一維級聯(lián)等離子體光子晶體及其全方位帶隙最大化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種擴大一維光子晶體全方位帯隙的設計方法，特別適用于級聯(lián)結構 的一維等離子體光子晶體及其全方位帯隙最大化設計方法，以實現(xiàn)具有最大全方位帯隙的 全方位反射器。
【背景技術】
[0002] 20世紀80年代末，John和Yablonovitch首次在國際上提出了光子晶體（PC)的 概念。光子晶體是一種與波長具有相同量級的周期性人工介電結構，由于其獨特的光子帯 隙和光子局域特性，一經提出很快成為了研究者的研究熱點，在濾波器、激光器、光開關等 眾多領域有廣泛的應用。通過合理地設計，光子晶體將具有在任何入射角度對橫電波和橫 磁波都禁止的光子帯隙，具有這一特性的光子晶體被稱為全方位反射器。獲得更寬的全方 位光子帯隙是研究者努力追求的目標。
[0003] -維光子晶體具有結構簡單、容易實現(xiàn)、易于集成和插入損耗小等優(yōu)點成為如今 研究最為廣泛和實際應用的光子晶體。一維光子晶體結構的全方位反射器目前主要通過以 下幾種方式進行設計：一方面，通過引入負折射率材料、等離子體材料等特殊材料來擴大光 子帯隙，從而設計實現(xiàn)全方位反射器；另一方面，可通過采用新穎的結構、如異質結構(級聯(lián) 結構)、斐波拉切序列結構、Thue-Morse序列結構等實現(xiàn)全方位反射器。
[0004] 采用異質結構是實現(xiàn)一維光子晶體全方位反射器的主要方式之一。其中基于該 結構的全方位反射器的設計方法主要有兩種。在先技術[1](參見JournalofModern Optics, 2013，60(20): 1804-1812)針對一維光子晶體異質結構進行研究，給出了該結構 全方位光子帶隙的最大展寬條件，基于該設計條件可設計實現(xiàn)具有最大光子帯隙寬度的全 方位反射器。該方法的設計思想是前一光子晶體的帯隙上限要和后一光子晶體的帶隙下限 在最大入射角時重合。但該在先技術考慮的只是相級聯(lián)PC的第一個帯隙，未考慮后面第 二、第三等帯隙，因而光子晶體的帯隙沒有充分利用，全方位反射帯隙還可以進一步擴大。
[0005] 在先技術[2](參見PhysicsLettersA, 2014, 378 (18)，1326 - 1332)對一維三 元光子晶體產生全方位帶隙的條件進行了詳細的闡述，但是該技術所討論的方法只適用于 一般的常規(guī)材料的一維光子晶體(此類光子晶體材料的折射率為常數(shù))，對于其它特殊材料 構成的光子晶體，如等離子體光子晶體，由于等離子材料的特殊性，其介電常數(shù)隨頻率的變 化而變化，從而該材料的折射率也隨頻率的變化而變化的情況則不適用。
[0006]

【發(fā)明內容】
： 本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術的不足，提出一種級聯(lián)等離子體光子晶體及其 全方位帯隙最大化設計方法，且基于該方法設計實現(xiàn)的全方位反射器具有最大的全方位帯 隙。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明針對由電介質層和等離子體層交替構成的一維光子晶體 的級聯(lián)結構，采用充分利用PC的多個帯隙的設計思想，通過使相級聯(lián)的PC的多個帯隙在 所有的入射角范圍內對TM和TE的所有偏振態(tài)光都能夠彼此銜接來進行。以兩個PC級聯(lián) 為例，要求在所有的入射角范圍內對TM和TE的所有偏振態(tài)光，PC2的第一個帯隙的下限與PC1的第一個帯隙的上限相銜接，PC2的第一個帯隙的上限與PC1的第二個帯隙的下限相銜 接，PC2的第二個帯隙的下限與PC1的第二個帯隙的上限相銜接，PC2的第二個帯隙的上限 與PC1的第三個帯隙的下限相銜接，依次類推。
[0008] 根據(jù)上述的發(fā)明構思，本發(fā)明的具體技術解決方法如下： 一種級聯(lián)的等離子體光子晶體，由電介質層和等離子體層交替疊合構成，其特征在于： 充分利用PC的多個帯隙，通過使n個相級聯(lián)的PC的n個帯隙在所有的入射角范圍內對TM 和TE的所有偏振態(tài)光都能夠彼此銜接來進行。在所有的入射角范圍內對TM和TE的所有 偏振態(tài)光，PC2的第一個帯隙的下限與PC1的第一個帯隙的上限相銜接，PC2的第一個帯隙 的上限與PC1的第二個帯隙的下限相銜接，PC2的第二個帯隙的下限與PC1的第二個帯隙 的上限相銜接，PC2的第二個帯隙的上限與PC1的第三個帯隙的下限相銜接，依次類推至n 級PC，n為除零外的自然數(shù)。
[0009] -種一維級聯(lián)等離子體光子晶體的全方位帶隙最大化設計方法，其特征在于：第 一步，根據(jù)已知前一PC的結構參數(shù)得到正入射時其第一個、第二個，……，第n個帯隙的上 限和下限；第二步，按照相級聯(lián)的PC的多個帯隙彼此能夠銜接，確定正入射時后一PC的第 一個帯隙、第二個帯隙，……，第n個帯隙的上限和下限位置區(qū)域；第三步，調節(jié)后一PC的 結構參數(shù)，通過使后一PC的各帯隙位置滿足上步確定的各帯隙的上限和下限位置區(qū)域，從 而初步確定后一PC的結構參數(shù)；第四步，判斷在所有入射角范圍內，當后一PC的結構參數(shù) 為上步初步確定的結構參數(shù)時，對TM和TE的所有偏振態(tài)的光是否后一PC的各帯隙的上限 和下限始終仍能與前一PC的帯隙彼此相銜接。若是，則該參數(shù)為最終確定的后一PC的結 構參數(shù)；反之，則回到上面第三步，繼續(xù)調節(jié)后一PC的結構參數(shù)，直到該參數(shù)滿足第四步的 條件，從而最終確定后一PC的結構參數(shù)完成具有最大光子帯隙的全方位反射器的設計。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點： 與在先技術[1]的只考慮相級聯(lián)PC的第一個帯隙的情況不同，本發(fā)明設計方法基于的 是相級聯(lián)PC的多個帯隙彼此相互銜接的思想，因而較在先技術[1]設計得到的全方位光子 帯隙更寬。相比在先技術[2]的只適用于常規(guī)材料構成的一維光子晶體級聯(lián)結構不同，本 發(fā)明方法對特殊的等離子體材料的光子晶體級聯(lián)設計也同樣適用。
[0010] 綜上，本發(fā)明設計方法適用于等離子體光子晶體級聯(lián)結構，且基于該方法設計得 到的全方位反射器具有最大的全方位光子帯隙。
[0011]
【附圖說明】： 圖1為一維異質結構光子晶體的結構示意圖。其由n個PC級聯(lián)構成，每個PC由a和b兩種材料介質層周期性交替構成。PCI的a、b介質的折射率分別以nla和nlb表示，厚度分 別以dla和dlb表示；PC2的a、b介質的折射率分別以n2a和n2b表示，厚度分別以d2a和d2b表 示；依此類推，PCn的a、b介質的折射率分別以nna和nnb表示，厚度分別以dna和dnb表示。
[0012] 圖2為實施例PCI的反射譜。
[0013] 圖3為正交入射時d2a分別為6mm(a圖）、4mm(b圖）和3mm(c圖）時，PC2的第 一個帯隙的上限頻率f21H (實線表示)、下限頻率(帶有菱形圖案的實線表示)隨d2b的變 化。其中上下兩條水平虛線分別為頻率等于fia=25. 33GHz的情況和等于f11H=16. 43GHz的 情況。
[0014] 圖4分別為對TM偏振光（a圖)和TE偏振光（b圖），當d2a=3mm和d2b=2mm時，PCI 的第一個帯隙上限頻率f11H、第二個帯隙下限頻率和PC2的第一個帯隙下限頻率第 一個帯隙上限頻率f21H隨入射角度的變化。其中f11H以帶有空心圓圈圖案的實線表示、f^ 以帶有實心圓圈圖案的實線表示、以帶有菱形圖案的實線表示、f21H以實線表示。
[0015] 圖5分別為對TM偏振光（a圖)和TE偏振光（b圖)，角度分別為0°、60°和85°時， PC1和PC2級聯(lián)結構的光譜反射率。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下： 實施例一： 參見圖1，本一維級聯(lián)的等離子體光子晶體，由電介質層和等離子體層交替疊合構成， 其特征在于：充分利用PC的多個帯隙，通過使n個相級聯(lián)的PC的n個帯