專利名稱：正方晶格二維光子晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，特別是在低頻范圍內(nèi)擁有很大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值的正方晶格二維光子晶體。
背景技術(shù)：
光子晶體因其周期性結(jié)構(gòu)而存在的頻率禁帶稱為光子禁帶(PhotonicBand Gap，PBG)，光子禁帶是光子晶體有著廣泛應(yīng)用的重要原因。在光子晶體中設(shè)置點(diǎn)缺陷形成微腔，可得到高Q值的半導(dǎo)體激光器；設(shè)置線缺陷形成波導(dǎo)，可得到無損耗大角度彎曲波導(dǎo)；光子晶體還可用于制備超棱鏡、負(fù)折射率透鏡等。光子晶體的禁帶越大，可被控制的光的頻率范圍也就越寬，因此對(duì)于大禁帶的搜尋一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
最早的光子晶體是自然界幾百萬年進(jìn)化得到的，如蝴蝶的翅膀、海中的鱗沙蠶。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的光子晶體是將有限的幾種人們熟知的幾何對(duì)稱圖形作為光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)和原胞(如三角晶格圓形空氣柱)，分別計(jì)算所有可能的光子晶體并比較各種光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)驗(yàn)性地總結(jié)出一些規(guī)律以指導(dǎo)光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。如晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性導(dǎo)致能級(jí)的簡(jiǎn)并，通過降低晶格結(jié)構(gòu)、材料的對(duì)稱性可以使光子晶體的能帶增加、能級(jí)退簡(jiǎn)并甚至產(chǎn)生新的能帶。目前，大部分二維正方晶格光子晶體的絕對(duì)禁帶的帶寬很小，如Physical Review B，1992中提出要得到5.7％的絕對(duì)禁帶，高介電材料折射率至少要達(dá)到4；近年來通過改變散射體的幾何參數(shù)得到了很多結(jié)構(gòu)存在可觀的絕對(duì)禁帶，但這些結(jié)構(gòu)大多因散射體形狀發(fā)生扭曲而不易制備，如Journal of Applied Physics，2001中提出的正方晶格中的正方形散射體要求旋轉(zhuǎn)30度，這在制備方面的要求是很高的。
象素型二維光子晶體相對(duì)于傳統(tǒng)的光子晶體具有變化尺度大，更加容易找到具有大禁帶的新結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)N取到足夠大時(shí)，原則上我們可以模擬任意結(jié)構(gòu)的光子晶體并計(jì)算禁帶，但同時(shí)制備的難度也呈指數(shù)上升。目前有很多這方面的研究工作，如Applied Physics Letters，2005，但該文章的工作與本發(fā)明研究的目標(biāo)值設(shè)定不同，他們尋找針對(duì)TE偏振波具有大禁帶的光子晶體結(jié)構(gòu)。The European Physical Journal B，2004中也介紹了象素型二維光子晶體的工作，但他們的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)必須針對(duì)各向異性材料，而這種材料的選擇余地小，受到很大限制。Physical Review B，2003也報(bào)道了這方面的工作，并得到了20.1％的好結(jié)果，但因其原胞分割太細(xì)，1000×1000＝1,000,000，制備困難，很難得到實(shí)際的應(yīng)用。物理學(xué)報(bào)2002曾報(bào)道了高折射率的各向異性材料蹄和空氣構(gòu)成的10×10象素型二維光子晶體在低頻區(qū)域擁有11.782％的絕對(duì)禁帶，同年P(guān)hysicalReview B報(bào)道了砷化鎵GaAs材料和空氣制備的10×10象素型二維光子晶體在低頻區(qū)域擁有絕對(duì)禁帶的帶寬絕對(duì)值為 中心頻率為 于是帶寬相對(duì)值為13.09％，上述兩種結(jié)構(gòu)的原胞結(jié)構(gòu)對(duì)稱性相對(duì)x，y軸反射對(duì)稱，繞z軸90度對(duì)稱，也即只需確定1/8原胞結(jié)構(gòu)。而本發(fā)明的原胞結(jié)構(gòu)滿足的是反演對(duì)稱，需要確定1/2原胞，搜索空間比較而言大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在降低制備難度的同時(shí)增加光子晶體的絕對(duì)帶寬。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種正方晶格二維光子晶體，一種正方晶格二維光子晶體，其特征在于，所述二維光子晶體的原胞被分割為10×10個(gè)包含高折射率介電材料和低折射率介電材料的正方形象素結(jié)構(gòu)，其滿足反演對(duì)稱，其中高折射率介電材料和低折射率介電材料按照一定的規(guī)律排列，具體為
其中1代表高折射率介電材料，0代表低折射率介電材料。
進(jìn)一步地，本發(fā)明中高折射率介電材料優(yōu)選為硅，其介電常數(shù)為11.56，低折射率介電材料優(yōu)選為空氣，其介電常數(shù)為1，當(dāng)晶格常數(shù)a取1μm時(shí)，低頻區(qū)域的最大絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為13.25％。
本發(fā)明的效果是高折射率介電材料和低折射率介電材料兩種材料(特別是硅和空氣)構(gòu)成的正方晶格二維光子晶體，在低頻區(qū)域具有大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值；同時(shí)由于選用了大粒度的象素型二維光子晶體，如圖2所示，100nm的最小尺寸在目前的微加工水平來講是可以接受的，總之在相同制備難度下本發(fā)明所具有的光子禁帶是較大的。具有大禁帶也就意味著可被控制的光的頻率范圍也就越寬，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)形成缺陷模，通過點(diǎn)缺陷得到高Q值的半導(dǎo)體激光器，線缺陷得到無損耗大角度彎曲波導(dǎo)；更寬的頻率范圍內(nèi)制備超棱鏡、負(fù)折射率透鏡等。


圖1是二維光子晶體的原胞。
圖2是二維光子晶體4×4原胞的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是二維光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式給出詳細(xì)說明。
如圖1所示，二維光子晶體的原胞，本發(fā)明的二維光子晶體原胞由10×10正方形象素組成。黑色部分11代表高折射率材料，白色部分12代表低折射率材料。高折射率部分由硅構(gòu)成，介電常數(shù)為11.56；低折射率部分由空氣構(gòu)成，介電常數(shù)為1。晶格常數(shù)a取為1μm，象素即正方柱子的邊長(zhǎng)則為100nm，正方柱子的尺寸即為100nm×100nm。
如圖2所示，二維光子晶體4×4原胞的結(jié)構(gòu)示意圖，通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的二維光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際為通過高折射率介質(zhì)柱分布的變換得到的扭曲的正方形介質(zhì)分布，眾所周知，正方晶格中以正方形散射體擁有最大絕對(duì)禁帶，而通過降低正方形散射體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，我們得到了大絕對(duì)禁帶的二維正方晶格光子晶體。
如圖3所示，二維光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶圖，實(shí)線對(duì)應(yīng)TE波，虛線對(duì)應(yīng)TM波。該結(jié)構(gòu)的最大禁帶的中心頻率為 禁帶寬度為 最大禁帶的相對(duì)值為13.25％。本發(fā)明的光子禁帶對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍1.411μm--1.612μm。同等制備難度下，這是目前光子晶體可控頻率范圍相對(duì)較寬的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種正方晶格二維光子晶體，其特征在于，所述二維光子晶體的原胞被分割為10×10個(gè)包含高折射率介電材料和低折射率介電材料的正方形象素結(jié)構(gòu)，其滿足反演對(duì)稱，其中高折射率介電材料和低折射率介電材料按照一定的規(guī)律排列，具體為 其中1代表高折射率介電材料，0代表低折射率介電材料。
2.如權(quán)利要求1所述的正方晶格二維光子晶體，其特征在于，所述高折射率介電材料為硅，其介電常數(shù)為11.56；低折射率介電材料為空氣，其介電常數(shù)為1；所述結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)a取1μm時(shí)，低頻區(qū)域的最大絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為13.25％。
全文摘要
本發(fā)明涉及二維光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，特別是在低頻范圍內(nèi)擁有很大的絕對(duì)禁帶相對(duì)值的正方晶格二維光子晶體。與通常人工設(shè)計(jì)的光子晶體原胞有所不同，原胞被分割為10×10個(gè)包含高折射率和低折射率介電材料的正方形象素結(jié)構(gòu)，高折射率介電材料和低折射率介電材料以一定的規(guī)律分布在原胞的象素中，具體為其中1代表高折射率介電材料，0代表低折射率介電材料。本發(fā)明的原胞結(jié)構(gòu)滿足反演對(duì)稱性。當(dāng)晶格常數(shù)a取1μm時(shí)，本發(fā)明在硅/空氣的材料背景下得到的低頻區(qū)域絕對(duì)禁帶的相對(duì)值為13.25％。
文檔編號(hào)G02B1/02GK1971312SQ20051008697
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者龔春娟, 胡雄偉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所