[发明专利]一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构

说明书

本发明公开了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置。本发明提出了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，尺寸小，性能稳定，具有更高的Q值和更低的模式体积V。

技术领域

本发明公开了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，涉及光学器件技术领域。

背景技术

光子晶体是一种人工制成的，结构极小的，具有一定的周期性，由有着不同折射率的介质排列而成的微型结构；根据其介电常数周期性排列的维度不同，可以将光子晶体分为三种，即一维光子晶体，二维光子晶体，三维光子晶体。

一维光子晶体是一种最简单的光子晶体，是由不同介电常数的材料层交叠而成，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在另外两个平行于介质层面方向上介电函数不会随着空间位置变化。在这种结构中，它的缺陷态可以局域光的能量。

光子晶体纳米梁腔是一种典型的光子晶体微腔，其通过在一维光子晶体中人为引入缺陷以破坏原有结构的周期性，使得原本处于禁带中无法传播的特定频率的光(通常称之为谐振频率)能够通过光子晶体，从而构成了所谓的谐振腔结构。其中品质因子Q和模式体积V是两个衡量光子晶体性能的重要指标。

但现有的技术很难同时满足高品质因子Q和低模式体积V。如Judson D.Ryckman和S.M.Weiss[3]提出的狭缝型的一维光子晶体纳米梁微腔拥有极小的模式体积，但品质因子Q较低，只有10⁴级别。Yiyang Gong和Jelena[4]发明的介质孔为矩型的一维光子晶体纳米梁微腔的模式体积较大，为2.0(λ/n)³,Q值也仅仅为16000。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，结构精巧，性能稳定。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构。

进一步的，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置，菱形空气孔具有更好的封闭性，使得光能更加集中，光场高度集中于波导中间位置；波导两端加装的一段圆形空气孔作为分布式布拉格反射镜(DBR)，DBR是由高、低折射率材料交替排列组成的高反射膜，能够反射光能；在波导两端加入DBR有助于减少波导耦合消耗，并且形成反射，使得更多的光能储存在波导中，提高了品质因子。

进一步的，所述的锥形渐变区的菱形空气孔的半径由中间向两侧增大，且菱形空气孔的半径变化呈抛物线形，显著减小了辐射损耗，从而大大提高了一维光子晶体的品质因子Q。

进一步的，所述菱形空气孔的半径渐变函数为：

R_i＝R_c+(R_e-R_c)*(i-1)²/(M-1)²

其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；M为单侧菱形空气孔的总个数，2M为菱形空气孔的总个数，R_c为最接近中心线的菱形空气孔的半径，R_e为中心线最外侧菱形空气孔的半径，R_i为第i个菱形空气孔的半径。