：

通过类比光子晶体，人们发现弹性波在周期性弹性复合介质中传播时，也会产生类似的弹性波带隙，从而提出了声子晶体概念。声子/光子晶体是一种新型的人工周期结构，在一定频率范围(带隙)内可以禁止波传播，而其它频率范围(通带)内的波将继续传播，并且通过设计可人为调控经典波的传输。声/光子晶体结构的这种特性，可使声/光子晶体在科学应用于实际工程中蕴藏着巨大的利用价值，也为机械结构振动与电磁波辐射问题解决方案开创了新的局面。总的来说，目前声子/光子晶体结构研究已涉及：量子光学、电磁学、固体能带论、半导体器件物理、纳米结构、固体物理、分子生物、微机电工程和材料科学等领域。

在声子晶体被提出的前几年里，声子晶体与光子晶体在各自的领域里独立发展，在研究上很少有所交际。虽然对于某一周期结构，可能会同时存在一定范围的声子与光子禁带，但因周期结构尺度问题和现实技术问题，很难实现在实际生活中的应用，因此这种同时呈现出声子与光子禁带特性的问题一直被人们所搁浅，很难进入研究前沿队列。随着纳米技术的进步，人们发现弹性波与电磁波在微纳米尺度下会展露出独特的耦合特性，声子与光子禁带同时存在同一周期结构中的问题成为了研究热门。人们依据声子和光子晶体的概念，将具有空间周期性并同时呈现出弹性波禁带与电磁波禁带特性的新型材料或结构命名为声光子晶体。此外，在声光子晶体中，将声子和光子带隙统称为双重带隙。由于双重带隙的可调节性，声光子晶体在光机械和声光器件中有许多潜在的应用，如声光子晶体传感器、谐振器和波导等。理论和实验都验证了声光子晶体中存在双重带隙，它可以用于声光器件、传感器和光通信。声光子晶体结构自从被首次设计出后，人们相继设计了不同维度、不同结构形式的声光子晶体。

本发明在以上研究基础上，提出了一种新型声光子晶体结构，拟同时获得声子与光子完全带隙宽带特性，使声光子晶体更好的应用于工程领域。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型声光子晶体结构，以解决背景技术中所提出的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种新型声光子晶体结构，其特征在于：其本体由多个结构完全一样的单胞结构规则排列构成；

每一个所述的单胞结构均包括有一方形硅、一方形孔和四组弹性梁，所述的方形孔按方形硅的轮廓等比缩小的设置在方形硅内部的正中间，四组所述的弹性梁按十字分布设置在方形硅的四条边上；

其中，每一组所述的弹性梁均包括有依次连接第一直线段、连接段和第二直线段，所述的第一直线段和第二直线段均沿着远离方形硅的方向垂直的设置在方形硅的边上，所述的第一直线段和第二直线段之间具有间隔且两者的末端由所述的连接段相连；

所述的方形硅和四组弹性梁的组成材料均为硅。

进一步设置是：所述的方形硅和四组弹性梁所采用的硅的折射率为3.5。

进一步设置是：所述的本体的晶格常数为a，所述的方形硅的边长为b，所述的方形孔的边长为c，所述的弹性梁的宽度为d，所述的第一直线段、连接段和第二直线段的宽度均为f；

具体的，a＝666nm，b＝0.55a,c＝0.1a,d＝0.1a,f＝0.025a。

进一步设置是：若干所述的单胞结构沿横向排列形成一结构层，所述的结构层沿纵向设置有至少两层，各所述的结构层共同组成所述的本体。

本发明的有益效果在于：

本发明的新型声光子晶体结构具有良好的双重带隙宽带特性，能通过可调控的几何参数同时获得较宽的声子与光子完全带隙，使该声光子晶体结构能更好地应用于工程领域。以下结合具体实施方式进一步阐述有益效果。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中单胞结构的结构示意图一；

图3为实施例中单胞结构的结构示意图二；

图4为实施例中第一不可约布里渊区；

图5为实施例中声光子晶体结构能带图(声子能带图)；

图6为实施例中声光子晶体结构能带图(光子能带图)；

图7为实施例中声光子晶体结构透射谱(声子透射谱)；

图8为实施例中声光子晶体结构透射谱(光子透射谱)；

图9为实施例中方形孔边长c对应的带隙变化(声子完全带隙的变化规律)；

图10为实施例中方形孔边长c对应的带隙变化(光子完全带隙的变化规律)；

图11为实施例中方形硅边长b对应的带隙变化(声子完全带隙的变化规律)；

图12为实施例中方形硅边长b对应的带隙变化(光子完全带隙的变化规律)；

图13为实施例中弹性梁宽度f对应的带隙变化(声子完全带隙的变化规律)；

图14为实施例中弹性梁宽度f对应的带隙变化(光子完全带隙的变化规律)；

图15为实施例中材料属性图。

图中：1、方形硅；2、方形孔；3、弹性梁；31、第一直线段；32、第二直线段；33、连接段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1至附图4所示，一种新型声光子晶体结构，包括有本体，其本体由多个结构完全一样的单胞结构规则排列构成；

每一个单胞结构均包括有一方形硅1、一方形孔2和四组弹性梁3，方形孔2按方形硅1的轮廓等比缩小的设置在方形硅1内部的正中间，四组弹性梁3按十字分布设置在方形硅1的四条边上；

其中，每一组弹性梁3均包括有依次连接第一直线段31、连接段33和第二直线段32，第一直线段31和第二直线段32均沿着远离方形硅1的方向垂直的设置在方形硅1的边上，第一直线段31和第二直线段32之间具有间隔且两者的末端由所述的连接段33相连；

方形硅1和四组弹性梁3的组成材料均为硅。

进一步的，方形硅1和四组弹性梁3所采用的硅的折射率为3.5。

具体的，本体的晶格常数为a，方形硅1的边长为b，方形孔2的边长为c，弹性梁3的宽度为d，第一直线段31、连接段33和第二直线段32的宽度均为f；

具体的，a＝666nm，b＝0.55a,c＝0.1a,d＝0.1a,f＝0.025a。

具体的，若干单胞结构沿横向排列形成一结构层，结构层沿纵向设置有至少两层，各结构层共同组成所述的本体。在本实施例，本体由两层结构层构成。

利用有限元法计算本声光子晶体结构的声子与光子带隙。本晶格结构所使用材料的材料属性如附图15所示，结构尺寸参数与上文所述一致。

图5和图6显示的是计算得出的声子与光子带隙图。由图可知，图5和图6给出了无量纲声子频率ωa/2πct和无量纲光子频率ωa/2πct随波矢量的变化关系，其中ct和c分别是硅材料的剪切波速和光的真空速度。

由图5可知，声子第一完全带隙(第五条面内带与第六条面内带之间)与第二完全带隙(第七条面内带与第八条面内带之间)分布在[0.286,0.73]和[0.748,0.774]，总带宽分别达到0.444和0.026。此外，第一声子完全带隙(2.3ghz-5.87ghz)与第二声子完全带隙(6.02ghz-6.23ghz)的相对带隙宽度分别为87.4％和3.4％，其中相对带隙宽度定义为带隙宽度与带隙中心频率的比值。与第二个带隙相比，第一个带隙显得太窄了，因此，选择第二带隙作为主要的研究对象。

由图6可知，实线与虚线分别表示te模态与tm模态，其中光子完全带隙(第二条te带与第四条tm带之间)分布在[0.4,0.46]，相应的带隙宽度为0.06(相对带隙宽度为14％)。此外，该光子完全带隙频率范围(180thz-207thz)内波长为1448nm-1665nm，可应用在通信与红外领域。因此，该声光子晶体结构可同时具有较宽的声子与光子完全带隙，并且其相对带隙宽度分别达到了87.4％和14％，可广泛应用于声光器件、传感器以及通讯工程等。

为了验证该声光子晶体结构是否会同时对声波与光波具有衰减作用，计算了该结构20×2个有限单元的声子与光子透射谱，其结果见图7和图8。在透射曲线中，存在一个频率范围，在这个频率范围内，其声学或光学衰减是最大的，称之为完全带隙，透射谱的峰值表示衰减的程度。

在图7和图8中，灰色区域表示计算的带隙频率范围，对应图5和图6中的声子与光子完全带隙频率范围。图7表示声子透射谱，由图可知，当无量纲频率到达0.286左右时，面内与面外模态的透射系数均低于0db，随后开始明显衰减，从0.286到0.73(灰色区域)，透射系数都小于0db，对应于声子第一完全带隙的计算结果；当无量纲频率到达0.748左右时，面内与面外模态透射系数又都低于0db，并在0.748到0.774范围内，出现明显衰减，对应于声子第二完全带隙的计算结果。

图8表示光子透射谱，由图可知，当无量纲频率到达0.4左右时，te与tm模态的透射系数均低于0db，随后开始明显衰减，从0.4到0.46(灰色区域)，透射系数都小于0db，对应于光子完全带隙的计算结果。

综上所述，声子与光子完全带隙频率范围内(灰色区域)，透射系数均出现明显的衰减，带隙的上、下边界频率与带隙计算的灰色区域结果基本吻合，证明了该种带隙计算方法的正确性和有效性，也证实了该声光子晶体结构可以同时用于衰减声波与光波。

接着，分析产生双重带隙特性的影响因素。

带隙主要以带隙的上、下边界频率和带隙宽度来衡量。影响因素包括：物理参数与几何参数，而在结构设计时候，仅考虑几何参数影响。

(1)方形孔2对双重带隙的影响

图3中定义的方形孔2边长c，将双重带隙作为c的函数，其它几何参数保持不变，材料参数见附图15，计算结果见图9和图10。从图9中可以看出，声子完全带隙存在于[0.05a,0.275a]范围内，并且随着方形孔2边长从0.05a增加到0.275a，声子完全带隙的下边界频率从0.285缓慢增加到0.323，但上边界频率先维持在0.732左右(0.05a≤c≤0.125a)，随后快速减小到0.368。因此，随着方形孔2的变大，声子完全带隙的宽度从0.447减小到0。

图10表示光子完全带隙随方形孔2的变化规律。从图中可知，随着方形孔2边长从0.05a增加到0.3a，光子完全带隙的下边界与上边界均呈现增加的趋势，但带隙下边界频率的增加速度较上边界频率增加的速度快，从而使光子完全带隙宽度从0.0615逐渐减小到0.0309。

由上可知，随着方形孔2的扩大，声子与光子完全带隙宽度均逐渐变窄。因此，方形孔2越小，越利于同时获得较宽的声子与光子完全带隙。

(2)方形硅1对低频带隙的影响

图3中定义的方形硅1边长为b，将双重带隙作为b的函数，其它几何参数保持不变，材料参数见附图15，计算结果见图11和图12。

从图11中可以看出，声子完全带隙存在于[0.4a,0.775a]范围内，随着方形硅1边长从0.4a增加到0.6a，声子完全带隙的下边界频率从0.34缓慢减小到0.283，然后，在[0.6a,0.775a]范围内，带隙下边界开始快速增大，从0.283增大到0.664。与下边界频率的变化规律相反，带隙上边界频率先从0.426增大到0.78(0.4a≤c≤0.575a)，然后从0.78减小到0.664(0.575a≤c≤0.575a)。因此，随着方形硅1边长c的变大，声子完全带隙的宽度先在[0.4a,0.575a]内从0.085逐渐增大，达到带宽最大值0.78，然后在0.575a到0.775a范围内，带宽逐渐减小，直到带隙消失。

图12表示光子完全带隙随方形硅1的变化规律。从图中可知，光子完全带隙存在于[0.425a,0.675a]范围内，随着方形硅1边长从0.425a增加到0.675a，光子完全带隙的下边界频率从0.4834减小到0.363，上边界频率从0.3946减小到0.363，但在[0.425a,0.525a]范围内，带隙下边界频率的减小速度较上边界频率减小的速度快，从而使光子完全带隙宽度从0.01逐渐增大，达到带宽最大值0.383；然后在[0.525a,0.675a]范围内，带隙下边界频率的减小速度较上边界频率减小的速度慢，从而使带隙宽度逐渐减小，直至带隙消失。

(3)弹性梁3宽度对双重带隙的影响

图3中定义的弹性梁3宽度为f，将双重带隙作为f的函数，其它几何参数保持不变，材料参数见附图15，计算结果见图13和图14。从图13和图14中可以得到，改变弹性梁3宽度f，也可同时引起声子与光子带隙结构的变化。从图13中可以看出，对于声子完全带隙，当f从0.015a增加到0.03a，带隙的上边界频率从0.469增大到0.748，下边界频率从0.228增大到0.368，但带隙的上边界频率增大的速度较下边界频率增大的速度快，从而使带隙的宽度从0.241增大到0.455；然后，当f从0.03a增大到0.04a，声子完全带隙下边界依旧逐渐增大，但上边界频率呈现缓慢减小的趋势，从而使带宽逐渐减小到0.38。

图14表示光子完全带隙的变化规律。从图中可知，随着弹性梁3宽度从0.015a增大到0.04a，光子完全带隙下边界频率先从0.4515快速减小到0.4(0.05a≤f≤0.125a)，随后几乎保持不变；对于光子完全带隙上边界，随着f从0.015a增大到0.03a，带隙上边界频率几乎维持在0.46左右，保持不变，但当f从0.03a增大到0.04a，上边界频率开始逐渐减小。因此，随着f增大，光子完全带隙宽度先从0.01增大到0.06，随后保持不变，最后又逐渐减小到0.05。

基于上述，可改变方形孔2边长、方形硅1边长以及弹性梁3宽度来同时调节声子与光子完全带隙的上、下边界频率，从而达到想要的双重带隙宽度来适应于工程应用。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。