超高分辨率光子晶體超棱鏡及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子、光通信領域，涉及一種超高分辨率光子晶體超棱鏡及其設計方法。
【背景技術】
[0002]光子晶體在1987年由S.John和E.Yablonovitch分別獨立提出，它是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，進而引起空間折射率的周期變化。當介電系數(shù)的變化足夠大且變化周期與光波長相當時，光波的色散關系會出現(xiàn)帶狀結(jié)構(gòu)，此即光子能帶結(jié)構(gòu)(Photonic Band structures)。這些被終止的頻率區(qū)間稱為“光子頻率禁帶”(Photonic Band Gap, PBG)，頻率落在禁帶中的光或電磁波是無法傳播的。我們將具有“光子頻率禁帶”的周期性介電結(jié)構(gòu)稱作為光子晶體。
[0003]光子晶體的折射率在空間周期性變化，能夠有效地控制光子的傳播行為。自光子晶體的概念被提出以來，人們就對光子晶體的應用給予廣泛關注。特別是在光通信技術領域，光子晶體光纖、微諧振腔激光器、濾波器、集成光路等光子晶體器件有著廣闊的應用前景。半導體材料微細加工技術的不斷提高大大地推動了二維甚至三維光子晶體器件在實際中的應用步伐。近年來，光子晶體超棱鏡及其應用于高性能光譜儀和波分復用器的設計成為了業(yè)界關注的熱點，因為光譜儀和波分復用器是光通信、光探測等領域中的核心器件之
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[0004]光子晶體超棱鏡有能力在光子晶體內(nèi)部把連續(xù)頻率的電磁波按照一定的頻道數(shù)分開。它的特點是一方面這種波分復用器體積小易于集成，而另一方面它具有很高的頻率(波長)分辨能力?，F(xiàn)有文獻公開了一種光子晶體超棱鏡，它利用光子晶體等頻線尖銳變化的區(qū)域來工作。這種超棱鏡不可避免的存在頻率缺失、易串話、器件面積比較大等問題，不利于器件在集成光路中的應用。
[0005]因此，為避免上述問題，我們必須從新的物理機制出發(fā)，通過新設計獲取新型的光子晶體超棱鏡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種超高分辨率光子晶體超棱鏡及其設計方法，用于解決現(xiàn)有技術中光子晶體超棱鏡存在頻率缺失、串話水平高、器件面積比較大的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種超高分辨率光子晶體超棱鏡的設計方法，至少包括以下步驟:
[0008]步驟S1:選定介質(zhì)材料，確定光子晶體的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0009]步驟S2:獲得所述光子晶體的等頻圖，在所述等頻圖中尋找自準直區(qū)域；
[0010]步驟S3:獲得所述等頻圖中各點的群速度分布，尋找低群速度區(qū)域；
[0011]步驟S4:優(yōu)化光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使光子晶體等頻圖中的自準直區(qū)域與低群速度區(qū)域盡可能重合，并把該重合區(qū)域定為工作區(qū)域；
[0012]步驟S5:獲得等入射角線，并旋轉(zhuǎn)所述光子晶體，使所述等入射角線與所述工作區(qū)域相交，并在交點中選取合適的入射角，完成光子晶體超棱鏡的設計。
[0013]可選地，所述介質(zhì)材料選自硅、二氧化硅、鍺、砷化鎵及氮化鎵中的至少一種。
[0014]可選地，所述結(jié)構(gòu)類型包括二維結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)。
[0015]可選地，所述結(jié)構(gòu)類型包括孔狀結(jié)構(gòu)或介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)。
[0016]可選地，所述結(jié)構(gòu)類型包括正方晶格原胞結(jié)構(gòu)、長方晶格原胞結(jié)構(gòu)、三角晶格原胞結(jié)構(gòu)或六角晶格原胞結(jié)構(gòu)。
[0017]可選地，于所述步驟S4中，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括填充比、晶格常數(shù)、光子晶體的厚度及光子晶體的長度，通過改變其中至少一個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。
[0018]可選地，所述自準直區(qū)域包括貫穿整個布里淵區(qū)的自準直區(qū)域或局部自準直區(qū)域。
[0019]可選地，所述自準直區(qū)域包括嚴格的自準直區(qū)域及其附近的近似自準直區(qū)域。
[0020]可選地，所述低群速度為光在光子晶體中傳播的群速度低于3E7米/秒。
[0021]可選地，所述等頻圖、群速度及等入射角線采用理論計算獲得或采用實驗方式測試獲到。
[0022]本發(fā)明還提供一種光子晶體超棱鏡，該光子晶體超棱鏡等頻圖中的自準直區(qū)域與低群速度區(qū)域重合，且其等入射角與該重合區(qū)域相交。
[0023]可選地，所述光子晶體超棱鏡為孔狀結(jié)構(gòu)或介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)。
[0024]如上所述，本發(fā)明的超高分辨率光子晶體超棱鏡及其設計方法，具有以下有益效果:本發(fā)明通過優(yōu)化光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使光子晶體等頻圖中的自準直區(qū)域與低群速度區(qū)域盡可能重合，將該重合區(qū)域定義為工作區(qū)域，并適當旋轉(zhuǎn)光子晶體使得等入射角線和工作區(qū)域相交，選擇合適的入射角，使的入射角盡量接近垂直，便于應用儀器的光路設計。本發(fā)明設計的光子晶體超棱鏡對以上述入射角入射的光的頻率非常敏感，能顯著地將不同頻率的光分開。同時，本發(fā)明的光子晶體超棱鏡集成性好，適用范圍廣，能應用于高分辨率光譜儀、波分復用器、高敏感探測器等器件，具有重要的實用價值。
【附圖說明】
[0025]圖1顯示為本發(fā)明的超高分辨率光子晶體超棱鏡的設計方法的流程圖。
[0026]圖2顯示為本發(fā)明的超高分辨率光子晶體超棱鏡將入射光線分開的示意圖。
[0027]圖3顯示為光子晶體中介質(zhì)柱的排列示意圖。
[0028]圖4顯不為光子晶體的等頻圖。
[0029]圖5顯示為等入射角線與低群速度分布。
[0030]圖6a_6c顯示為光子晶體超棱鏡參數(shù)分布。
[0031]圖7a_7c顯示為光子晶體超棱鏡三頻道分頻圖。
[0032]元件標號說明
[0033]SI ?S5步驟
【具體實施方式】
[0034]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0035]請參閱I至圖7c。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
[0036]本發(fā)明提供一種超高分辨率光子晶體超棱鏡的設計方法，請參閱圖1，顯示為該方法的流程圖，至少包括以下步驟:
[0037]步驟S1:選定介質(zhì)材料，確定光子晶體的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0038]步驟S2:獲得所述光子晶體的等頻圖，在所述等頻圖中尋找自準直區(qū)域；
[0039]步驟S3:獲得所述等頻圖中各點的群速度分布，尋找低群速度區(qū)域；
[0040]步驟S4:優(yōu)化光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使光子晶體等頻圖中的自準直區(qū)域與低群速度區(qū)域盡可能重合，并把該重合區(qū)域定為工作區(qū)域；
[0041]步驟S5:獲得等入射角線，并旋轉(zhuǎn)所述光子晶體，使所述等入射角線與所述工作區(qū)域相交，并在交點中選取合適的入射角，完成光子晶體超棱鏡的設計。
[0042]請參閱圖2，顯示為本發(fā)明的超高分辨率光子晶體超棱鏡將入射光線分開的示意圖。當光以上述入射角入射時，該光子晶體對光的頻率非常敏感，能顯著地把不同頻率的入射光線分開，圖2中超棱鏡外緣的三個星型標記代表三個出光位置。作為示例，圖2中光子晶體超棱鏡由若干介質(zhì)柱組成。
[0043]下面通過一個具體實施例來說明本發(fā)明的超高分辨率光子晶體超棱鏡的設計方法。
[0044]首先請參閱圖3，執(zhí)行步驟S1:選定介質(zhì)材料，確定光子晶體的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0045]具體的，所述介質(zhì)材料選自硅、二氧化硅、鍺及氮化鎵中的至少一種。本實施例中，所述介質(zhì)材料以硅為例，其折射率n=3.4，中心波長為1.55微米，該波長屬于目前廣泛應用光通信波段，而且硅材料的制備技術成熟。
[0046]具體的，光子晶體的結(jié)構(gòu)類型包括二維結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)，進一步的，可包括孔狀結(jié)構(gòu)或介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，其排列方式包括但不限于正方晶格原胞結(jié)構(gòu)、長方晶格原胞結(jié)構(gòu)、三角晶格原胞結(jié)構(gòu)或六角晶格原胞結(jié)構(gòu)。
[0047]作為示例，所述光子晶體采用介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)柱的半徑為0.32a，其中a為光子晶體的晶格周期，如圖3所示，所述介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)的最小排列單元組成長方晶格結(jié)構(gòu)，長方晶格的寬度為a,長度為b,長寬比為1.8。
[0048]然后請參閱圖4，執(zhí)行步驟S2:獲得所述光子晶體的等頻圖，在所述等頻圖中尋找自準直區(qū)域。
[0049]具體的，所述光子晶體的等頻圖可采用理論計算獲得或采用實驗方式測試獲得。作為示例，本實施例中利用平面波展開法計算上述光子晶體結(jié)構(gòu)的色散關系，選擇第二個能帶并計算該能帶的等頻圖。光子晶體等頻圖的計算為本領域的公知常識，如文獻“VictorLiu and Shanhui Fan,“Efficient computat1n of equifrequency surfaces anddensity of states in photonic crystals using Dirichlet-to-Neumann maps,”Journalof the Optical Society of America B, Vol.28，pp.1837 (2011)”中就給出了計算光子晶體等頻圖的例子，具體計算過程此處不再贅述。
[0050]圖4顯示為本實施例中通過平面波展開法計算得到的光子晶體第二個能帶的等頻圖，其橫坐標為kx,縱坐標為ky,分別代表χ坐標軸方向的波矢分量及y坐標軸方向的波矢分量，單位均為2 π /a。如圖4所示，其中包括若干條等頻線，圖中的數(shù)字代表等頻線所對應的頻率。
[0051]具體的，所述自準直區(qū)域包