一種線性漸變結構的二維光子晶體的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種二維線性漸變結構的光子晶體，屬于微波光子晶體技術領域。
【背景技術】
[0002]光子晶體是指電介質在三維空間上周期性排列的復合材料，根據電介電在空間上排列方向的周期性，將光子晶體分為一維、二維、三維光子晶體。一般的二維光子晶體是指在波傳播的平面內介電常數為E1的材料在介電常數為ε 2的材料中周期排列，從而在兩個維度內都能形成光子帶隙的材料。
[0003]類似于半導體的能帶，當電磁波在光子晶體的周期結構中傳播時，由于周期性的布拉格散射使得電磁波受到調制而形成光子能帶。光子能帶之間出現特定頻率的電磁波無法透過的區域，形成光子帶隙。在周期性材料中引入缺陷或無序態后，符合缺陷頻率的光會被局域在缺陷處，遠離缺陷處將迅速衰減至零。
[0004]光子帶隙為光子晶體的主要特性之一。這一特性在光通信等方面的應用很廣，因此展寬光子晶體的帶隙對光子晶體的應用十分有價值。光子晶體的帶隙寬度與光子晶體結構參量密切相關。對于二維光子晶體而言，組成光子晶體的兩種材料的介電常數之比、晶格常數a、介質柱半徑r都與光子帶隙寬度有關，改變填充率和介電常數之比都能提高光子帶隙。
[0005]尋找更寬光子帶隙是光子晶體設計的目標。改變光子晶體的結構對稱性為改善光子晶體的有效途徑，例如，在光子晶體結構中引入復式嵌套結構，組成復式結構的光子晶體，改變介質柱的形狀等。
[0006]傳統的正四邊形二維光子晶體，帶隙率很低，一般很難滿足應用的要求。如，硅材料柱體填充在聚乙烯基質中組成的正四邊形結構，其相對帶隙寬度約為20%。
[0007]綜上所述，光子晶體設計中，傳統光子晶體帶隙寬度差強人意，復式結構或改變柱體橫截面等結構復雜難以制備，本文發明設計出一種新型光子晶體結構，相對于現有結構既提高了帶隙寬度又容易制備，拓展了頻率范圍，為實際應用奠定了堅實的基礎。
【發明內容】
[0008]本發明針對現存二維光子晶體結構的不足，提出了一種線性漸變結構的二維光子晶體，該結構拓展了帶隙寬度，結構簡單且容易制備。
[0009]本發明的方案如下:
一種線性漸變結構的二維光子晶體，其特征在于:所述的光子晶體結構包括一種低介電常數的平板基質和另一種高介電常數的圓柱體介質，高介電常數的柱體介質填充在低介電常數的平板基質內，每個單元中柱體介質的半徑以一定的步長線性變化，沿電磁波傳播方向高介電常數柱體半徑先線性增大，再線性減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。
[0010]該二維光子晶體結構，低介電常數介質為聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯類材料，高介電常數介質為類硅或陶瓷材料，高介電常數的類硅或陶瓷材料填充在低介電常數的聚乙烯類介質中。
[0011]該二維光子晶體結構，在波的傳播方向上，柱體半徑以r。為基準半徑，其兩邊依次Wrn=r<]±nA遞增或遞減，達到最大后再以此規律遞減或遞增，垂直于波傳播方向介質柱半徑均勾不變，形成mXn (m多1，η多3)的復式晶胞結構。其中，r。為基準柱體的的半徑，rn為其兩邊柱體半徑，△為變化的步長。
[0012]該二維光子晶體結構的一種設計為Γ(5=0.15a,步長Δ =0.0353a時，帶隙率為41.04%，其中a為晶格常數。
[0013]本發明的優點是:
本發明的結構為在以類聚乙烯組成的低介電常數背景材料中，填充高介電常數的類硅材料構成光子晶體。在波的傳播方向上，高介電常數的柱體半徑以一定的步長線性變化，先逐漸增大，再以此步長逐漸減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。本發明構建的光子晶體，低介電常數的背景材料采用類聚乙烯材料，高介電常數的介質圓柱為類娃材料。
[0014]與現有技術相比，本發明的結構相比于傳統正四邊形結構帶隙寬度大大提高。同種材料構成的標準正四邊形結構的相對帶隙寬度為21.73%左右，本發明結構的相對帶隙寬度可達41.04%，帶隙率提高了幾乎一倍；相比于復式結構等，結構簡單，沒有引入其他形式的柱體，只是在傳統正四邊形結構中變化柱體半徑；選用材料均為常見材料，價格低廉容易制備，使用者可以根據需要調節材料和結構參量，選取所需的禁帶范圍，對二維光子晶體的設計、制備和應用具有重要價值。以上優勢為光子晶體的設計和光信息器件的制備和應用提供了參考。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的二維漸變結構的光子晶體結構示意圖；
圖2為本發明二維漸變結構的一個單元；
圖3為所述的單元在電磁波傳播方向上的結構圖；
圖4為正四邊形結構光子晶體和本發明的二維漸變結構的光子晶體透射率圖譜。
[0016]圖中:a為晶格常數，r。為基準柱體的半徑，r n為其兩邊柱體半徑。
【具體實施方式】
[0017]下面通過附圖來詳細說明本發明的實施方式。
[0018]參見圖1-圖4，本發明為一種線性漸變結構的二維光子晶體，包括一種低介電常數的平板基質I和另一種高介電常數的圓柱體介質2，高介電常數柱體介質2填充在低介電常數平板基質I內，每個原胞中柱體介質2的半徑以一定的步長線性變化，沿電磁波傳播方向(圖中橫向)高介電常數的柱體介質2的半徑先線性增大，再線性減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。
[0019]該二維光子晶體結構中，低介電常數的平板基質I為聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，高介電常數的圓柱體介質2為硅材料或陶瓷材料，類硅材料填充在聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中形成二維漸變結構光子晶體。
[0020]在波的傳播方向上，柱體介質2半徑以r。為基準半徑，其兩邊依次以r n=r0 土 η Δ遞增或遞減，達到最大后再以此規律遞減或遞增，垂直于波傳播方向均勻不變，形成1X4的復式晶胞結構。其中，4=0.la~0.3a為基準柱體介質的半徑，rn為其兩邊柱體介質的半徑，Δ =0.0la-0.05a為變化的步長。
[0021]由于設計的初衷使本發明結構工作在微波波段，故以上設計可以采用機械切割法、注模/脫模法等方法制備。
[0022]如圖2所示制備該結構:背景材料低介電常數的平板基質I為聚甲基丙烯酸甲酯，高介電常數的圓柱體介質2為類硅材料，組成5X8的單元晶胞結構A。
[0023]如圖3所示在波的傳播方向(箭頭N)上，柱體介質2的半徑以r。為基準，以Δ為步長向兩邊遞增或遞減，達到r7后依次減小，垂直于波傳播方向上均勻。兩個方向上兩個柱體介質2的中心間距均為a=l.5cm，組成(3~5)X8的單元晶胞結構A，以多個(比如4個)此單元晶胞結構A組成如圖1所示的漸變結構。
[0024]二維漸變結構的優化過程:利用HFSS軟件進行仿真，當給定了晶格常數a，通過改變漸變結構的步長A，尋得達到最大帶隙時的結構參量。
[0025]當Δ =0.0353a時，帶隙率達到了最大的41.04%且帶隙特性完美。如圖4所示，結果相對于常規的標準正四邊形結構，帶隙率提高了近一倍。
[0026]本發明所述的二維線性漸變結構的光子晶體結構及優化的實例，僅為了進一步說明發明的方案、效果。上述內容僅用于示例，研究人員可以根據需要修改介質材料和結構參量。因此，凡在本發明的方法、原則之內所做的修改，均仍屬于發明技術方案保護范圍之內。
【主權項】
1.一種線性漸變結構的二維光子晶體，其特征在于:所述的光子晶體結構包括一種低介電常數的平板基質和另一種高介電常數的柱體介質，高介電常數的柱體介質填充在低介電常數的平板基質內，每個單元中柱體介質的半徑以一定的步長線性變化，沿電磁波傳播方向高介電常數柱體半徑先線性增大，再線性減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。2.根據權利要求1所述的線性漸變結構的二維光子晶體，其特征在于，所述的高介電常數的柱體介質為類硅或陶瓷材料，低介電常數的平板基質為聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯類材料。3.根據權利要求1所述的線性漸變結構的二維光子晶體，其特征在于，在波的傳播方向上，所述的柱體介質半徑以r。為基準半徑，其兩邊依次以r n=r0±n △遞增或遞減，達到最大后再以此規律遞減或遞增；垂直于波傳播方向柱體介質的半徑不變，形成mXn (m ^ I,η ^ 3)的復式晶胞結構；波傳播方向和垂直于波傳播方向上相鄰兩個柱體介質的距離均為a ;其中，r。為基準柱體介質的半徑，r n為其兩邊柱體介質的半徑，△為變化的步長，a為晶格常數。4.根據權利要求3所述的線性漸變結構的二維光子晶體，其特征在于，所述的r0=0.la~0.3a,步長Δ =0.0la-0.05a時，其相對帶隙寬度達50%~100%，是同等配置下標準周期結構光子晶體帶隙寬度的2~5倍。
【專利摘要】一種二維線性漸變結構光子晶體，包括由低介電常數材料為基質，高介電常數材料柱體嵌入所述基質材料中，呈正四邊形分布，在空間上周期排列而成。每個單元原胞中，柱體半徑以一定的步長在波的傳播方向上呈線性遞增或遞減，垂直于波傳播方向柱體半徑不變，兩個方向上柱體中心距均為晶格常數。本發明通過優化結構參量，在較低介質比的情況下，相對帶隙寬度是標準正四邊形結構的近200%；在更高介質比的情況下帶隙寬度可達標準結構的2~5倍。本發明相對于傳統結構，帶隙率提高很大，相對于其他復式結構，設計簡單，使用者可以根據需要調節材料和結構參量，選取所需的禁帶范圍，對二維光子晶體的設計、制備和應用具有重要價值。
【IPC分類】G02B6/122
【公開號】CN105204116
【申請號】CN201510659759
【發明人】施建章, 李巨波, 祝琳, 蘇婷, 馬咪, 李高鋒
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月14日