CN110673335A - 一种光子晶体分光器件及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子和电磁波通信技术，尤其涉及一种光子晶体分光器件、一种光子晶体分光器件的设计方法，以及一种计算机可读介质。本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法，包括步骤：获取光子晶体的等频图，所述等频图指示所述光子晶体的分辨率参数的分布情况；根据所述等频图中等频线的结构确定目标等频线；对所述目标等频线进行曲线拟合；根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度；以及根据所述光子晶体分光器件的目标分辨率和所述入射光束的理想宽度确定所述光子晶体分光器件的尺寸。本发明能够限制光束在光子晶体分光器件中的展宽现象，从而提高光子晶体分光器件的分辨率，并实现光子晶体分光器件的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及光电子和电磁波通信技术，尤其涉及一种光子晶体分光器件、一种光子晶体分光器件的设计方法，以及一种计算机可读介质。
背景技术
光子晶体（Photonic Crystal）是指具有光子带隙（Photonic Band Gap， PBG）特性的人造周期性电介质结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的电磁波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。
与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波。当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量会形成能带结构。能带与能带之间出现带隙即为光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子不能进入该光子晶体。
光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。
光子晶体中的超棱镜现象是指光在光子晶体中的传播角因频率或入射角的微小变化而发生较大偏折的现象。这种现象被广泛用来设计各种分光器件，但由于光子晶体的工作区域大都位于等频线的尖角区域，容易造成光束在传播过程中产生强烈的展宽，从而大大限制了器件设计的自由，并增加了分光器件小型化的难度。
因此，本领域亟需一种光子晶体的制备技术，用于限制光束在光子晶体分光器件中的展宽现象，从而提高光子晶体分光器件的分辨率，并实现光子晶体分光器件的小型化。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了限制光束在光子晶体分光器件中的展宽现象，本发明提供了一种光子晶体分光器件、一种光子晶体分光器件的设计方法，以及一种计算机可读介质，用于提高光子晶体分光器件的分辨率，并实现光子晶体分光器件的小型化。
本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法，包括步骤：获取光子晶体的等频图，所述等频图指示所述光子晶体的分辨率参数（resolution）的分布情况；根据所述等频图中等频线的结构确定目标等频线；对所述目标等频线进行曲线拟合；根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度；以及根据所述光子晶体分光器件的目标分辨率和所述入射光束的理想宽度确定所述光子晶体分光器件的尺寸。
优选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，所述获取光子晶体的等频图，可以进一步包括步骤：根据光子晶体的工作频率确定所述光子晶体的介质材料；获取所述介质材料的光子晶体的等频图；以及响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线，确定所述获取的等频图为目标等频图。
优选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线，确定所述介质材料的光子晶体的晶格结构为目标晶格结构。
可选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，所述根据所述等频图中等频线的结构确定目标等频线，可以进一步包括步骤：根据所述等频图中光子晶体的分辨率参数的分布情况，确定分辨率参数达到104的连续区域为局部自准直区域；以及确定一条经过所述局部自准直区域的等频线为所述目标等频线。
优选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，所述确定一条经过所述局部自准直区域的等频线为所述目标等频线，可以进一步包括步骤：确定经过所述局部自准直区域，且存在最大r参数的等频线为所述目标等频线。
可选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：根据光子晶体的晶格结构确定所述等频图中各等频线对应的归一化频率；
所述对所述目标等频线进行曲线拟合，可以进一步包括步骤：根据入射光束的宽度确定拟合范围；以及根据所述拟合范围对所述目标等频线进行高次型曲线拟合，所述高次型曲线拟合包括三次型以上的曲线拟合。
可选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，所述根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度，可以进一步包括步骤：根据拟合的曲线确定入射光束折射进光子晶体后在展宽方向的光强分布，所述展宽方向平行于入射界面；以及响应于折射光束的所有边峰的能量之和不超过所述折射光束的总能量的10%，确定所述入射光束的宽度为所述理想宽度。
优选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，所述根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度，还可以包括步骤：响应于多个折射光束的所有边峰的能量之和不超过对应折射光束的总能量的10%，确定其中宽度最小的入射光束的宽度为所述理想宽度。
可选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，所述根据所述光子晶体分光器件的目标分辨率和所述入射光束的理想宽度确定所述光子晶体分光器件的尺寸，可以进一步包括步骤：根据所述入射光束的理想宽度，确定将相差目标分辨率的两束不同频率的光束分辨开所需的距离；以及根据所述所需的距离确定所述光子晶体分光器件在光束传播方向上的尺寸。
可选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：根据光子晶体的晶格结构和入射波导的折射率确定所述入射波导的结构，所述入射波导的结构指示光束进入所述光子晶体的入射角度。
可选地，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：根据光子晶体的工作频率确定入射波导和/或出射波导的介质材料。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种光子晶体分光器件。
本发明提供的上述光子晶体分光器件可以是由上述任意一种光子晶体分光器件的设计方法设计所得。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机可读介质。
本发明提供的上述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在由处理器执行时，可以实施上述任意一种光子晶体分光器件的设计方法。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一方面提供的光子晶体分光器件的设计方法的流程示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例提供的光子晶体的等频图。
图3A-3D示出了根据本发明的一个实施例提供的对目标等频线进行曲线拟合的示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例提供的待测光束在局部自准直区域中的传播示意图。
图5A-5D示出了根据本发明的一个实施例提供的对应于图3A-3D的拟合曲线的光强分布示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例提供的两个不同频率光束的主峰的光强分布示意图。
图7示出了根据本发明的一个实施例提供的光子晶体分光器件的结构示意图。
附图标记：
101-105 光子晶体分光器件的设计方法的步骤；
21 等频线；
22 曲率为零的等频线；
23 局部自准直区域；
41 主峰；
42 边峰；
61 第一光束；
62 第二光束；
71 光子晶体；
72 入射波导；
73 出射波导。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
为了限制光束在光子晶体分光器件中的展宽现象，本发明提供了一种光子晶体分光器件的实施例、一种光子晶体分光器件的设计方法的实施例，以及一种计算机可读介质的实施例，用于提高光子晶体分光器件的分辨率，并实现光子晶体分光器件的小型化。
上述光子晶体分光器件可以应用于光谱仪等光学技术领域的检测仪器，也可以作为光信号调制器应用于通信技术领域。
在一些实施例中，采用上述光子晶体分光器件的光谱仪可以具有亚纳米量级（0.1-0.9nm）的波长分辨率。这种小型化的高分辨率的光谱仪可以进一步在使用遥感卫星检测大气气体成分的实际应用中，检测大气对光束的吸收峰值，并通过检测到的特征吸收峰值判断大气成分。
在一些实施例中，采用上述光子晶体分光器件的光信号调制器可以在极小的空间内实现亚纳米量级（0.1-0.9nm）的波峰分辨功能，从而将一束复合光信号解调成波长峰值相差亚纳米量级的大量不同频率的单色光信号，进而通过光信号的形式实现大量数据的高速传输。
本领域的技术人员可以理解，上述光谱仪和上述光信号调制器只是两种光子晶体分光器件的具体应用示例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一些便于公众应用的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在一些实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明的构思，将上述光子晶体分光器件应用于其他技术领域，从而实现相应的技术效果。
请参考图1，图1示出了根据本发明的一方面提供的光子晶体分光器件的设计方法的流程示意图。
如图1所示，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，可以包括步骤：
101：获取光子晶体的等频图。
在本发明的一个实施例中，操作人员可以根据待测光束的波长范围来确定光子晶体的工作频率范围，进而根据光子晶体的工作频率范围来确定光子晶体的介质材料。
具体来说，若待测光束属于红外波段（0.75μm-300μm），则操作人员可以根据公式
确定光子晶体的工作频率为1THz-400THz，进而选用硅、锗等半导体材料来作为光子晶体的介质材料。式中：f为光子晶体的工作频率，c为光速，λ为待测光束的波长。
本领域的技术人员可以理解，上述红外波段只是本实施例提供的一种具体案例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。
在另一实施例中，若待测光束属于微波波段（0.1mm-1000mm），则操作人员也可以根据公式
确定光子晶体的工作频率为300MHz-3000GHz，进而选用陶瓷、玻璃、塑料等材料来作为光子晶体的介质材料。
同理，在其他实施例中，本领域的技术人员还可以基于本发明的构思，进一步针对可见光波段、太赫兹波段等任意电磁波波段的待测光束来采用对应的介质材料。
在一个实施例中，操作人员可以根据中国专利“超高分辨率光子晶体超棱镜及其设计方法”（CN104977651A），以及中国专利“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”（CN104678491A）提供的具体步骤来确定光子晶体的材料参数和晶格形状。在确定光子晶体的介质材料及晶格形状后，操作人员可以进一步采用平面波展开法、时域有限差分法、有限元法或其他现有技术来获取光子晶体的等频图。获取光子晶体等频图的方法是本领域的技术人员习知的现有技术，在此不再赘述。
上述等频图可以指示光子晶体在平面空间中分辨率参数r的分布情况。不同晶格结构的光子晶体可以具有分布情况不同的等频图。
请进一步参考图2，图2示出了根据本发明的一个实施例提供的光子晶体的等频图。
在图2对应的实施例中，光子晶体可以为按长方晶格排列的介质圆柱，其介质材料可以为折射率为3.4的硅。光子晶体的横向晶格常数为a，纵向晶格常数为b，圆柱的半径为0.3a，其中b=2a。操作人员可以根据光子晶体的介质折射率和晶格形状来获取图2所示的等频图。
如图2所示，等频图的横坐标k x可以为光子晶体横向平面坐标在K空间中的投影，纵坐标k y可以为光子晶体纵向平面坐标在K空间中的投影。
本领域的技术人员可以理解，上述K空间为寻常空间在傅利叶转换下的对偶空间。上述以K空间的横坐标k x和纵坐标k y构成的等频图只是本实施例提供的一种优选方案，主要用于提供一种便于后续曲线拟合步骤的具体方案以便公众实施，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明的构思，采用其他横纵坐标来构成光子晶体的等频图。
如图2所示，光子晶体的等频图中可以包括多条指示不同归一化频率的等频线21和大量不同颜色的数据点。
上述归一化频率可以根据光束频率f和光子晶体的晶格常数a来计算，具体可以取值为
，式中：c为光速。操作人员可以根据光子晶体的工作波长和上述归一化频率的乘积来确定光子晶体的晶格常数a。
上述数据点的颜色可以指示在光子晶体对应位置处的分辨率参数r（resolution）的对数值。该分辨率参数r可以是综合描述布里渊区中某一波矢点处群速度方向对工作频率敏感程度和光束展宽效应的参量。该分辨率参数r的相关特性和获取方式可以参考论文Baba T , Matsumoto T . Resolution of photonic crystal superprism [J]. AppliedPhysics Letters, 2002, 81(13):2325-2327.。该分辨率参数r可以通过理论计算得到，也可以通过数值仿真或实验得到。
在上述实施例中，响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线22，操作人员可以确定该等频图中的等频线为“灯笼状”结构。这种“灯笼状”结构的等频线指示该等频图中具有频率敏感自准直现象的局部自准直区域23。因此，操作人员可以响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线22，确定图2所示的等频图为可以实现频率敏感自准直的目标等频图。
相应地，操作人员也可以响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线22，确定该按长方晶格排列的介质圆柱型结构为光子晶体的目标晶格结构。
如图1所示，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：
102：根据等频图中等频线的结构确定目标等频线。
在本发明的一个实施例中，操作人员可以根据等频图中光子晶体分辨率参数r的分布情况，确定分辨率参数r达到理想分辨率参数r0（例如：
）且不发散的连续区域为局部自准直区域23，并确定图2中任意一条经过该局部自准直区域23的等频线21为目标等频线。
本领域的技术人员可以理解，上述
只是本实施例提供的一种具体案例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明的构思，根据实际的应用需求来设定合适的理想分辨率参数r0。
本领域的技术人员还可以理解，在图2对应的实施例中，任意一条经过局部自准直区域23的等频线21都可以产生频率敏感自准直现象，其中，最接近曲率为零的等频线22的等频线上存在等频图中r参数最大的点，从而可以具有最显著的频率敏感自准直效果。因此，在一个优选的实施例中，操作人员还可以进一步确定经过局部自准直区域23，且存在最大r参数的等频线为目标等频线。
如图1所示，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：
103：对目标等频线进行曲线拟合。
在图2对应的实施例中，操作人员可以确定归一化频率为0.379的等频线为目标等频线，从而根据待测光束的实际波长（例如：2600nm）和确定的归一化频率（例如：0.379），确定光子晶体的晶格常数a为2600×0.379=985nm；并根据入射光束的宽度来对该归一化频率为0.379的目标等频线进行曲线拟合。
上述入射光束可以指未进入光子晶体的待测光束，包括但不限于高斯光束，可以具有任意的空间分布。相应地，入射光束的宽度可以指高斯入射光束的束腰宽度W 0。
上述曲线拟合可以具体为三次型曲线拟合：
，式中：γ，β，α为待拟合的参数，
为被激发的中心切向波矢。上述曲线的拟合范围可以和入射光束的束腰宽度W 0呈反比，例如：
。也就是说，入射光束的束腰宽度越宽，该曲线拟合的范围就越窄。
请进一步参考图3A-3D，图3A-3D示出了根据本发明的一个实施例提供的对目标等频线进行曲线拟合的示意图。
如图3A所示，在一个实施例中，操作人员可以根据入射光束的束腰宽度W 0为8a确定曲线的拟合范围为
，从而在该拟合范围内对目标等频线进行上述三次型曲线拟合。
如图3B所示，在一个实施例中，操作人员可以根据入射光束的束腰宽度W 0为13a确定曲线的拟合范围为
，从而在该拟合范围内对目标等频线进行上述三次型曲线拟合。
如图3C所示，在一个实施例中，操作人员可以根据入射光束的束腰宽度W 0为20a确定曲线的拟合范围为
，从而在该拟合范围内对目标等频线进行上述三次型曲线拟合。
如图3D所示，在一个实施例中，操作人员可以根据入射光束的束腰宽度W 0为30a确定曲线的拟合范围为
，从而在该拟合范围内对目标等频线进行上述三次型曲线拟合。
本领域的技术人员可以理解，上述8a、13a、20a、30a只是本实施例提供的一些具体案例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明的构思，对其他宽度的入射光束进行曲线拟合。
本领域的技术人员还可以理解，上述三次型曲线拟合只是本实施例提供的一种具体案例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种确定光子晶体色散关系的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员还可以进一步采用更高阶次的方程来进行上述曲线拟合，从而更准确地确定光子晶体色散关系。
通过采用寻常空间在傅利叶转换下的对偶K空间来表示光子晶体的横纵坐标，可以简单地采用三次型方程来进行上述曲线拟合，从而大幅地简化上述曲线拟合的计算过程以快速地确定光子晶体的色散关系。
如图1所示，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：
104：根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度。
在本发明的一个实施例中，操作人员可以根据上述拟合曲线确定光子晶体的色散关系，进而根据获得的色散关系来确定待测光束在局部自准直区域23中的传播特性。
请结合参考图4和图5A-5D，图4示出了根据本发明的一个实施例提供的待测光束在局部自准直区域中的传播示意图。图5A-5D示出了根据本发明的一个实施例提供的对应于图3A-3D的拟合曲线的光强分布示意图。
如图4所示，当待测光束在光子晶体的局部自准直区域23中传播时，待测光束会向传播方向的一侧呈现非对称展宽，从而在待测光束主峰41的一侧产生若干边峰42。
操作人员可以根据上述拟合曲线指示的色散关系对上述非对称展宽进行数值仿真，从而分别获得对应于束腰宽度W 0为8a、13a、20a、30a的待测光束在传播距离L为10000a的范围内，在展宽方向上光强的分布情况。上述展宽方向可以理解为边峰42相对于主峰41的方向，可以是平行于待测光束进入光子晶体的入射平面的任一方向。
如图5A所示，在一个实施例中，操作人员可以根据对应于束腰宽度W 0为8a的待测光束的三次型拟合曲线，确定对应于图3A的待测光束折射进光子晶体后在展宽方向的光强分布情况。
如图5B所示，在一个实施例中，操作人员可以根据对应于束腰宽度W 0为13a的待测光束的三次型拟合曲线，确定对应于图3B的待测光束折射进光子晶体后在展宽方向的光强分布情况。
如图5C所示，在一个实施例中，操作人员可以根据对应于束腰宽度W 0为20a的待测光束的三次型拟合曲线，确定对应于图3C的待测光束折射进光子晶体后在展宽方向的光强分布情况。
如图5D所示，在一个实施例中，操作人员可以根据对应于束腰宽度W 0为30a的待测光束的三次型拟合曲线，确定对应于图3D的待测光束折射进光子晶体后在展宽方向的光强分布情况。
通过上述仿真分析，操作人员可以分别获得对应于束腰宽度W 0为8a、13a、20a、30a的待测光束在展宽方向上能量的分布情况。响应于光束的所有边峰的能量之和不超过该光束的总能量的10%，操作人员可以确定对应入射光束的宽度为光子晶体的理想宽度。
具体来说，如图5A-5C所示，当待测光束的束腰宽度W 0为8a、13a、20a时，光束在光子晶体的局部自准直区域23中传播所产生的边峰42能量分布较高，并高于待测光束总能量的10%。因此，束腰宽度W 0为8a、13a、20a的入射光束所产生的边峰41和对应展宽会造成光子晶体分辨率的大幅下降，从而不符合光子晶体对入射光束理想宽度的要求。
如图5D所示，当待测光束的束腰宽度W 0为30a时，光束在光子晶体的局部自准直区域23中传播所产生的边峰42能量分布较低，并低于待测光束总能量的10%。
请进一步参考图6，图6示出了根据本发明的一个实施例提供的两个不同频率光束的主峰的光强分布示意图。
如图6所示，当待测光束的束腰宽度W 0为30a时，待测光束中任一频率的第一光束61的光强，可以在与其频率相差目标分辨率的第二光束62的光强峰值处，降低到其峰值的1/e2及以下。此时，操作人员可以认为入射光束已经达到足够宽度，以使边峰42能够被有效抑制。束腰宽度W 0为30a的入射光束所产生的边峰41和对应展宽不会造成光子晶体分辨率的大幅下降，符合光子晶体对入射光束理想宽度的要求。因此，操作人员可以确定该待测光束的束腰宽度30a，即29.55μm为光子晶体对入射光束的理想宽度。
上述目标分辨率可以由用户自行定义。在本实施例中，上述目标分辨率可以具体为10000。也就是说，f/Δf或λ/Δλ可以取值为10000，其中，f=( f 1+ f 2)/2，λ=(λ1+λ2)/2，Δf =| f 1- f 2|，Δλ=|λ1-λ2|，f 1、f 2分别是两束光的频率，λ1、λ2分别是两束光的波长。
本领域的技术人员可以理解，上述对束腰宽度W 0为8a、13a、20a、30a的待测光束在展宽方向上的光强分布情况进行仿真的方案，只是本实施例提供的一种具体案例，主要用于确定不会造成分辨率大幅下降的光束入射宽度为上述理想宽度，从而获得将不同频率光束分辨开来所需的传播距离，用以确定光子晶体的尺寸。
在一个优选的实施例中，操作人员还可以进一步对上述所有边峰的能量之和不超过光束总能量10%的多个待测光束宽度进行筛选，确定其中宽度最小的待测光束宽度为上述理想宽度。
本领域的技术人员可以理解，上述确定宽度最小的待测光束宽度为理想宽度的方案，只是本实施例提供的一种优选案例，主要用于进一步缩短将不同频率光束分辨开来所需的传播距离，从而进一步缩小光子晶体的尺寸。
本领域的技术人员可以采用Eastwave、Rsoft、Meep、MPB、Comsol等任意现有的仿真软件来进行上述仿真分析，也可以基于本发明的构思，编写相应的仿真软件来进行上述仿真分析。
在其他实施例中，本领域的技术人员还可以根据本发明的构思，采用理论分析或实验的方式来确定不会造成分辨率大幅下降的最窄入射宽度，从而获得相同的技术效果。
如图1所示，在本发明提供的上述光子晶体分光器件的设计方法中，还可以包括步骤：
105：根据光子晶体分光器件的目标分辨率和入射光束的理想宽度确定光子晶体分光器件的尺寸。
如上所述，操作人员可以根据光束的最佳入射宽度和用户需要光子晶体分光器件达到的目标分辨率，确定将相差目标分辨率的两束不同频率的光束分辨开所需的距离，从而根据该所需的距离确定光子晶体分光器件在光束传播方向上的尺寸。
具体来说，操作人员可以根据公式来确定光子晶体分光器件在光束传播方向上的尺寸。
式中：L为所需的传播距离，即半圆形光子晶体的半径；W0为入射高斯光束束腰半宽；Δf为目标分辨频率的差值；p为广义角分辨率，指示折射光的发散程度；q为广义色散能力；λ0为入射光的真空波长；n为入射波导折射率。
上述广义角分辨率p和上述广义色散能力q可以参考和上述r参数一样，可以参考论文Baba T , Matsumoto T . Resolution of photonic crystal superprism [J].Applied Physics Letters, 2002, 81(13):2325-2327.）。
请进一步参考图7，图7示出了根据本发明的一个实施例提供的光子晶体分光器件的结构示意图。
如图7所示，在一个实施例中，操作人员可以根据确定的光束最佳入射宽度30a（即29.55μm），以及用户需要光子晶体分光器件达到的目标分辨率（即10000），确定将相差目标分辨率的两束不同频率的光束分辨开所需的距离为12000a（即11.82mm），进而将半圆形光子晶体分光器件的半径设计为11.82mm以满足用户的分辨率需求。
本领域的技术人员可以理解，上述半圆形的光子晶体分光器件只是本实施例提供的一种具体案例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明的构思，将光子晶体分光器件设置成符合实际应用需求的任意其它形状，例如：长方形。
如图7所示，在一个实施例中，操作人员还可以进一步为光子晶体71配置入射波导72和出射波导73，以便于光子晶体71在光谱仪、信号调制器和气相色谱仪中的应用。
具体来说，操作人员可以根据待测光束的波长范围来确定入射波导72和出射波导73的材料。入射波导72和出射波导73的材料包括但不限于硅、锗等半导体材料，以及玻璃光纤、塑料光纤等介电材料。入射波导72和出射波导73的材料确定方式可以参考上述光子晶体71的材料确定方式。
在一个实施例中，操作人员可以根据实际应用需求，确定入射波导72和出射波导73的形状为圆柱条形、长方条形，以及适合光线在其内部传输的任何其他形状。
具体来说，入射波导72的波导宽度可以为60μm，间距可以为40μm。出射波导73可以为绕光子晶体71圆心排列的散射结构，其延长线可以经过光子晶体71的圆心。出射波导73的合计覆盖角度可以为120°，波导宽度可以为20μm。出射波导73靠近光子晶体71边界处的间距可以为10μm。
本领域的技术人员可以理解，上述入射波导72和出射波导73的结构参数只是本实施例提供的一种具体案例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，本领域的技术人员也可以基于本发明的构思，将入射波导72和出射波导73设计成符合实际应用需求的任意其他结构。
在一个实施例中，操作人员还可以进一步根据光子晶体71的晶格结构和入射波导72的折射率n来确定入射波导72的结构。
具体来说，操作人员可以根据切向波矢守恒条件，确定待测光束进入光子晶体的入射角度
，式中：ky为光子晶体纵向平面坐标在K空间中的投影；n为入射波导72的折射率；f为光子晶体的工作频率；β为光子晶体长方晶格的长宽比。操作人员还可以进一步根据该入射角度
确定三条入射波导72的角度分别为9.5°、10°、10.5°。
本领域的技术人员可以理解，本文中提及的操作人员只是一种虚拟的方法执行者，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。
在一些实施例中，本发明提供的上述光子晶体的设计方法可以由具体的操作人员根据本发明提供的方法步骤来实施，从而获得光子晶体的具体尺寸来进行光子晶体的制备。
在另一些实施例中，本发明提供的上述光子晶体的设计方法也可以通过编写的软件程序，由处理器通过纯软件、纯硬件或软硬件结合的方式来自动实施。也就是说在这些实施例中，可以采用处理器替代上述操作人员来执行上述光子晶体的设计方法。用户只需要提供待测光束的波长范围和预期的光子晶体的目标分辨率，即可快速地获得光子晶体的具体尺寸来进行光子晶体的制备。
在一个具体方案中，用户可以通过光子晶体制备装置的用户界面来手动输入待测光束的波长范围。而在另一个具体方案中，用户也可以直接通过光子晶体制备装置的光线采集窗口提供待测光束，从而由光子晶体的制备装置自动确定待测光束的波长范围，进而更准确地确定光子晶体的介质材料。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种光子晶体分光器件的实施例。
如图7所示，本实施例提供的上述光子晶体分光器件可以由上述任意一个实施例提供的光子晶体分光器件的设计方法设计所得，可以用于提高光子晶体分光器件的分辨率，并实现光子晶体分光器件的小型化。
在一些实施例中，采用上述光子晶体分光器件的光谱仪可以具有亚纳米量级（0.1-0.9nm）的波长分辨率。这种小型化的高分辨率的光谱仪可以进一步在使用遥感卫星检测大气气体成分的实际应用中，检测大气对光束的吸收峰值，并通过检测到的特征吸收峰值判断大气成分。
在一些实施例中，采用上述光子晶体分光器件的光信号调制器可以在极小的空间内实现亚纳米量级（0.1-0.9nm）的波峰分辨功能，从而将一束复合光信号解调成波长峰值相差亚纳米量级的大量不同频率的单色光信号，进而通过光信号的形式实现大量数据的高速传输。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机可读介质的实施例。
本实施例提供的上述计算机可读介质上可以存储有计算机指令。该计算机指令在由处理器执行时，可以实施上述任意一个实施例所提供的光子晶体分光器件的设计方法，从而提高光子晶体分光器件的分辨率，并实现光子晶体分光器件的小型化。通过使用该计算机指令，用户只需要提供待测光束的波长范围和预期的光子晶体分光器件的目标分辨率，即可快速地获得光子晶体分光器件的具体尺寸来进行光子晶体分光器件的制备。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (13)
1.一种光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，包括：
获取光子晶体的等频图，所述等频图指示所述光子晶体的分辨率参数的分布情况；
根据所述等频图中等频线的结构确定目标等频线；
对所述目标等频线进行曲线拟合；
根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度；以及
根据所述光子晶体分光器件的目标分辨率和所述入射光束的理想宽度确定所述光子晶体分光器件的尺寸。
2.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，所述获取光子晶体的等频图包括：
根据光子晶体的工作频率确定所述光子晶体的介质材料；
获取所述介质材料的光子晶体的等频图；以及
响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线，确定所述获取的等频图为目标等频图。
3.如权利要求2所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，还包括：
响应于获取的等频图中包括曲率为零的等频线，确定所述介质材料的光子晶体的晶格结构为目标晶格结构。
4.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，所述根据所述等频图中等频线的结构确定目标等频线包括：
根据所述等频图中光子晶体的分辨率参数的分布情况，确定分辨率参数达到104的连续区域为局部自准直区域；以及
确定一条经过所述局部自准直区域的等频线为所述目标等频线。
5.如权利要求4所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，所述确定一条经过所述局部自准直区域的等频线为所述目标等频线包括：
确定经过所述局部自准直区域，且存在最大r参数的等频线为所述目标等频线。
6.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，还包括：
根据光子晶体的晶格结构确定所述等频图中各等频线对应的归一化频率；
所述对所述目标等频线进行曲线拟合包括：
根据入射光束的宽度确定拟合范围；以及
根据所述拟合范围对所述目标等频线进行高次型曲线拟合，所述高次型曲线拟合包括三次型以上的曲线拟合。
7.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，所述根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度包括：
根据拟合的曲线确定入射光束折射进光子晶体后在展宽方向的光强分布，所述展宽方向平行于入射界面；以及
响应于折射光束的所有边峰的能量之和不超过所述折射光束的总能量的10%，确定所述入射光束的宽度为所述理想宽度。
8.如权利要求7所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，所述根据拟合的曲线确定入射光束的理想宽度还包括：
响应于多个折射光束的所有边峰的能量之和不超过对应折射光束的总能量的10%，确定其中宽度最小的入射光束的宽度为所述理想宽度。
9.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，所述根据所述光子晶体分光器件的目标分辨率和所述入射光束的理想宽度确定所述光子晶体分光器件的尺寸包括：
根据所述入射光束的理想宽度，确定将相差目标分辨率的两束不同频率的光束分辨开所需的距离；以及
根据所述所需的距离确定所述光子晶体分光器件在光束传播方向上的尺寸。
10.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，还包括：
根据光子晶体的晶格结构和入射波导的折射率确定所述入射波导的结构，所述入射波导的结构指示光束进入所述光子晶体的入射角度。
11.如权利要求1所述的光子晶体分光器件的设计方法，其特征在于，还包括：
根据光子晶体的工作频率确定入射波导和/或出射波导的介质材料。
12.一种光子晶体分光器件，其特征在于，所述光子晶体分光器件是由权利要求1-11中任一项所述的光子晶体分光器件的设计方法设计所得。
13.一种计算机可读介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在由处理器执行时实施如权利要求1-11中任一项所述的光子晶体分光器件的设计方法。
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| CN114924408A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-08-19 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种超宽带的光功率分束器的设计方法及设计*** |
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| CN110673335B (zh) | 2021-06-22 |
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