專利名稱：一種高耦合效率的復合型二維光子晶體的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種通過引入復合結構提高光子晶體耦合效率的方法，特別涉及一種高耦 合效率的復合型二維光子晶體的設計方法。
背景技術：
光子晶體是一種人工制造的周期材料，由于其具有的禁帶特性，可以在很多方面得到 應用，最近的一個進展是利用光子晶體表面波實現定向輻射，通過在光子晶體表面構造周 期性的褶皺結構，可以激發表面模，并使表面模耦合進輻射模，從而實現定向輻射，文獻 提出可以通過提高波導模與表面模式之間的耦合效率來增強表面波的激發，從而提高定向 輻射的性能；具體的做法為增加表層圓柱的折射率和正向移動光子晶體表層的圓柱來形成 褶皺結構等等，但是，只靠提高波導模與表面模之間的耦合效率，對定向輻射性能的改善 比較有限，已有文獻提出通過在臨近光子晶體出射面的層添加點缺陷形成諧振模也可以實 現定向輻射，但是由于諧振模反射回波導的能量較大，輻射出去的能量大大受限。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，通過在二維光子晶體結構中同時 引入表面褶鮍和點缺陷，可以提高光子晶體的定向耦合特性。
本發明解決其技術解決問題所采用的技術方案 一種高耦合效率的復合型二維光子晶
體的設計方法，其特征在于步驟如下
(1) 根據工作波長A，選擇合適的二維光子晶體的介質柱材料和背景介質材料；
(2) 設介質柱和背景介質構成的二維光子晶體的晶格周期為常數a;
(3) 取介質柱的截面尺寸為D,假設垂直于紙面向外方向為z軸正方向，介質柱沿z 方向放置并固定；
(4) 設計一個長為Mxa，寬為A^a的二維光子晶體結構，假設長邊所在的方向為水 平方向，取水平向右的方向為x軸正方向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；
(5) 取該二維光子晶體在x方向上的中間位置，并且將該位置及由該位置沿y方向向 上的所有介質柱丟失，形成波導結構，入射光從光子晶體結構下方入射進該波導結構；
(6) 將該二維光子晶體出射層的所有介質柱截面尺寸減小為r，并且將這一層第偶數 個介質柱向下方平移^，形成褶皺結構；(7) 將褶皺層下面一層介質柱中的第偶數個晶格去掉，形成點缺陷結構； 一種高耦合 效率的復合型二維光子晶體結構設計完成；
(8) 利用現有技術手段完成上述設計所得結構的制作。 所述步驟(l)中的二維光子晶體的介質柱材料為二氧化硅、玻璃、硅、鍺、或砷化鉀，
背景介質材料為空氣。
所述步驟(2)中的二維光子晶體晶格周期fl可以為A/3到;i/2.5。 所述步驟(3)中的介質柱可以是圓柱形或方形。
所述步驟(3)中的介質柱的截面尺寸D為0.4fl到0.8a,并且介質柱按正方形方式排列。 所述步驟(4)中的M，W均為大于等于1的整數。 所述步驟(5)中的波導結構寬度為2a。
所述步驟(6)中的出射面介質柱晶格的截面尺寸Z)'減小為O.la到0.3a 。 所述步驟(6)中的第偶數個晶格向下平移的距離^為0.1"到0.5a。 所述步驟(6)中的褶皺結構的晶格單元周期為2fl。 本發明與現有技術相比所具有的優點是
(1) 與只有褶皺沒有點缺陷的光子晶體相比，定向輻射性能得到了極大的改善，這是 因為點缺陷可以儲存出射光場的能量，并且遠場發散角也得到了改善。
(2) 與只有點缺陷沒有褶皺的結構相比在即含有表面褶皺又含有點缺陷的光子晶體 結構中，表面模可以更好的耦合諧振模的能量，減小反射損耗，因此，其定向輻射性能更 好。
圖1為本發明實施例所設計的二維光子晶體結構示意圖中1為褶皺層，2為間隙層，3為光子晶體晶格，4為入射源，尸為褶皺層單元周 期，^為褶皺層中第偶數個晶格移動的距離，a為光子晶體周期。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不僅限 于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。 本發明實施例的具體過程如下
(1) 確定入射波的波長/1 = 700"附，選擇砷化鎵材料作為介質柱材料，空氣作為背景 材料來進行二維光子晶體的設計；
(2) 該二維光子晶體的晶格周期為0 = 272"附，取介質柱形狀為圓柱形，其半徑為 i -0.3a-81.6ww，取垂直于紙面向外的方向為Z輸的正方向，介質柱沿Z軸方向放置，并 被固定在Z軸的另一側的底板上，其中介質柱是按正方形方式周期性的排布；
(3) 設計一個長為33a，寬為9a的二維光子晶體結構，假設水平方向為x軸方向，取 水平向右的方向為x軸的正方向，垂直于x軸向上的方向為y軸的正方向，該二維光子晶 體結構在x方向上尺寸為33a， y方向上尺寸為9"，即在x方向上周期排布著33串圓柱形 介質柱，而在y方向上周期排布著9層圓柱形介質柱，并且所有的介質柱都被固定在Z軸 的另一側的底板上；
(4) 將該二維光子晶體在x方向上的中間位置即第17串介質柱丟失，獲得波導結構， 入射光從光子晶體結構下方沿y方向入射進該波導結構；
(5) 將該二維光子晶體在y方向上的出射層即第9層所有圓柱形介質柱的半徑減小 為^ = 0.1" = 27柳，并且將這一層第偶數個介質柱沿y方向向下平移^ = 0.30 = 81鵬后并固 定在Z軸的另一側的底板上，即將第9層晶格結構轉變成褶皺結構，該褶皺結構周期 P = 2a = 544鵬；
(6) 將褶皺層下面一層即y方向上的第8層圓柱形介質柱中第偶數個介質柱去除，即 將第8層晶格結構形成點缺陷結構；
(7) —種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構設計完成，如圖l所示；
(8) 利用現有加工技術即可完成上述設計所得結構的制作。
權利要求
1、一種高耦合效率的復合型二維光子晶體的設計方法，其特征在于以下步驟(1)根據工作波長λ，選擇合適的二維光子晶體的介質柱材料和背景介質材料；(2)設介質柱和背景介質構成的二維光子晶體的晶格周期為常數a；(3)取介質柱的截面尺寸為D，假設垂直于紙面向外方向為z軸正方向，介質柱沿z方向放置并固定；(4)設計一個長為M×a，寬為N×a的二維光子晶體結構，假設長邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正方向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；(5)取該二維光子晶體在x方向上的中間位置，并且將該位置及由該位置沿y方向向上的所有介質柱丟失，形成波導結構，入射光從光子晶體結構下方入射進該波導結構；(6)將該二維光子晶體出射層的所有介質柱截面尺寸減小為r，并且將這一層第偶數個介質柱向下方平移d，形成褶皺結構；(7)將褶皺層下面一層介質柱中的第偶數個晶格去掉，形成點缺陷結構；一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構設計完成；(8)利用現有技術手段完成上述設計所得結構的制作。
2、 根據權利要求1所述的一種高耦合效率的復合型光子晶體結構，其特征在于，步驟 (l)中的二維光子晶體的介質柱材料為二氧化硅、玻璃、硅、鍺、或砷化鉀，背景介質材料 為空氣。
3、 根據權利要求l所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于，步驟(2)中的二維光子晶體晶格周期"可以為；i/3到;i/2.5。
4、 根據權利要求l所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于， 步驟(3)中的介質柱可以是圓柱形或方形。
5、 根據權利要求1所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于， 步驟(3)中的介質柱的截面尺寸"為0.4a到0.8"，并且介質柱按正方形方式排列。
6、 根據權利要求1所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于， 步驟(4)中的M，W均為大于等于1的整數。
7、 根據權利要求1所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于， 步驟(5)中的波導結構寬度為2a。
8、 根據權利要求1所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結.構.，其特征在于，步驟(6)中的出射面介質柱晶格的截面尺寸Z)'減小為O.lfl到0.3a 。
9、 根據權利要求1所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于， 步驟(6)中的第偶數個晶格向下平移的距離rf為0.la到0.5a 。
10、 根據權利要求l所述的一種高耦合效率的復合型二維光子晶體結構，其特征在于， 步驟(6)中的褶皺結構的晶格單元周期為2a。
全文摘要
一種高耦合效率的復合型二維光子晶體的設計方法，其特征在于根據工作波長，選擇光子晶體的介質柱材料和背景材料；設光子晶體晶格周期為常數a；介質柱沿垂直于紙面的z方向放置并固定；設計長M×a，寬N×a的光子晶體結構，取長邊所在方向為x方向，垂直于x方向為y方向；然后在x方向上取光子晶體中間位置，并將該位置處沿y方向的所有介質柱丟失，形成波導結構，入射光從光子晶體結構下方入射進該波導結構；將光子晶體出射層的介質柱截面尺寸減小，并將此層第偶數個介質柱向下平移，形成褶皺結構；將褶皺層下面一層第偶數個介質柱去掉，形成點缺陷結構；本發明所設計的結構使表面模的激發得到增強，能極大的提高定向輻射的能量，同時出射波束的收斂性也得到了改善。
文檔編號G02B6/122GK101169499SQ20071017864
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月3日 優先權日2007年12月3日
發明者杜春雷, 祁云飛, 羅先剛 申請人:中國科學院光電技術研究所