一种基于散射区划分的高性能光子晶体及其设计方法与流程

1.本发明涉及光子晶体技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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-dimensional photonic bandgap in refractive-index ratio 2.1 photonic crystals due to high-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。
7.因此，针对于现有技术的不足，提供一种能解决上述背景技术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。


技术实现要素：

8.本发明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。
9.本发明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：
10.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；
11.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。
12.在本发明的一些实施例中，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：
13.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；
14.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；
15.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。
16.在本发明的一些实施例中，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：
17.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；
18.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。
19.在本发明的一些实施例中，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：
20.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。
21.在本发明的一些实施例中，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：
22.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；
23.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。
24.本发明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。
25.在本发明的一些实施例中，所述环形孔介质柱包括由低折射率材料填充的内圆和高折射率材料填充的外圆构成。
26.在本发明的一些实施例中，所述连杆由所述高折射率材料填充。
27.在本发明的一些实施例中，每个所述连杆的长度相等，每个所述连杆的宽度相等。
28.在本发明的一些实施例中，相邻所述元胞之间构成多个散射区，其中，光通过所述散射区时发生高阶布拉格散射，形成高阶完全光子带隙。
29.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
30.本发明通过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，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；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。针对目前光子晶体难以在中低折射率比下获得完全光子带隙的问题，本发明提出的基于散射区划分的光子晶体设计方法可以为高性能光子晶体的设计提供一种新的思路。基于此方法，本发明已经设计出一种在1.9:1的低折射率比下依旧支持完全光子带隙的光子晶体结构，打破了在低于2.1:1折射率比下难以获得完全光子带隙的现状，具有深远的意义。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
32.图1所示为本发明实施例一种基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法的步骤流程图；
33.图2所示为本发明实施例一种基于散射区划分的高性能光子晶体的结构示意图；
34.图3所示为本发明实施例中光子晶体在最优结构参数下，由不同能带决定的最大完全光子带隙(cpbg)值随折射率比的变化情况；
35.图4所示为本发明实施例中当折射率比为2.1:1时，光子晶体在最优结构参数下的
色散曲线；
36.图5所示为本发明实施例中当折射率比为2.0:1时，光子晶体在最优结构参数下的色散曲线；
37.图6所示为本发明实施例中当折射率比为1.9:1时，光子晶体在最优结构参数下的色散曲线。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
43.在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
44.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.实施例
46.本技术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：
47.s110、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，依据低折射率材料和高折射率材料构建光子晶体，并确定光子晶体的结构参数；
48.s120、依据结构参数利用循环算法和光子带隙的数值计算法计算光子晶体在固定折射率比下的最大完全光子带隙值，并确定对应于最大完全光子带隙值的最优结构参数。
49.下面，将对本示例性实施例中一种基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法作进一步地说明。
50.在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤“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，依据低折射率材料和高折射率材料构建光子晶体，并确定光子晶体的结构参数”的具体过程。
51.如下列步骤，构建中心散射体：采用高折射率材料填充构建孔形介质柱，并向孔形介质柱的内部填充低折射率材料，获得中心散射体；具体地，孔形介质柱的外部填充高折射率材料，内部填充空气，其中，孔形结构可以是环形孔、方形孔、三角形孔、正六边形孔等，优选为环形孔。
52.如下列步骤，构建边缘散射体：在中心散射体的外侧均匀间隔连接多个填充有高折射率材料的连杆作为边缘散射体，每一条连杆的长度和宽度都相同，区别在于每个连杆和与之相邻的连杆相差45
°
的旋转角；其中，以中心散射体和边缘散射体为边界所围成的闭合区域为散射区，应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获得支持高阶布拉格散射的光子晶体结构，利用高阶布拉格散射的相干相消，进一步获得高阶完全光子带隙。需要说明的是，由于散射区的增多会带来一定的结构复杂性，因此设计者应结合工艺制备、设计难度和工程需求等因素综合考虑合理的散射区划分个数；
53.如下列步骤，以中心散射体、边缘散射体和散射区共同构建光子晶体，并确定光子晶体的结构参数；具体地，本发明中涉及折射率比的范围为1.8-3.5。
54.在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤“依据结构参数利用循环算法和光子带隙的数值计算法计算光子晶体在固定折射率比下的最大完全光子带隙值，并确定对应于最大完全光子带隙值的最优结构参数”的具体过程。
55.作为一种示例，利用循环算法遍历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结构参数的完全光子带隙值；具体地，在每一个固定的折射率比下，设置合理的分辨率、计算能带以及步长，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；将多个完全光子带隙进行排序，获得最大完全光子带隙值，并确定对应于光子晶体的最优结构参数。
56.需要说明的是，当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光子晶体的最大完全光子带隙值，并获得对应于最大完全光子带隙值的最优结构参数；当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，则重新构建光子晶体。
57.基于上述一种基于散射区划分的高性能光子晶体的设计方法设计的正方晶格环形孔多连杆光子晶体，具体包括：光子晶体，上述光子晶体由多个元胞组成，元胞包括环形孔介质柱和多个连杆，连杆均匀间隔的连接于环形孔介质柱的周侧；上述环形孔介质柱包括由低折射率材料填充的内圆和高折射率材料填充的外圆构成，作为光子晶体的中心散射体。其中，上述中心散射体可以更换为正方形孔、三角形孔、六边形孔等；上述连杆由高折射率材料填充，作为光子晶体的边缘散射体，并且每个连杆的长度相等，每个连杆的宽度相等，相邻的连杆之间具有一定的旋转夹角，具体地，上述旋转夹角可以是15
°
、30
°
、45
°
或60
°
等。
58.在本技术实施例中，上述旋转夹角优选为45
°
，上述光子晶体的内圆半径为r0，外
圆半径为r1，连杆的宽度为d，晶格常数(周期)为a，可以发现，该光子晶体的元胞(光子晶体的最小组成单元)和相邻的元胞可以构成8个散射区，如图2所示的1-8，光在通过这些散射区时会发生高阶布拉格散射，从而形成高阶完全光子带隙。
59.需要说明的是，上述光子晶体可以在一个较大的折射率比范围内获得完全光子带隙，则构成光子晶体的高折射率材料可以包括但不限于：硅、硫系玻璃、氮化硅、二氧化钛、砷化镓等，构成光子晶体的低折射率材料可以包括但不限于：空气、二氧化硅、氮化硅等。
60.在本技术一实施例中，获得正方晶格环形孔多连杆光子晶体在最优结构参数下，由不同能带决定的最大完全光子带隙(cpbg)值随折射率比的变化情况如图3所示。从图中可以看到，实际结果符合我们的预期，该光子晶体支持由高阶能带决定的高阶完全光子带隙，它们分别是：由带13和带14决定的高阶cpbg
(13-14)
、由带14和带15决定的高阶cpbg
(14-15)
、由带16和带17决定的高阶cpbg
(16-17)
以及由带17和带18决定的高阶cpbg
(17-18)
。尽管它们在高折射率比3.5:1时的带宽并不大，但是由于高阶光子带隙对折射率的不敏感性，导致这些高阶完全光子带隙可以拓展到中低折射率比体系下。
61.需要说明的是，由带16和带17决定的高阶完全光子带隙cpbg
(16-17)
，虽然它在高折射率比3.5:1时的带宽相比于其他完全光子带隙是最小的，但是当折射率比减少时，其带宽并没有大幅度地降低。这种对折射率的不敏感性导致了它在1.9:1的低折射率比下依旧具备一定的带宽。
62.利用本发明的光子晶体的设计方法，提供以下3个实施例，如图4-图6所示，为光子晶体在低于2.1:1折射率比下，获得完全光子带隙时对应的结构参数和相关的色散曲线。
63.实施例1
64.如图4所示为在折射率比为2.1:1时，正方晶格环形孔多连杆光子晶体在最优结构参数下的色散曲线，在折射率比为2.1:1时，可以获得最大完全光子带隙的光子晶体结构参数为：r1＝0.41a，r0＝0.34a，d＝0.1a，完全光子带隙的归一化宽度为3.348％，对应的归一化频率范围为1.12661-1.16496。
65.实施例2
66.如图5所示为在折射率比为2.0:1时，正方晶格环形孔多连杆光子晶体在最优结构参数下的色散曲线，在折射率比为2.0:1时，可以获得最大完全光子带隙的光子晶体结构参数为：r1＝0.42a，r0＝0.34a，d＝0.11a，完全光子带隙的归一化宽度为2.663％，对应的归一化频率范围为1.14345-1.17431。
67.实施例3
68.如图6所示为在折射率比为1.9:1时，正方晶格环形孔多连杆光子晶体在最优结构参数下的色散曲线，在折射率比为1.9:1时，可以获得最大完全光子带隙的光子晶体结构参数为：r1＝0.42a，r0＝0.34a，d＝0.08a，完全光子带隙的归一化宽度为0.996％。对应的归一化频率范围为1.21542-1.22759。
69.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。