圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體拐彎波導(dǎo)，尤其是圓孔式低折射率介質(zhì)柱和高折射率背景介質(zhì)正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002]1987年，美國Bell實驗室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射和Princeton大學(xué)的S.John在討論光子區(qū)域各自獨立地提出了光子晶體(PC)的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。光子晶體對光的傳播具有較強、靈活的控制能力，不僅對直線式傳導(dǎo)，而且對銳利的直角，其傳導(dǎo)的效率也很高。如果在PC結(jié)構(gòu)中引入一個線缺陷，創(chuàng)建一個導(dǎo)光的通道，稱為光子晶體光波導(dǎo)(PCW)。這種波導(dǎo)即使在90°的轉(zhuǎn)角處也只有很小的損失。與基本的全內(nèi)反射的傳統(tǒng)光波導(dǎo)完全不同，它主要利用缺陷態(tài)的導(dǎo)波效應(yīng)，缺陷的引入在光子帶隙(PBG)中形成新的光子態(tài)，而在缺陷態(tài)周圍的光子態(tài)密度為零。因此，光子晶體光波導(dǎo)利用缺陷模式實現(xiàn)光傳輸不會產(chǎn)生模式泄漏，光子晶體光波導(dǎo)是構(gòu)成光子集成光路的基本器件，光子晶體拐彎波導(dǎo)可以提聞光路集成度，與之相關(guān)的研究對于集成光路的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有極低的反射率和非常高的傳輸率的圓孔式正方晶格光子晶體高折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。
[0005]本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)由低折射率的第一介質(zhì)柱在高折射率背景介質(zhì)中按正方晶格排列而成的光子晶體，在所述光子晶體中移除一排和一列低折射率的第一介質(zhì)柱以形成直角波導(dǎo)；在所述直角波導(dǎo)的兩個拐彎處分別設(shè)置低折射率的第二、三介質(zhì)柱；所述第二、三介質(zhì)柱為補償散射柱；所述第二、三補償散射柱為低折射率柱或空氣柱；所述第一介質(zhì)柱為低折射率圓形柱或空氣孔。
[0006]所述第二、三介質(zhì)柱為半圓形低折射率柱或者空氣孔、弓形低折射率柱或者空氣孔、圓形低折射率柱或者空氣孔、三角形低折射率柱或者空氣孔、多邊形低折射率柱或者空氣孔、或橫截面輪廓線為圓滑封閉曲線的低折射率柱或者空氣孔。
[0007]所述第二、三介質(zhì)柱分別為半圓形低折射率柱或者空氣孔。
[0008]所述高折射率背景介質(zhì)的材料為硅、砷化鎵、二氧化鈦，或者折射率大于2的介質(zhì)。
[0009]所述高折射率背景介質(zhì)材料為硅，其折射率為3.4。
[0010]所述低折射率背景介質(zhì)為空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介質(zhì)。
[0011]所述低折射率背景介質(zhì)為空氣。
[0012]所述直角波導(dǎo)為TE工作模式波導(dǎo)。
[0013]所述直角波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的面積大于或等于7aX7a，所述a為光子晶體的晶格常數(shù)。
[0014]本發(fā)明的光子晶體光波導(dǎo)器件能廣泛應(yīng)用于各種光子集成器件中。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下積極效果。
[0015]1.本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散柱直角波導(dǎo)有極低的反射率和非常高的傳輸率，這為光子晶體的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。
[0016]2.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)基于多重散射理論，通過雙低折射率補償散射柱對其內(nèi)傳輸?shù)墓獠▽崿F(xiàn)相位和幅度的補償，以降低反射率，提升透射率，該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)低反射率和高透射率。
[0017]3.本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)基于正方晶格結(jié)構(gòu)，可用于大規(guī)模集成光路設(shè)計中，光路簡潔，便于設(shè)計，利于大規(guī)模光路集成。
[0018]4.本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)基于正方晶格結(jié)構(gòu)，使得光路中不同光學(xué)元件之間以及不同光路之間易于實現(xiàn)連接和耦合，有利于降低成本。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)的核心區(qū)域示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)的歸一化頻率——傳輸特性圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的闡述。
[0022]如圖1所示，為本發(fā)明的圓孔式正方晶格光子晶體低折射率雙補償散射柱直角波導(dǎo)，它由低折射率的第一介質(zhì)柱在高折射率背景介質(zhì)中按正方晶格排列而成的光子晶體，在所述光子晶體中移除一排和一列高折射率的第一介質(zhì)柱以形成直角波導(dǎo)；在所述直角波導(dǎo)的兩個拐彎處分別設(shè)置高折射率的第二、三介質(zhì)柱，所述的第二、三介質(zhì)柱分別為補償散射低折射率介質(zhì)柱或空氣孔，產(chǎn)生補償反射波與波導(dǎo)本征反射波相抵消；所述補償散射介質(zhì)柱還可以采用各種各樣的形狀，例如:所述第二、三介質(zhì)柱為半圓形低折射率柱或者空氣孔、弓形低折射率柱或者空氣孔、圓形低折射率柱或者空氣孔、三角形低折射率柱或者空氣孔、多邊形低折射率柱或者空氣孔、或橫截面輪廓線為圓滑封閉曲線的低折射率柱或者空氣孔。所述第二、三介質(zhì)柱分別為半圓形低折射率柱或者空氣孔。所述高折射率背景介質(zhì)的材料為硅、砷化鎵、二氧化鈦，或者折射率大于2的介質(zhì)。所述低折射率背景介質(zhì)可以采用空氣、真空、氟化鎂、二氧化硅，或者折射率小于1.6的介質(zhì)。
[0023]根據(jù)以上結(jié)果給出如下6個實施例:
[0024]實施例1.所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a ;低折射率的第一介質(zhì)柱為空氣圓柱(或稱之為空氣孔)，該空氣柱的半徑為0.495a ;波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓獠O化形式為TE波；所述第二、三介質(zhì)補償散射柱為半圓形空氣柱或稱之為半圓形空氣孔；第二介質(zhì)柱，即左上角半圓形補償散射空氣柱的半徑為0.33301a ;其以原點為基準(zhǔn)在X向和Z向的位移分別為1.62153a和2.10378a，其旋轉(zhuǎn)角度為205.199158度，旋轉(zhuǎn)角的參考軸為水平右向軸，旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，X軸方向為水平向右，Z軸方向為垂直向上；第三介質(zhì)柱即右下角半圓形補償散射空氣柱的半徑為0.18591a ;其以原點為基準(zhǔn)在X向和Z向的位移分別為0.4523a和0.53514a，其旋轉(zhuǎn)角度為250.721844度；光源距離原點的X向和Z向的位移為(-3.18a，0);入射光的初始相位為150.5度。所述高折射率背景介質(zhì)為硅(Si)，其折射率為3.4 ;所述低折射率介質(zhì)為空氣。所述光子晶體直角波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸為15aX 15a，此時所述的光子晶體直角波導(dǎo)的回波損耗譜和插入損耗譜如圖2所示，該圖的橫軸部分是該結(jié)構(gòu)的工作頻率，縱軸部分則是其傳輸特性，圖中的虛線為該結(jié)構(gòu)的回波損耗(定義為Lk = -1Olog(P1ZP1)),而實線則為其插入損耗(定義為!^ = -1Olog(PyP1)),其中的P1為該結(jié)構(gòu)的入射功率，Pe為該結(jié)構(gòu)的反射功率，Pt為該結(jié)構(gòu)的透射功率。在歸一化頻率為0.3(coa/2 π c)處，光子晶體直角波導(dǎo)的最大回波損耗為43.2dB和最小插入損耗為0.0004dB。
[0025]實施例2.所述正方晶格光子晶體的晶格常數(shù)為a為0.465微米，使最佳歸一化波長為1.4微米，低折射率的第一介質(zhì)柱為空氣圓孔，該空氣孔的半徑為0.230175微米；波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓獠O化形式為TE波；所述第二、三介質(zhì)補償散射柱為半圓形空氣孔；第二介質(zhì)柱，即左上角半圓形補償散射空氣柱的半徑為0.154851微米；其以原點為基準(zhǔn)在X向和Z向的位移分別為0.754013微米和0.978261微米，其旋轉(zhuǎn)角度為205.199158度，旋轉(zhuǎn)角的參考軸為水平右向軸，旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，X軸方向為水平向右，Z軸方向為垂直向上；第三介質(zhì)柱，即右下角半圓形補償散射空氣柱的半徑為0.086451微米；其以原點為基準(zhǔn)在X向和Z向的位移分別為0.210320微米和0.248844微米，其旋轉(zhuǎn)角度為250.721844度；光源距離原點的X向和Z向的位移為(-1.4787，O)(微米)；入射光的初始相位為150.5度。所述的高折射率背景介質(zhì)為硅(Si)，其折射率為3.4 ;所述低折射率介質(zhì)為空氣。所述光子晶體直角波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸為15aX 15a，此時光子晶體直角波導(dǎo)的最大回波損耗為
2.884186dB和最小插入損耗為3.66688dB。
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