[发明专利]二维光子晶体平板、设计方法及利用此平板的光器件

说明书

本发明涉及一种二维光子晶体平板、设计方法以及利用此平板的光器件。所述二维光子晶体平板包括上包层、下包层和位于所述上包层和所述下包层之间的二维光子晶体核心层。二维光子晶体核心层为有限高的二维光子晶体。所述二维光子晶体平板具有完全光子带隙，其位于上包层和下包层所确定的包层光线以及二维光子晶体平板的类TE模式的最低阶光子能带曲线下方并位于类TM模式的最低阶光子能带曲线上方，并且所述有限高的二维光子晶体所对应的无限高理想二维光子晶体在TM模式的最低阶能带曲线与第二低阶能带曲线之间具有TM偏振态的光子带隙。所述二维光子晶体平板可以在最大折射率比较低的情况下形成完全光子带隙。

技术领域

本发明涉及二维光子晶体平板及其设计方法、以及利用二维光子晶体平 板形成的光器件，尤其涉及一种对特定波长范围的电磁波形成完全光子带隙 的二维光子晶体平板，以及利用此类二维光子晶体平板形成的光波导、谐振 器等光器件。

背景技术

光子晶体中的光子带隙现象能够使得在某一频率范围内的诸如光的电磁 波不能在光子晶体的周期性结构中传播。在具有光子带隙的光子晶体中引入 合适的缺陷，将会在光子带隙区中产生特定的缺陷模式，只有相应于这个模 式的特定频率的电磁波能够在缺陷中出现。通常，在光子晶体中形成点缺陷 来产生诸如谐振器之类的光器件，形成线缺陷来产生诸如波导之类的光器件， 也可以同时形成点缺陷和线缺陷产生功能更强大的光器件。

根据对光偏振控制能力的不同，可以将理想二维光子晶体的光子带隙类 型分为三种：不支持TE模式的TE带隙、不支持TM模式的TM带隙和同时 既不支持TE模式也不支持TM模式的完全光子带隙。完全光子带隙因为能 同时对两种偏振的光进行限制，对光的限制能力更强，因而能以此为基础设 计各种偏振有关的光器件。一般而言，光子带隙宽度越宽，光子带隙对光的 控制性能越强。例如，光子带隙越宽，控制光工作的频带越宽、传输损耗越小，光子晶体谐振器或激光器的品质因子越高，对自发辐射的约束效果越好， 光子晶体反射镜的反射效率越高。

然而，理想二维光子晶体中的完全带隙通常要求由较高折射率比的光学 材料来构成光子晶体。例如，据非专利文献Oskooi,A.F.,Joannopoulos,J.D., and Johnson,S.G.:‘Zero-group-velocity modes in chalcogenide holey photonic- crystalfibers’,Opt Express,2009,17,(12),pp.10082-10090和美国专利文献US 2010/0221537A1所说明，对三角晶格的连接圆柱型理想二维光子晶体，当圆 柱杆半径为0.16a(a为光子晶体的晶格常数)，连接杆宽度为0.2a时，在光 子晶体中的柱体与填充材料的折射率比为2.8:1时，获得最大5.4％的优化归 一化完全光子带隙宽度；当折射率比低于2.6:1时，完全光子带隙在这种理想 二维光子晶体中消失。再例如，据非专利文献Cerjan,A.,and Fan,S.:‘Complete photonic band gaps in supercell photonic crystals’,PHYSICALREVIEW A,2017, 96,pp.051802(R)中所说明，对三角晶格的连接六边形环形超元胞二维光子晶 体，在折射率比为2.4:1时，获得最大8.6％的优化归一化完全光子带隙宽度； 当折射率比低于2.1:1时，完全光子带隙在这种理想二维光子晶体中消失。本 公开中的折射率比为构成光子晶体或光子晶体平板的所有材料中的最大折射 率值和最小折射率值的比值。