一種線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二維線性漸變結(jié)構(gòu)的光子晶體，屬于微波光子晶體技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是指電介質(zhì)在三維空間上周期性排列的復(fù)合材料，根據(jù)電介電在空間上排列方向的周期性，將光子晶體分為一維、二維、三維光子晶體。一般的二維光子晶體是指在波傳播的平面內(nèi)介電常數(shù)為E1的材料在介電常數(shù)為ε 2的材料中周期排列，從而在兩個維度內(nèi)都能形成光子帶隙的材料。
[0003]類似于半導(dǎo)體的能帶，當(dāng)電磁波在光子晶體的周期結(jié)構(gòu)中傳播時，由于周期性的布拉格散射使得電磁波受到調(diào)制而形成光子能帶。光子能帶之間出現(xiàn)特定頻率的電磁波無法透過的區(qū)域，形成光子帶隙。在周期性材料中引入缺陷或無序態(tài)后，符合缺陷頻率的光會被局域在缺陷處，遠離缺陷處將迅速衰減至零。
[0004]光子帶隙為光子晶體的主要特性之一。這一特性在光通信等方面的應(yīng)用很廣，因此展寬光子晶體的帶隙對光子晶體的應(yīng)用十分有價值。光子晶體的帶隙寬度與光子晶體結(jié)構(gòu)參量密切相關(guān)。對于二維光子晶體而言，組成光子晶體的兩種材料的介電常數(shù)之比、晶格常數(shù)a、介質(zhì)柱半徑r都與光子帶隙寬度有關(guān)，改變填充率和介電常數(shù)之比都能提高光子帶隙。
[0005]尋找更寬光子帶隙是光子晶體設(shè)計的目標(biāo)。改變光子晶體的結(jié)構(gòu)對稱性為改善光子晶體的有效途徑，例如，在光子晶體結(jié)構(gòu)中引入復(fù)式嵌套結(jié)構(gòu)，組成復(fù)式結(jié)構(gòu)的光子晶體，改變介質(zhì)柱的形狀等。
[0006]傳統(tǒng)的正四邊形二維光子晶體，帶隙率很低，一般很難滿足應(yīng)用的要求。如，硅材料柱體填充在聚乙烯基質(zhì)中組成的正四邊形結(jié)構(gòu)，其相對帶隙寬度約為20%。
[0007]綜上所述，光子晶體設(shè)計中，傳統(tǒng)光子晶體帶隙寬度差強人意，復(fù)式結(jié)構(gòu)或改變柱體橫截面等結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以制備，本文發(fā)明設(shè)計出一種新型光子晶體結(jié)構(gòu)，相對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)既提高了帶隙寬度又容易制備，拓展了頻率范圍，為實際應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)存二維光子晶體結(jié)構(gòu)的不足，提出了一種線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，該結(jié)構(gòu)拓展了帶隙寬度，結(jié)構(gòu)簡單且容易制備。
[0009]本發(fā)明的方案如下:
一種線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，其特征在于:所述的光子晶體結(jié)構(gòu)包括一種低介電常數(shù)的平板基質(zhì)和另一種高介電常數(shù)的圓柱體介質(zhì)，高介電常數(shù)的柱體介質(zhì)填充在低介電常數(shù)的平板基質(zhì)內(nèi)，每個單元中柱體介質(zhì)的半徑以一定的步長線性變化，沿電磁波傳播方向高介電常數(shù)柱體半徑先線性增大，再線性減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。
[0010]該二維光子晶體結(jié)構(gòu)，低介電常數(shù)介質(zhì)為聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯類材料，高介電常數(shù)介質(zhì)為類硅或陶瓷材料，高介電常數(shù)的類硅或陶瓷材料填充在低介電常數(shù)的聚乙烯類介質(zhì)中。
[0011]該二維光子晶體結(jié)構(gòu)，在波的傳播方向上，柱體半徑以r。為基準(zhǔn)半徑，其兩邊依次Wrn=r<]±nA遞增或遞減，達到最大后再以此規(guī)律遞減或遞增，垂直于波傳播方向介質(zhì)柱半徑均勾不變，形成mXn (m多1，η多3)的復(fù)式晶胞結(jié)構(gòu)。其中，r。為基準(zhǔn)柱體的的半徑，rn為其兩邊柱體半徑，△為變化的步長。
[0012]該二維光子晶體結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計為Γ(5=0.15a,步長Δ =0.0353a時，帶隙率為41.04%，其中a為晶格常數(shù)。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點是:
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)為在以類聚乙烯組成的低介電常數(shù)背景材料中，填充高介電常數(shù)的類硅材料構(gòu)成光子晶體。在波的傳播方向上，高介電常數(shù)的柱體半徑以一定的步長線性變化，先逐漸增大，再以此步長逐漸減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。本發(fā)明構(gòu)建的光子晶體，低介電常數(shù)的背景材料采用類聚乙烯材料，高介電常數(shù)的介質(zhì)圓柱為類娃材料。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)正四邊形結(jié)構(gòu)帶隙寬度大大提高。同種材料構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)正四邊形結(jié)構(gòu)的相對帶隙寬度為21.73%左右，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的相對帶隙寬度可達41.04%，帶隙率提高了幾乎一倍；相比于復(fù)式結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)簡單，沒有引入其他形式的柱體，只是在傳統(tǒng)正四邊形結(jié)構(gòu)中變化柱體半徑；選用材料均為常見材料，價格低廉容易制備，使用者可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)材料和結(jié)構(gòu)參量，選取所需的禁帶范圍，對二維光子晶體的設(shè)計、制備和應(yīng)用具有重要價值。以上優(yōu)勢為光子晶體的設(shè)計和光信息器件的制備和應(yīng)用提供了參考。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的二維漸變結(jié)構(gòu)的光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明二維漸變結(jié)構(gòu)的一個單元；
圖3為所述的單元在電磁波傳播方向上的結(jié)構(gòu)圖；
圖4為正四邊形結(jié)構(gòu)光子晶體和本發(fā)明的二維漸變結(jié)構(gòu)的光子晶體透射率圖譜。
[0016]圖中:a為晶格常數(shù)，r。為基準(zhǔn)柱體的半徑，r n為其兩邊柱體半徑。
【具體實施方式】
[0017]下面通過附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0018]參見圖1-圖4，本發(fā)明為一種線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，包括一種低介電常數(shù)的平板基質(zhì)I和另一種高介電常數(shù)的圓柱體介質(zhì)2，高介電常數(shù)柱體介質(zhì)2填充在低介電常數(shù)平板基質(zhì)I內(nèi)，每個原胞中柱體介質(zhì)2的半徑以一定的步長線性變化，沿電磁波傳播方向(圖中橫向)高介電常數(shù)的柱體介質(zhì)2的半徑先線性增大，再線性減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。
[0019]該二維光子晶體結(jié)構(gòu)中，低介電常數(shù)的平板基質(zhì)I為聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，高介電常數(shù)的圓柱體介質(zhì)2為硅材料或陶瓷材料，類硅材料填充在聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中形成二維漸變結(jié)構(gòu)光子晶體。
[0020]在波的傳播方向上，柱體介質(zhì)2半徑以r。為基準(zhǔn)半徑，其兩邊依次以r n=r0 土 η Δ遞增或遞減，達到最大后再以此規(guī)律遞減或遞增，垂直于波傳播方向均勻不變，形成1X4的復(fù)式晶胞結(jié)構(gòu)。其中，4=0.la~0.3a為基準(zhǔn)柱體介質(zhì)的半徑，rn為其兩邊柱體介質(zhì)的半徑，Δ =0.0la-0.05a為變化的步長。
[0021]由于設(shè)計的初衷使本發(fā)明結(jié)構(gòu)工作在微波波段，故以上設(shè)計可以采用機械切割法、注模/脫模法等方法制備。
[0022]如圖2所示制備該結(jié)構(gòu):背景材料低介電常數(shù)的平板基質(zhì)I為聚甲基丙烯酸甲酯，高介電常數(shù)的圓柱體介質(zhì)2為類硅材料，組成5X8的單元晶胞結(jié)構(gòu)A。
[0023]如圖3所示在波的傳播方向(箭頭N)上，柱體介質(zhì)2的半徑以r。為基準(zhǔn)，以Δ為步長向兩邊遞增或遞減，達到r7后依次減小，垂直于波傳播方向上均勻。兩個方向上兩個柱體介質(zhì)2的中心間距均為a=l.5cm，組成(3~5)X8的單元晶胞結(jié)構(gòu)A，以多個(比如4個)此單元晶胞結(jié)構(gòu)A組成如圖1所示的漸變結(jié)構(gòu)。
[0024]二維漸變結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程:利用HFSS軟件進行仿真，當(dāng)給定了晶格常數(shù)a，通過改變漸變結(jié)構(gòu)的步長A，尋得達到最大帶隙時的結(jié)構(gòu)參量。
[0025]當(dāng)Δ =0.0353a時，帶隙率達到了最大的41.04%且?guī)短匦酝昝?。如圖4所示，結(jié)果相對于常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)正四邊形結(jié)構(gòu)，帶隙率提高了近一倍。
[0026]本發(fā)明所述的二維線性漸變結(jié)構(gòu)的光子晶體結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的實例，僅為了進一步說明發(fā)明的方案、效果。上述內(nèi)容僅用于示例，研究人員可以根據(jù)需要修改介質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)參量。因此，凡在本發(fā)明的方法、原則之內(nèi)所做的修改，均仍屬于發(fā)明技術(shù)方案保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，其特征在于:所述的光子晶體結(jié)構(gòu)包括一種低介電常數(shù)的平板基質(zhì)和另一種高介電常數(shù)的柱體介質(zhì)，高介電常數(shù)的柱體介質(zhì)填充在低介電常數(shù)的平板基質(zhì)內(nèi)，每個單元中柱體介質(zhì)的半徑以一定的步長線性變化，沿電磁波傳播方向高介電常數(shù)柱體半徑先線性增大，再線性減小，垂直于傳播方向柱體半徑不變，呈正四邊形分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，其特征在于，所述的高介電常數(shù)的柱體介質(zhì)為類硅或陶瓷材料，低介電常數(shù)的平板基質(zhì)為聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯類材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，其特征在于，在波的傳播方向上，所述的柱體介質(zhì)半徑以r。為基準(zhǔn)半徑，其兩邊依次以r n=r0±n △遞增或遞減，達到最大后再以此規(guī)律遞減或遞增；垂直于波傳播方向柱體介質(zhì)的半徑不變，形成mXn (m ^ I,η ^ 3)的復(fù)式晶胞結(jié)構(gòu)；波傳播方向和垂直于波傳播方向上相鄰兩個柱體介質(zhì)的距離均為a ;其中，r。為基準(zhǔn)柱體介質(zhì)的半徑，r n為其兩邊柱體介質(zhì)的半徑，△為變化的步長，a為晶格常數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線性漸變結(jié)構(gòu)的二維光子晶體，其特征在于，所述的r0=0.la~0.3a,步長Δ =0.0la-0.05a時，其相對帶隙寬度達50%~100%，是同等配置下標(biāo)準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)光子晶體帶隙寬度的2~5倍。
【專利摘要】一種二維線性漸變結(jié)構(gòu)光子晶體，包括由低介電常數(shù)材料為基質(zhì)，高介電常數(shù)材料柱體嵌入所述基質(zhì)材料中，呈正四邊形分布，在空間上周期排列而成。每個單元原胞中，柱體半徑以一定的步長在波的傳播方向上呈線性遞增或遞減，垂直于波傳播方向柱體半徑不變，兩個方向上柱體中心距均為晶格常數(shù)。本發(fā)明通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參量，在較低介質(zhì)比的情況下，相對帶隙寬度是標(biāo)準(zhǔn)正四邊形結(jié)構(gòu)的近200%；在更高介質(zhì)比的情況下帶隙寬度可達標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的2~5倍。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，帶隙率提高很大，相對于其他復(fù)式結(jié)構(gòu)，設(shè)計簡單，使用者可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)材料和結(jié)構(gòu)參量，選取所需的禁帶范圍，對二維光子晶體的設(shè)計、制備和應(yīng)用具有重要價值。
【IPC分類】G02B6/122
【公開號】CN105204116
【申請?zhí)枴緾N201510659759
【發(fā)明人】施建章, 李巨波, 祝琳, 蘇婷, 馬咪, 李高鋒
【申請人】西安電子科技大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月14日