CN115032742A - 一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置。本发明提出了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，尺寸小，性能稳定，具有更高的Q值和更低的模式体积V。

Description

一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构
技术领域
本发明公开了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，涉及光学器件技术领域。
背景技术
光子晶体是一种人工制成的，结构极小的，具有一定的周期性，由有着不同折射率的介质排列而成的微型结构；根据其介电常数周期性排列的维度不同，可以将光子晶体分为三种，即一维光子晶体，二维光子晶体，三维光子晶体。
一维光子晶体是一种最简单的光子晶体，是由不同介电常数的材料层交叠而成，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在另外两个平行于介质层面方向上介电函数不会随着空间位置变化。在这种结构中，它的缺陷态可以局域光的能量。
光子晶体纳米梁腔是一种典型的光子晶体微腔，其通过在一维光子晶体中人为引入缺陷以破坏原有结构的周期性，使得原本处于禁带中无法传播的特定频率的光(通常称之为谐振频率)能够通过光子晶体，从而构成了所谓的谐振腔结构。其中品质因子Q和模式体积V是两个衡量光子晶体性能的重要指标。
但现有的技术很难同时满足高品质因子Q和低模式体积V。如Judson D.Ryckman和S.M.Weiss[3]提出的狭缝型的一维光子晶体纳米梁微腔拥有极小的模式体积，但品质因子Q较低，只有104级别。Yiyang Gong和Jelena
Figure BDA0003709940720000011
[4]发明的介质孔为矩型的一维光子晶体纳米梁微腔的模式体积较大，为2.0(λ/n)3,Q值也仅仅为16000。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，结构精巧，性能稳定。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构。
进一步的，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置，菱形空气孔具有更好的封闭性，使得光能更加集中，光场高度集中于波导中间位置；波导两端加装的一段圆形空气孔作为分布式布拉格反射镜(DBR)，DBR是由高、低折射率材料交替排列组成的高反射膜，能够反射光能；在波导两端加入DBR有助于减少波导耦合消耗，并且形成反射，使得更多的光能储存在波导中，提高了品质因子。
进一步的，所述的锥形渐变区的菱形空气孔的半径由中间向两侧增大，且菱形空气孔的半径变化呈抛物线形，显著减小了辐射损耗，从而大大提高了一维光子晶体的品质因子Q。
进一步的，所述菱形空气孔的半径渐变函数为：
Ri＝Rc+(Re-Rc)*(i-1)2/(M-1)2
其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；M为单侧菱形空气孔的总个数，2M为菱形空气孔的总个数，Rc为最接近中心线的菱形空气孔的半径，Re为中心线最外侧菱形空气孔的半径，Ri为第i个菱形空气孔的半径。
进一步的，锥形渐变区的晶格常数ak从中间向两侧边缘逐渐增大，根据等差函数ak设定，且锥形渐变区的菱形空气孔的最大晶格常数与镜面区的圆心空气孔的晶格常数相等，
ak＝283.5+23.25*k；
其中：ak表示从波导的中心线向一侧排列的第k个菱形空气孔和第k+1个菱形空气孔之间的晶格常数，k表示从波导的中心线向一侧开始的第k个菱形空气孔，k＝＝[1，M-1]，2M为菱形空气孔的总个数。
进一步的，圆形空气孔最大的晶格常数amax＝λ0/2neff，
所述波导的高度：0.5amax≤H≤1.2amax，
所述波导的宽度：1.1amax≤W≤2.5amax，
所述波导的长度：2((2M+N-1)amax+Re)≤L
所述菱形空气孔的总个数：2≤2M≤20
所述圆形空气孔的总个数：2≤N≤50
其中：neff为波导的有效折射率，λ0为微腔结构目标谐振波长。
进一步的，所述的波导采用硅材料制成。
一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构的设计方法，进一步的，包括：
确定器件工作波长λ0；
确定镜面区的圆形空气孔的晶格常数amax；
确定器件高度H；
设置器件宽度W；
确定中心菱形孔半径Rc；
确定最外侧空气菱形孔的半径Re；
构建锥形渐变区的其余菱形孔的半径；
构建锥形渐变区菱形孔的晶格常数ak
实际对品质因子Q和透过率的要求，选择合适的菱形孔个数2M；
确定圆形孔的半径Re；
实际对品质因子Q和透过率的要求，选择合适的圆形镜子孔个数N；
根据设计的孔的数量和大小，确定一维光子晶体纳米梁微腔的总长度L。
有益效果：
1.本发明提出的菱形空气孔做渐变区部分，镜面区为圆形孔的结构，我们提出的这种混合型结构能给光子晶体带来更好的性质：光子晶体更加稳定，光学损耗更小；对于菱形空气孔结构，其特殊在于光能主要集中于菱形的尖端；相较于常用的圆形空气孔，菱形空气孔具有更好的封闭性，使得光能更加集中，从电场图可以看出，光场高度集中于中间即菱形部分，使得模式体积很小。
2.本发明设计光子晶体微腔的方法简单易实现；本申请采用了一种确定性设计方法来设计高Q值一维光子晶体波导微腔，该方法主要基于能带计算和模式匹配理论，该方法设计过程直接，不需要进行基于尝试性方法的参数扫描计算，因此对计算资源要求较低，并且可以得到我们预先设定的目标谐振波长。
3.本发明光子晶体的锥形渐变区的晶格常数是渐变的。锥形渐变区中晶格常数根据等差函数由中间向两边逐渐增大，这样的设计形成了光学势阱。能够将大量的光能集中，从而大大减小了模式体积和增大了品质因子。
附图说明
图1为菱圆混合型光子晶体纳米梁微腔结构俯视图；
图2为菱圆混合型光子晶体纳米梁微腔结构主视图；
图3为菱圆混合型光子晶体纳米梁微腔光场谐振分布图；
图4为菱圆混合型光子晶体纳米梁微腔谐振峰图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1～3所示的一种实施例，一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构，所述的波导采用硅材料制成。
所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置，菱形空气孔具有更好的封闭性，使得光能更加集中，光场高度集中于波导中间位置；波导两端加装的一段圆形空气孔作为分布式布拉格反射镜(DBR)，DBR是由高、低折射率材料交替排列组成的高反射膜，能够反射光能；在波导两端加入DBR有助于减少波导耦合消耗，并且形成反射，使得更多的光能储存在波导中，提高了品质因子。
所述的菱形空气孔的半径由中间向两侧呈抛物线形增大，显著减小了辐射损耗，从而大大提高了一维光子晶体的品质因子Q。
所述菱形空气孔的半径渐变函数为：
Ri＝Rc+(Re-Rc)*(i-1)2/(M-1)2
其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；M为单侧菱形空气孔的总个数，2M为菱形空气孔的总个数，Rc为最接近中心线的菱形空气孔的半径，Re为中心线最外侧菱形空气孔的半径。
锥形渐变区的晶格常数ak中间线向两侧边缘逐渐增大，根据等差函数ak设定，
ak＝283.5+23.25*k；
其中：ak表示从波导的中心线向一侧排列的第k个菱形空气孔和第k+1个菱形空气孔之间的晶格常数，k表示从波导的中心线向一侧开始的第k个菱形空气孔，k＝＝[1，M-1]，2M为菱形空气孔的总个数。
进一步的，圆形空气孔最大的晶格常数amax＝λ0/2neff，
所述波导的高度：0.5amax≤H≤1.2amax，
所述波导的宽度：1.1amax≤W≤2.5amax，
所述波导的长度：2((2M+N-1)amax+Re)≤L
所述菱形空气孔的总个数：2≤2M≤20
所述圆形空气孔的总个数：2≤N≤50
其中：neff为波导的有效折射率，λ0为微腔结构目标谐振波长。
上述实施例的设计方法：
(1)首先确定设计器件的谐振波长，本发明的所有器件均工作在谐振波长λ0＝1382nm(约216THz)附近。
(2)确定镜面区的晶格常数amax:首先利用布拉格反射的条件amax＝λ0/2neff可以计算出最大的晶格常数amax；其中2neff表示工作波长下，波导中稳定存在的模式的有效折射率，因为我们采取硅作为波导材料，将折射率代入上式求得amax＝423nm。则镜面区空气孔的晶格常数均为amax，锥形渐变区最外侧菱形空气孔和相邻的菱形空气孔之间的晶格常数也设为amax。
(3)确定器件高度H：品质因子Q随着器件高度H变化而变化，对微腔的高度经过***性的仿真模拟，测试了高度H在0.5amax～1.2amax范围下微腔的品质因子Q，最终选择一个平衡值H＝393.3nm，此时微腔具有较高的品质因子，同时有相对高的透射率。
(4)设置纳米梁腔的宽度W：W越大，则每个周期内高折射率材料(硅)所占面积比例越大，从而具有更高的有效折射率；高折射率可以减小辐射损耗，提高微腔的品质因子，但是过宽的波导会引入高阶模式；因此经过***性的分析，考察了宽度W为1.1amax～2.5amax下微腔的品质因子Q，最终选择一个平衡值W＝930.6nm，此时微腔具有较好的品质，且是单模特性。
(5)确定中心菱形孔半径Rc：根据目标谐振波长λ0和镜面区晶格常数amax计算微腔的能带，为了使得微腔的谐振波长在光波附近，我们取中心区域的圆孔半径Rc＝92.3342nm，保证其介质能带边缘处在目标波长附近。
(6)确定最外侧空气菱形孔的半径Re：保持宽度W不变，通过计算边缘圆孔半径下的能带，使得其正好位于光子禁带正中间，此时，缺陷模式能被两边光子带隙效应以最大程度地限制在微腔中心区域，计算得Re＝118.14nm。
(7)接着开始构建菱形孔部分的半径:根据二次方渐变的方式构建中心菱形孔与最外侧空气菱形孔之间菱形的孔的半径大小，半径渐变函数为：
Ri＝Rc+(Re-Rc)*(i-1)2/(M-1)2
其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；2M为第一空气孔的总个数，Rc为最接近中心线的第一空气孔的半径，Re为中心线最外侧第一空气孔的半径。
使得菱形空气孔的半径从中心向两边依次增大，这样的设计具有较大品质因子Q和较小的模式体积V。
(8)把锥形渐变区最外侧菱形空气孔和相邻的菱形空气孔之间的晶格常数amax作为锥形渐变区最大的晶格常数aM，接着，锥形渐变区的晶格常数a根据等差函数ak＝283.5+23.25*k，由两边边缘向中间逐渐减小。其中：ak表示从波导的中心线向一侧排列的第k个菱形空气孔和第k+1个菱形空气孔之间的晶格常数，k表示从波导的中心线向一侧开始的第k个菱形空气孔和相邻菱形空气孔间的距离，k＝[1，M-1]，2M为菱形空气孔的总个数。
(9)确定菱形孔个数：根据实际对品质因子Q和透过率的要求，选择合适的渐变菱形空气孔个数2M：对2M取2～20进行***性的仿真模拟，得到当取2M＝14时有较大Q值。
(10)确定圆形孔的半径:因为镜面区的空气孔半径均保持一致可以形成为分布式布拉格反射镜，能增大Q值。因此，则镜面圆形空气孔的半径均取Re。
(11)根据实际对品质因子Q和透过率的要求，选择合适的圆形镜子孔个数N:对N取2～50进行***性的仿真模拟，取N＝34时有较大Q值。
(12)最后根据设计的孔的数量和大小,要求微腔的长度要容纳的下所有的空气孔，因此波导长度L≥2((2M+N-1)amax+Re)，最终确定一维光子晶体纳米梁微腔的总长度L＝20000nm。
如图4所示，经过仿真模拟计算后，最终得到高达135553的品质因子Q，模式体积V为0.139(λ/n)3的一维光子晶体纳米梁微腔；该结构电场能量主要集中于腔的中心，并且由中心向两边逐渐降低；含有有两个谐振峰，分别为205THZ和216THZ。
本发明提出了一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，尺寸小，性能稳定，具有更高的Q值和更低的模式体积V，本发明有高达105级别的品质因子Q，同时具有低至10-1级别的极小的模式体积V。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，包括：波导、菱形空气孔和圆形空气孔；菱形空气孔和圆形空气孔分别在横截面为矩形的波导上呈周期排列，圆形空气孔对称设置在菱形空气孔的两侧，在波导上形成线缺陷的微腔结构。
2.根据权利要求1所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述的线缺陷包括：锥形渐变区和镜面区，锥形渐变区包括：半径渐变的菱形空气孔，镜面区包括：半径不变圆形空气孔，锥形渐变区的菱形空气孔沿着波导的中心线对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述的锥形渐变区的菱形空气孔的半径由中间向两侧增大，且菱形空气孔的半径变化呈抛物线形。
4.根据权利要求3所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述菱形空气孔的半径渐变函数为：
Ri＝Rc+(Re-Rc)*(i-1)2/(M-1)2
其中：i为从波导的中心线向两侧依次排列的第i个菱形空气孔，i＝[1，M]；M为单侧菱形空气孔的总个数，Rc为最接近中心线的菱形空气孔的半径，Re为中心线最外侧菱形空气孔的半径，Ri为第i个菱形空气孔的半径。
5.根据权利要求2所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，锥形渐变区的菱形空气孔的晶格常数ak由中间向两侧边缘逐渐增大，根据等差函数ak设定，且锥形渐变区的菱形空气孔的最大晶格常数与镜面区的圆心空气孔的晶格常数相等；
ak＝283.5+23.25*k；
其中：ak表示从波导的中心线向一侧排列的第k个菱形空气孔和第k+1个菱形空气孔之间的晶格常数，k表示从波导的中心线向一侧开始的第k个菱形空气孔，k＝＝[1，M-1]，2M为菱形空气孔的总个数。
6.根据权利要求5所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，圆形空气孔最大的晶格常数amax＝λ0/2neff，
所述波导的高度：0.5amax≤H≤1.2amax，
所述波导的宽度：1.1amax≤W≤2.5amax，
所述波导的长度：2((2M+N-1)amax+Re)≤L
所述菱形空气孔的总个数：2≤2M≤20
所述圆形空气孔的总个数：2≤N≤50
其中：neff为波导的有效折射率，λ0为微腔结构目标谐振波长。
7.根据权利要求1所述的一种菱圆混合型一维光子晶体纳米梁微腔结构，其特征在于，所述的波导采用硅材料制成。
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