一种光子晶体调频方法和系统与流程

1.本技术属于光子晶体调频领域，具体涉及一种光子晶体调频方法和系统。


背景技术：

2.光子晶体作为光电集成线路发展的关键，一直以来受到人们的广泛关注。光子晶体的一个重要特征是光子禁带，落在禁带频率范围内的电磁波将无法通过光子晶体传播。光子晶体最大的特点是能够控制光波或电磁波的流动，由此可以带来许许多新的应用。如何有规律的控制光子禁带范围是近年来科学家们的研究热点之一。
3.根据光子晶体的基本理论，改变光子禁带可以通过两种途径实现，一是调整组成光子晶体介质的介电常数ε，二是调整结构的晶格常数，所谓晶格常数就是周期性结构一个基本单元的标度，是一个长度量。当一个器件制造好以后，改变晶格常数即改变光子晶体结构的大小是很困难的方案，因此我们选择的是改变介质的介电常数。
4.但现有技术缺点是虽然目前计算理论已经成熟，但是液体并不能满足任意介质常数的要求，无法连续调控金属光子晶体禁带的范围；同时也限制了介质的材料，有些场合下需要固体材质且特定介质的液体配制成本过高。而且在金属光子晶体中填充液体介质的方法，即使在更高成本的情况下达到调控禁带的目的，也会造成光在传播阶段出现更大的衰减损耗。


技术实现要素：

5.本技术提出了一种光子晶体调频方法和系统，通过构建光子晶体调频结构装置并通过傅里叶级数展开法进行计算，获取计算结果；基于所述计算结果获得衰减常数随频率的变化曲线。
6.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
7.一种光子晶体调频方法，包括以下步骤：
8.构建光子晶体调频结构装置；
9.基于所述光子晶体调频结构装置进行预处理，获取预处理结果；
10.基于所述预处理结果，通过傅里叶级数展开法进行计算，获取计算结果；
11.基于所述计算结果获得衰减常数随频率的变化曲线，完成光子晶体调频。
12.优选的，所述光子晶体调频结构装置包括：圆柱型金银合金介质、空气和pml层。
13.优选的，所述预处理包括：光从左侧射入所述光子晶体调频结构装置，在pml层之间传播。
14.优选的，所述傅里叶级数展开法进行计算的方法包括：
15.依据金属的波长和介电常数的参数及空气的介电常数，通过傅里叶级数展开法计算出各个频率点对应的衰减常数和相位常数，计算参数包括：空气介质常数、属介质的介电常数、计算空间、周期和pml层的厚度。
16.为了实现上述技术目的，本技术还提出了一种光子晶体调频系统，包括：
17.光子晶体调频结构装置、光子晶体调频预处理模块、光子晶体调频数据处理模块和光子晶体调频数据处理模块；
18.所述光子晶体调频结构装置用于构建光子晶体调频结构装置；
19.所述光子晶体调频预处理模块用于基于所述光子晶体调频结构装置进行预处理，获取预处理结果；
20.所述光子晶体调频数据处理模块用于基于所述预处理结果，通过傅里叶级数展开法进行计算，获取计算结果；
21.所述光子晶体调频图像绘制模块用于基于所述计算结果获得衰减常数随频率的变化曲线，完成光子晶体调频。
22.优选的，所述光子晶体调频结构装置中构建所述光子晶体调频结构装置包括：圆柱型金银合金介质、空气和pml层。
23.优选的，所述光子晶体调频预处理模块中所述预处理包括：光从左侧射入所述光子晶体调频结构装置，在pml层之间传播。
24.优选的，所述光子晶体调频数据处理模块中所述傅里叶级数展开法进行计算的方法包括：
25.依据金属的波长和介电常数的参数及空气的介电常数，通过傅里叶级数展开法计算出各个频率点对应的衰减常数和相位常数，计算参数包括：空气介质常数、属介质的介电常数、计算空间、周期和pml层的厚度。
26.本技术的有益效果为：本技术公开了一种光子晶体调频方法和系统，本技术通过调整金银合金光子晶体中金的含量，即可连续调控金属光子晶体禁带的范围，通过改变金银合金中金比例以达到调频目的的方法比现有方法要简单的多，且成本更低。并减小了光在传播阶段的衰减损耗。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本技术实施例方法流程示意图；
29.图2为本技术实施例二维金属光子晶体的结构图示意图；
30.图3为本技术实施例金属光子晶体的结构图示意图；
31.图4为本技术实施例晶格常数示意图；
32.图5为本技术实施例矩形棒离散圆棒示意图；
33.图6为本技术实施例不同比例金属纳米棒阵列的相位常数随频率的变化曲线示意图；
34.图7为本技术实施例不同比例金属纳米棒阵列的衰减常数随频率的变化曲线示意图；
35.图8为本技术实施例波长为359nm银链式结构的近场传播分布示意图；
36.图9为本技术实施例波长为359nm银链式结构的沿y轴的频率场的分布示意图；
37.图10为本技术实施例波长为383nm au:ag(1:4)链式结构的近场传播分布示意图；
38.图11为本技术实施例波长为383nm au:ag(1:4)链式结构的沿y轴的频率场的分布示意图；
39.图12为本技术实施例波长为530nm au:ag(1:2)链式结构的近场传播分布示意图；
40.图13为本技术实施例波长为530nm au:ag(1:2)链式结构的沿y轴的频率场的分布示意图；
41.图14为本技术实施例波长为288nm纯金链式结构的近场传播分布示意图；
42.图15为本技术实施例波长为288nm纯金链式结构的沿y轴的频率场的分布示意图；
43.图16为本技术实施例系统组成示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
46.实施例1
47.如图1所示，一种光子晶体调频方法，具体包括以下内容：
48.构建光子晶体调频结构装置；
49.基于光子晶体调频结构装置进行预处理，获取预处理结果；
50.基于预处理结果，通过傅里叶级数展开法进行计算，获取计算结果；
51.基于计算结果获得衰减常数随频率的变化曲线。
52.其中，构建光子晶体调频结构装置包括：圆柱型金银合金介质、空气和pml层。
53.其中，预处理包括：光从左侧射入，在pml层之间传播。
54.其中，傅里叶级数展开法进行计算的方法包括：
55.依据金属的波长和介电常数的参数及空气的介电常数，计算出各个频率点对应的衰减常数和相位常数，计算参数包括：基于圆柱的底面半径r,空气介质常数，金属介质的介电常数ε，计算空间λ，周期h，pml层的厚度。
56.然后，通过使用傅里叶级数展开法，计算出各个频率点对应的衰减常数和相位常数，然后绘制成衰减常数和相位常数随频率的变化曲线。
57.最后，得到最终的输出结果，实现最终效果，减小光在传播阶段的衰减损耗，使光的传输效率更高。
58.在本实施例中，具体的操作步骤如下所示：
59.构建光子晶体调频结构装置具体包括：圆柱型金银合金介质、空气和pml层。
60.如图2所示，1表示圆柱型金银合金介质，其底面半径r＝55nm，圆柱个数为无数个，圆柱在垂直方向为无限长；
61.2表示周期h＝55nm；
62.3表示介质为空气；
63.4表示为pml层；
64.5表示pml层的厚度为55nm；
65.6表示虚拟周期a为3.3ume；
66.7表示光从左侧垂直入射。
67.如图3所示，光从左侧射入，在两层pml层之间传播；
68.然后依据金属的波长和介电常数的参数及空气的介电常数，使用傅里叶级数展开法，计算出各个频率点对应的衰减常数和相位常数，然后绘制成衰减常数和相位常数随频率的变化曲线。
69.如图4所示，图中的点，横坐标是频率，纵坐标分别是是衰减常数和相位常数，
70.在z方向上，散射单元无限长，相互平行分布。假设底面圆半径为r的圆柱是纯电介质，其介电常数为ε。具有这种结构的数组沿y方向重复相同的配置，假设周期为λ，然后用该数组位于0≤y≤λ的单元格来近似初始结构。假设我们引导了e(ez，h
x
，hy)波和h(hz，e
x
，ey)波的传播。表面等离子体是发生在金属-介质界面上，仅由h波(垂直于纳米线截面的磁场分量)激发的大量自由电子集体振动。首先，我们进行描述提法的核心内容。对于h波，麦克斯韦方程为:
[0071][0072][0073][0074]dy
＝ε0ε(y)eyꢀꢀꢀ
(4)
[0075]
其中h
′z＝(μ0/ε0)
1/2hz
，g(y)＝[1 iσ(y)]-1
是拉伸坐标变量，代表假设的完美匹配层(pml)，其中σ(y)＝σ
max
(1-y/ω)d是电导率函数。在传播场的虚拟周期中，把电场和磁场近似为看作截断的傅立叶级数：
[0076][0077][0078][0079][0080]
式中dy是电位移向量，将式(2)代入式(1)，根据傅里叶基底的正
交性质进行计算。有些h模有场分量(hz，e
x
，ey)的特点，我们将hz定为主导场。垂直于芯包层边界的电场存在不连续的问题，为了解决这个问题，这里的求解我们参考李的分解规则，我们将ey场进行傅立叶级数展开。推导出确定傅里叶系数{h
z，m
(x)}和{e
y，m
(x)}的一组线性方程为：
[0081][0082][0083]hz
(x)＝[h
z，-m...h
z，0
...h
z，m
]
t
ꢀꢀꢀ
(11)
[0084]ey
(x)＝[e
y，-m
...e
y，0
...e
y，m
]
t
ꢀꢀꢀ
(12)
[0085][0086][0087][0088][0089][0090]
式中δ
mm
′
为单位矩阵；上标t是向量的转置符号；k0是自由空间中的波数；ε(y)为0≤y≤λ周期内沿y轴的介电常数。矩阵g的特征值kn＝ξ
n2
(n＝1，2，3，...，2m 1)确定了传播常数ξn和假设波导中引导模式。特征向量pn，确定了辐射模式的场分布。式(8)(9)的解为
[0091][0092][0093]
[0094]
p＝[p
1 p2...p
2m 1
]
ꢀꢀꢀ
(21)
[0095]u(
±
)
(x)＝[exp(
±
ik0ξnx)δ
nn
′
]
ꢀꢀꢀ
(22)
[0096]
b＝[ξ
n δ
mm
′
]
ꢀꢀꢀ
(23)
[0097]
a(x)＝[a
( )
(x)a
(-)
(x)]
ꢀꢀꢀ
(24)
[0098][0099]
其中a
n(
±
)
(x)表示前向波和后向波的n阶模的振幅。u(x)，p，和a
(
±
)
(x)的元素按引导和辐射模式的顺序重新排列，re[ξn]递减。
[0100]
紧接着，如图5所示，将每个圆柱细分为一定数量的平行矩形柱，然后把x方向周期链的散射单元替换为分层平行平面波导的级联连接。计算每段波导，方程(1)-(8)的解均有式(18)-(25)进行求解。我们将截面两侧的傅里叶系数相等，使hz和ey符合在每个台阶不连续处的边界条件。这将使散射矩阵sj在界面x＝xj处有如下关系：
[0101][0102][0103]
散射矩阵s
j 1
在x＝x
j 1
处的定义方法与式(25)相同，另外我们还应当考虑在距离x
j 1-xj处的模态传播，如下：
[0104][0105]
和
[0106][0107][0108][0109][0110][0111][0112]
其中工为单位矩阵；u
( )
(x)由式(22)定义。方程(29)-(31)表示波导在每一个不连
续处的散射矩阵的递归关系。当光在波导中传播过程中不断变化时，过渡段近似为大量的阶跃不连续。假如在x＝xj(j＝1，2，...，n)处沿波导存在，(n-1)倍递归过程会使整个系统的广义散射矩阵sn[33]为:
[0113][0114]
我们在每一个周期h内，按照以上关系计算x方向上的广义散射矩阵，其中n代表着单元格内细分小矩形的数量。根据计算出的结果，得到符合以下关系[33]的转移矩阵k:
[0115][0116]
所以，第k模的传播常数γk＝βk iαk由下式确定：
[0117]
γk＝-ilogχk/h
ꢀꢀꢀ
(37)
[0118]
其中χk表示的是转移矩阵kn。根据floquet定理，第k阶导模的传播常数可以由以下关系确定:
[0119]
χk＝exp(iβkh)
ꢀꢀꢀ
(38)
[0120]
如图6、图7所示，我们改变金银合金介质中金银比例的大小，发现随着金含量的增加，衰减和截止频率范围逐渐减小，即禁带范围逐渐减小，拥有连续变化的特征。随着增加合金中金的比例，相位常数和衰减常数随频率变化的曲线图变得越来越平滑，且含金量越多的混合型链式结构的衰减系数越小。这意味着在传播频率范围内，能量的损耗越小，传输功率越高。
[0121]
其中，h/λ：频率、βh/2π:相位常数、αh/2π:衰减常数、ag纯银、au纯金、au:ag＝1:4金银比例为1比4、au:ag＝1:2金银比例为1比2、au:ag2:1金银比例为2比1。
[0122]
a点-d点频率分别为0.1532，0.1437，0.1037和0.1909，分别是图8、图10、图12和图14的频率。
[0123]
如表1所示，表1为不同比例金属链式结构的传播特性表，之后我们测试了由以上结构中40个圆柱组成的有限链式结构，得到不同比例金属的链式结构传播特性表并且举出4个频率点的近场传播分布和沿y轴的电场的分布情况。
[0124]
表1
[0125][0126]
如图8-图15所示，通过设置圆柱的底面半径r,空气介质常数，金属介质的介电常数ε，计算空间λ，周期h，pml层的厚度参数，通过傅里叶级数展开公式，即可计算出每个h/λ对应的βh/2π和αh/2π，然后我们通过计算各个频率点近场传播分布，通过三维图结果判断波的传播状态，划分出传播状态频率范围，衰减和截止状态频率范围。
[0127]
实施例2
[0128]
如图16所示，为了更好的实现上述技术内容，本实施例还提出了一种光子晶体调频系统，包括：光子晶体调频结构装置、光子晶体调频预处理模块、光子晶体调频数据处理模块和光子晶体调频数据处理模块；
[0129]
光子晶体调频结构装置用于构建光子晶体调频结构装置；
[0130]
光子晶体调频预处理模块用于基于光子晶体调频结构装置进行预处理，获取预处理结果；
[0131]
光子晶体调频数据处理模块用于基于预处理结果，通过傅里叶级数展开法进行计算，获取计算结果；
[0132]
光子晶体调频图像绘制模块用于基于计算结果获得衰减常数随频率的变化曲线。
[0133]
在本实施例中，光子晶体调频结构装置中构建光子晶体调频结构装置包括：圆柱型金银合金介质、空气和pml层。
[0134]
在本实施例中，光子晶体调频预处理模块中预处理包括：光从左侧射入光子晶体调频结构装置，在pml层之间传播。
[0135]
在本实施例中，光子晶体调频数据处理模块中傅里叶级数展开法进行计算的方法包括：
[0136]
依据金属的波长和介电常数的参数及空气的介电常数，计算出各个频率点对应的衰减常数和相位常数，计算参数包括：空气介质常数、属介质的介电常数、计算空间、周期和pml层的厚度。
[0137]
以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。