CN107219625A - 一种支持频率敏感自准直现象的光子晶体平板的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电磁波技术领域，具体为一种支持频率敏感自准直现象的光子晶体平板的设计方法。本发明设计方法包括：初步选定二维光子晶体平板晶格结构和材料参数，计算其类TE和类TM模式下各个能带的等频图，在其中找到鞍点型Van Hove奇异点；通过调节光子晶体结构参数和材料参数，移动鞍点型Van Hove奇异点位置，寻找到敏感自准直现象，即包含敏感自准直等频线的一组“灯笼状”等频线；在等频图中标出空气光锥线内区域，若自准直等频线在光锥线内，则提高高折射率材料填充系数或改用更大折射率的材料，直至自准线移出光锥线区域，形成导波态。这个设计方法可以通过尺度变换，应用到各个波段，具有普适性。
Description
技术领域
本发明属于电磁波技术领域，具体涉及支持频率敏感自准直现象的光子晶体平板的设计方法。可设计出有限厚的光子晶体平板，在它的导波态中，找到频率敏感自准直现象。
背景技术
光子晶体中的自准直现象能够实现空间位置可自由移动的无衍射传播现象。自准直现象不依赖于非线性效应或者物理边界，在微观光路***设计、集成方面的巨大优势，引起了国内外科研工作者的关注。公开号为CN104678491A的中国发明专利“支持高频率敏感度自准直现象的光子晶体及设计方法和应用”提出了一种新的自准直现象，具有很高频率敏感度。它在一些情况下也有着巨大用途，比如与非线性结合，制作传感器、可调微透镜以及分束器等。但是这个专利所涉及的频率敏感自准直现象都是在二维TE模式下，难以在三维结构直接实现。
这里就有一个重要的技术问题：如何在三维实际结构实现频率敏感自准直现象。解决了这一将使得基于二维频率敏感自准直现象的各种应用器件都能够实际制作出来，大大增加了频率敏感自准直现象的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持频率敏感自准直现象的二维光子晶体平板的设计方法。
本发明提供的支持频率敏感自准直现象的光子晶体平板的设计方法，具体步骤如下：
步骤1、初步选定二维光子晶体平板晶格结构和材料参数，定义平板厚度方向为Z方向，二维平面为XY平面，计算其类TE和类TM模式下各个能带的等频图，在其中找到鞍点型VanHove奇异点；
步骤2、通过调节光子晶体结构参数和材料参数，移动鞍点型Van Hove奇异点位置，寻找到敏感自准直现象，即包含敏感自准直等频线的一组“灯笼状”等频线；
步骤3、在等频图中标出空气光锥线内区域，若自准直等频线在光锥线内，则提高高折射率材料填充系数或改用更大折射率的材料，直至自准线移出光锥线区域，形成导波态。
步骤1中所述的类TE模式是指在平板中心电场E平行于XY平面的电磁波模式。
步骤1中所述的类TM模式是指在平板中心电场E垂直于XY平面的电磁波模式。
步骤1所述的光子晶体结构，包括但不限于正方晶格、长方晶格、三角晶格、菱形晶格等简单晶格结构以及六角晶格等复合晶格结构。
步骤1所述的光子晶体结构的原胞，可以由多种材料构成，其内部结构包括但不限于圆柱、椭圆柱、方柱、台体、球体等几何形状。
步骤2中所述的光子晶体结构参数包括晶格矢量、各种材料填充比等。
步骤2中所述的光子晶体材料参数包括但不限于原胞各种填充材料的折射率、介电常数、磁导率、导电率等参数；步骤2中所述的一组“灯笼状”的等频线形状与图2（g）中的所展示的一样。
本发明的设计方法使得基于二维频率敏感自准直现象的各种应用器件都能够实际制作出来，大大增加了频率敏感自准直现象的实用价值。
附图说明
图1锗柱型二维正方晶格光子晶体平板类TE模式能带图。其中，S1为鞍点型VanHove奇异点。
图2锗柱型二维长方晶格光子晶体平板类TE模式第四能带等频图。其中，长宽比β分别为：(a)β = 1.00,(b)β = 1.20,(c)β = 1.40,(d)β = 1.60,(e)β = 1.80,(f)β =1.90,(g)β = 2.00。
具体实施方式
下面通过一个具体实例来说明支持频率敏感自准直现象的光子晶体平板的设计方法。
1、图1中的插图是介质柱构成的二维正方晶格光子晶体平板结构图，晶格常数为a。黑色介质柱为锗柱，介电常数为16，半径为0.35a，灰色基板材料为二氧化硅，介电常数为2.1，平板高度为2.0a。采用平面波展开法计算平面波展开法计算其TE-like模式的能带，其结果展示在图1中，在第四能带找到了鞍点型Van Hove奇异点S1；
2、改变上述正方晶格光子晶体平板格长宽比，得到如图2(e)中插图所示的二维长方晶格光子晶体，其x和y方向的晶格常数分别为a和b,晶格长宽比β=b/a.用平面波展开法计算得到不同β值的长方晶格光子晶体平板TE-like模式第四个能带等频图，结果展示在图2；
3、在等频图中画出空气光锥线内区域，用灰色表示，图2（g）中的自准直频率等频线在光锥线外，是导波态。这样我们就设计出了一个支持从而实现了频率敏感自准直现象的光子晶体平板，大大增加了频率敏感自准直现象的实用价值。这个设计方法可以通过尺度变换，应用到各个波段，具有普适性。
上述对实例的描述是为了便于该领域的普通技术人员能够理解和使用发明。熟悉本领域的技术人员显然可以通过对本实例的简单修改，把此说明的一般原理应用到其他实例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做的改进和修改，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种支持频率敏感自准直现象的光子晶体平板的设计方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、初步选定二维光子晶体平板晶格结构和材料参数，定义平板厚度方向为Z方向，二维平面为XY平面，计算其类TE和类TM模式下各个能带的等频图，在其中找到鞍点型VanHove奇异点；
步骤2、通过调节光子晶体结构参数和材料参数，移动鞍点型Van Hove奇异点位置，寻找到敏感自准直现象，即包含敏感自准直等频线的一组“灯笼状”等频线；
步骤3、在等频图中标出空气光锥线内区域，若自准直等频线在光锥线内，则提高高折射率材料填充系数或改用更大折射率的材料，直至自准线移出光锥线区域，形成导波态；
步骤1中所述的类TE模式是指在平板中心电场E平行于XY平面的电磁波模式；
步骤1中所述的类TM模式是指在平板中心电场E垂直于XY平面的电磁波模式。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤1中所述的光子晶体平板晶格结构为孔状光子晶体结构或者柱状光子晶体结构。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤1中所述的光子晶体平板晶格结构为正方晶格、长方晶格、三角晶格或六角晶格的原胞结构。
4.根据权利要求1、2或3所述的设计方法，其特征在于，步骤1中所述的光子晶体结构的原胞由多种材料构成，其内部结构为圆柱、椭圆柱、方柱、台体或球体几何形状。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，步骤2中所述的光子晶体结构参数包括晶格矢量、各种材料填充比。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的设计方法，其特征在于，步骤2中所述的光子晶体材料参数包括原胞各种填充材料的折射率、介电常数、磁导率、导电率参数。
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Cited By (1)
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| CN110673335A (zh) * | 2019-09-01 | 2020-01-10 | 复旦大学 | 一种光子晶体分光器件及其设计方法 |
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