專利名稱：一種調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法
技術領域：
本發(fā)明屬光子晶體技術領域，具體涉及一種調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法。
背景技術：
本發(fā)明基于光子晶體理論(參見Phys.Rev.Lett.58，p.2059，1987及J.D.Joannopoulos，R.D.Meade，and J.N.Winn，Photonic CrystalsMolding the Flow of Light(Princeton Univ.Press，NJ，1995).)。光子晶體是八十年代末提出來的新概念和新材料，其基本思想是同半導體中的電子一樣，光波或電磁波在周期性的介電結構中傳播時，由于周期結構帶來的影響，也會形成能帶結構，即光子能帶；帶與帶之間可能存在帶隙，即光子帶隙，具有光子帶隙的周期性介電結構就是光子晶體。如果光波的頻率正好處在帶隙中，具有這種頻率的光是無法在該種結構中傳播。光子晶體最大的特點是能夠控制光波或電磁波的流動，由此可以帶來許許多多新的應用。由于其具有的特殊性能，科學家近年來一直在研究其新結構和特性。如何利用光子晶體的特殊性能來制作高性能和新型光子器件、光通訊器件是世界學術界和產業(yè)界的熱點之一。
一個由不同介質構成的結構，就是一個介電常數(shù)ε隨空間變化的函數(shù)，當這種變化呈周期性時，就被稱為光子晶體。根據(jù)空間對稱性的維度，可分為一維、二維和三維光子晶體結構，分別如圖1的a，b，c圖所示。光子在光子晶體中傳播服從Maxwell方程組，經過運算可以得到運動方程▿×1ϵ(r)▿×H(r)=ω2c2H(r)]]>這個方程類似電子的薛定諤方程，是線性本征值問題，其解完全由空間變化的介電常數(shù)ε決定。如果介電常數(shù)ε在空間周期性變化，則會形成光子能帶。能帶計算常用的是平面波展開的方法(參見J.D.Joannopoulos，R.D.Meade，and J.N.Winn，Photonic CrystalsMoldingthe Flow of Light(Princeton Univ.Press，NJ，1995).及K.M.Leung and Y.F.Liu，Phys.Rev.Lett.65，2646(1990).等)，即將介電常數(shù)和電場或磁場用平面波展開，最后得到本征值方程。解本征方程即可得到光子能帶。光子晶體的能帶計算可以套用電子能帶的方法，如綴加平面波方法(參見W.C.Sailor，F(xiàn).M.Mueller，and P.R.Villeneuve，Phys.Rev B57，8819(1998).)，在處理雜質情況時，若采用平面波方法，則要用超原胞，需要引入數(shù)目很大的平面波，緊束縛方法(參見E. Lidorikis，M.M.Sigalas，E.N.Economou，and C.M.Soukoulis，Phys.Rev.Lett.81，1405(1998).)可以克服這個困難。后來又發(fā)展了傳輸矩陣方法(參見J.B.Pendrym and A.MacKinnon，Phys.Rev.Lett.69，2772(1992)；J.B.Pendry，J.Mod.Optics41，209(1993)；P.M.Bell，J.B.Pendry，and A.J.Ward，Comp.Phys.Comm.85，306(1995).)，不僅可以計算能帶，而且能得到傳輸率。這個方法對處理有雜質的情況很有效。經常用到的方法還有有限差分時域法(參見A.J.Ward and J.B.Pendry Phys.Rev.B58，7252(1998).)，對計算能帶和處理雜質問題效果很好。對于某些特殊問題，多重散射法(參見L.M.LiandZ.Q.Zhang，Phys.Rev.B58，9587(1998).)效果也不錯。
根據(jù)光子晶體的基本理論和上述已經發(fā)展日趨成熟的各類計算方法，當我們給定一個光子晶體結構，即一個具體的ε跟隨空間位置r變化的函數(shù)，能帶結構就是確定而且可得到的。所以人們能更進一步的進行應用探索，設計各種各樣應用于不同波段的光學器件。在設計的過程中，從應用的角度，通常針對某一個特定的波段尋找需要的光學器件方案，比如光通訊目前主要采用波長為1.5μ廣播進行數(shù)據(jù)傳輸，就要尋找禁帶在1.5μ附近的光子晶體結構，這種結構通常是不唯一的，這時就要根據(jù)加工制作的難易程度選取最優(yōu)方案。通常有兩個考慮因素，首先是介質的選擇，通常至少要兩種具有不同介電常數(shù)的介質，我們盡量要選用那些適于加工，成本較低或其他性質符合要求的介質來構成所需的光子晶體結構；其次是結構的尺度，尺度一是要根據(jù)具體應用情況確定，二是要讓現(xiàn)有的加工技術水平能夠實現(xiàn)。
隨著應用范圍的不斷擴大和人們對新器件功能要求的不斷提高，人們迫切的需要應用波段可以調整的光學器件，比如某種光學器件要求應用于可見光的整個波段，那么波長的覆蓋范圍就覆蓋400nm-800nm，如果采用光子晶體結構實現(xiàn)功能，通常很少具有寬度這么大的禁帶，而且實際的需要可能是要求在這個范圍內變化而不是同時應用于整個這個范圍，因此就面臨一個制作好一個光子晶體器件后，如何能夠盡量簡單的調整其禁帶的位置，這已經成為目前受到應用界廣泛關注的問題。
以前也曾有學者進行過這方面的研究，比如VOLUME 83，NUMBER 5，PRL給出了用液晶材料充當一種介質利用液晶對于電場的反應改變性質從而達到調節(jié)禁帶位置的目的，但這個方案具有禁帶過窄而且實現(xiàn)復雜的不足；VOLUME 85，NUMBER 9，PRL中的方案是利用溫度的變化改變介質的性質，這個方案具有禁帶改變對溫度變化不顯著的不足。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種設計方便，實現(xiàn)簡單的調整光子晶體結構禁帶位置的方法，以滿足光子晶體光學器件的應用波段可以調整的實際需要。
根據(jù)光子晶體的基本理論，改變光子禁帶可以通過兩種途徑實現(xiàn)，一是調整組成光子晶體介質的介電常數(shù)ε，二是調整結構的晶格常數(shù)，所謂晶格常數(shù)就是周期性結構一個基本單元的標度，是一個長度量。當一個器件制造好以后，改變晶格常數(shù)即改變光子晶體結構的大小是很困難而幾乎難以實現(xiàn)的方案，因此便捷的思路是改變介質的介電常數(shù)。改變介質的介電常數(shù)通常也有兩種方法，一是更換介質，二是利用其他外加手段改變已有介質的介電常數(shù)。本發(fā)明采用第一種方法的思路。
因此，本發(fā)明提出的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，是在光子晶體中填充具有不同介電常數(shù)的介質，以改變光子晶體禁帶位置。填充介質的選擇，可根據(jù)需要調整的波段，而選擇相應介電常數(shù)ε的介質。
具體而言，設計的光子晶體結構中至少有一種介質為空氣，情況可以是在介質中周期性分布的空腔或者介質周期性的排列在空氣襯底中，空氣的介電常數(shù)ε為1，所以這種光子晶體同樣具有特定的禁帶位置，當需要變化禁帶位置時，按本發(fā)明方法可以向光子晶體結構中填充具有特定介電常常數(shù)的液體，如水(ε＝1.77)，甘油(ε＝2.25)等等，液體將占據(jù)原來空氣的位置，因此光子晶結構的構成發(fā)生改變，ε隨空間變化的函數(shù)發(fā)生改變，因此其禁帶位置也就發(fā)生了改變，需要調整到什么波段，只需填充相應ε值的液體。由于計算方法已經發(fā)展的很成熟，因此該結構的各種參數(shù)和填充液體的介電常數(shù)都能夠預先確定。換到其他波段時，只需排干原先的液體然后再填充具有其他介電常數(shù)的液體。
按照本發(fā)明方法，我們還可以根據(jù)應用情況的不同，選擇注入法或浸入法。所謂注入法是將光子晶體結構固定，控制液體，使其注入光子晶體結構。所謂浸入法是將光子晶體結構浸入盛有液體的容器，使液體填充光子晶體結構，來調整光子晶體結構的禁帶位置。分別浸入盛有不同液體的容器，就可以得到不同的調整幅度。
本發(fā)明方法中，所述的光子晶體結構可以是一維的，也可以是二維的，或者是三維的。
本方法具有實現(xiàn)簡便，理論設計簡單的優(yōu)點。
圖1光子晶體示意圖。
圖2實施例1光子晶體結構示意圖。
圖3實施例1禁帶改變情況。
圖4實施例2光子晶體結構示意圖。
圖5實施例2禁帶改變情況。
圖中標號10為實施例1的二維光子晶體結構，11為介質柱，12為例1中未填充介質時的禁帶曲線，13為例1中填充甘油介質后的禁帶曲線，14為例1中填充介電常數(shù)為4的液體介質時的禁帶曲線，20為實施例2的二維光子晶體結構，21為介質板，22為空氣孔，23為例2的禁帶曲線，24為例2中填充甘油介質后的禁帶曲線，25為例2中填充介電常數(shù)為4的液體介質后的禁帶曲線。
具體實施例方式
為更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)結合實施例和附圖，進行更為具體的說明。
這里以兩維光子晶體為例，分別給出介質柱在空氣襯底和在介質襯底上打空氣孔兩種結構。根據(jù)光子晶體基本理論，可推知只要存在禁帶，改變其中一種或幾種介質區(qū)域的介電常數(shù)，禁帶位置必然移動，因此以下給出的兩個實施例的結果可以自然地推廣到一維和三維領域，以及不同種類周期性結構的情況。
另外，根據(jù)光子晶體基本理論，對于相同的結構，如果僅僅改變晶格常數(shù)(即把結構等比放大或縮小)，禁帶形狀和分布規(guī)律不會變化，變化的僅僅是禁帶的位置，比如，某種結構禁帶位于600納米，當把晶格常數(shù)擴大10倍，即將這種結構等比放大10倍，禁帶位置將向長波長方向移動(并不是也移動10倍)，具體移動多少，都是可以根據(jù)成熟的理論和計算方法進行確定，同樣道理，等比縮小結構時，禁帶位置將向底波長方向移動。因此，根據(jù)下列實施例說述的結構，可自然地推廣到不同晶格常數(shù)所對應的不同應用波段光子晶體結構。
實施例1光子晶體結構如圖2所示，為一個二維光子晶體結構10，介質柱11按照正方格子排列在空氣襯底中，光的入射方向由圖中的箭頭表示，介質柱11的介電常數(shù)為8，晶格常數(shù)為150納米，沿光入射方向有八個周期。該結構的第一禁帶如圖3曲線12所示，圖3的橫坐標為波長，縱坐標為反射率，反射率很高意味著光無法穿過光子晶體結構，就表明禁帶的位置，因此有曲線12可知，結構10的第一禁帶位置大概在400納米；現(xiàn)在向結構中填充甘油，其介電常數(shù)為2.25，甘油將填充原來空氣的空間，相應區(qū)域的介電常數(shù)就變更為2.25，這種情況下禁帶位置如曲線13所示，可知禁帶已經移動到550納米附近；如果填充介電常數(shù)為4的液體，由曲線14可知，禁帶移動到了660納米附近。
實施例2在本實施例中，光子晶體結構如圖4所示，為一個二維光子晶體結構20，在一塊介質板21上按照正方格子排列鉆空氣孔22，光的入射方向由圖中的箭頭表示，介質板21的介電常數(shù)為8，晶格常數(shù)為150納米，沿光入射方向有4個周期。該結構的第一禁帶如圖5曲線23所示，圖5的橫坐標為波長，縱坐標為反射率，反射率很高意味著光無法穿過光子晶體結構，就表明禁帶的位置，因此有曲線23可知，結構20的第一禁帶位置大概在530納米；現(xiàn)在向結構中填充甘油，介電常數(shù)為2.25，甘油將填充原來空氣的空間，相應區(qū)域的介電常數(shù)就變更為2.25，這種情況下禁帶位置如曲線24所示，可知禁帶已經移動到610納米附近；如果填充介電常數(shù)為4的液體，由曲線25可知，禁帶移動到了700納米附近。
權利要求
1.一種調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，所述的光子晶體結構中至少有一種介質為空氣，其特征在于通過向所述光子晶體結構填充具有特定介電常數(shù)的液體代替原先空氣所在空間，從而改變所述光子晶體結構的禁帶位置。
2.根據(jù)如權利要求1所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，所述光子晶體結構為一維光子晶體結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，所述光子晶體結構為二維光子晶體結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，所述光子晶體結構為三維光子晶體結構。
5.根據(jù)權利要求3所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，所述光子晶體結構由介質柱(11)按照正方格子排列在空氣襯底中，所述介質柱(11)的介電常數(shù)為8，結構晶格常數(shù)為150納米，沿光入射方向有8個周期。
6.根據(jù)權利要求3所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，所述光子晶體結構為在一塊介質板(21)按照正方格子鉆空氣孔(22)，所述介質板(21)的介電常數(shù)為8，結構晶格常數(shù)為150納米，沿光入射方向有4個周期。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，光子晶體結構固定，控制液體使其注入光子晶體結構。
8.根據(jù)權利要求5或6所述的調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，其特征在于，控制光子晶體結構使其浸入盛有液體的容器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種調節(jié)光子晶體禁帶位置的方法，適用的光子晶體結構中有一種介質為空氣。當需要變化禁帶位置時，向光子晶體結構中填充具有不同介電常常數(shù)的液體，如水ε＝1.77，甘油ε＝2.25，液體將占據(jù)原來空氣的位置，因此光子晶結構的構成發(fā)生改變，ε隨空間變化的函數(shù)發(fā)生改變，因此其禁帶位置也就發(fā)生了改變。需要調整到什么波段，只需填充相應ε值的液體，由于計算方法已經發(fā)展的很成熟，因此該結構的各種參數(shù)和填充液體的介電常數(shù)都能夠預先確定。換到其他波段時，只需排干原先的液體然后再填充具有其他介電常數(shù)的液體。
文檔編號G02F1/13GK1558266SQ20041001609
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權日2004年2月3日
發(fā)明者資劍, 劉曉晗, 余心迪, 李乙洲, 傅榮堂, 資 劍 申請人:復旦大學