[发明专利]二维类石墨烯复式结构光子晶体

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维类石墨烯复式结构光子晶体，属于信息光学光子晶体的技术领域。

背景技术

光子晶体是指具有光子带隙的周期性电介质结构，频率落在光子带隙中的光不能传播。按照光子晶体的光子禁带在空间中所存在的维数，可以将其分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。对应于在一维、二维、三维方向上电介质周期性排列的结构为一维、二维和三维光子晶体。二维光子晶体一般是介电常数为ε_a的圆形或方形介质柱在介电常数为ε_b的介质中呈二维周期性排列。

光子晶体能带研究中常用的方法有平面波展开法和时域有限差分法。平面波展开法是光子晶体能带研究中用的较早且较多的方法，它将电磁波在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开，将麦克斯韦方程组化为本征方程，然后求解得到本征频率，本征频率的集合即为光子能带。用时域有限差分法解Maxwell方程的主要步骤有：1.将Maxwell方程组分解为3个分量的标量方程。2.将空间沿轴向分割为Δx,Δy表示的小单元——Yee格点，Δt为时间元，则时空点用(iΔx,jΔy,nΔt)表示。3.用中心有限差分式来表示函数对时间和空间的偏导数，精确到二阶。如此就可得到Maxwell方程的FDTD形式。然后再附加稳定性条件和边界条件，使求解的有限空间和无限空间等效，这样处理后再求解Maxwell方程。

光子带隙是光子晶体的最大特征，影响光子带隙的主要因素是光子晶体的结构及两种电介质材料的介电常数比。光子晶体的带隙越宽，其在光通信器件中的应用性能就越好。增大介电常数比例和降低光子晶体结构的对称性，都可得到较大的光子禁带。在二维情形，通常的做法是在晶体原胞里引入两个或两个以上的介质柱，通过优化介质柱的尺寸，可以增大禁带宽度。

如何得到较大的光子带隙是光子晶体设计中的最本质问题。对于二维光子晶体，一般经验法则是：高折射率区被低折射率区纹理隔开或连接。对称性在设计大带隙光子晶体中扮演重要角色。例如在正方晶格和蜂巢晶格中，通过在原有的圆柱棒中加入更小的圆柱棒，降低对称性得到大带隙。

传统的二维光子晶体简单结构，其带隙率较低。如三角晶格圆形空气孔，当填充率f=0.84时，带隙宽度为0.092，居中频率等于0.479，此时带隙率达到最大值为19.2%；对于三角晶格正方形空气孔，当填充率f=0.84时，带隙宽度为0.057，居中频率等于0.475，此时带隙率达到最大值为12%；对于三角晶格圆形空气孔，当填充率f=0.8时，带隙宽度为0.102，居中频率等于0.438，此时带隙率达到最大值为23.3%。

由上文可以看出，传统的光子晶体带隙率较低，本发明构建的新型二维光子晶体的结构与现有的光子晶体结构相比，增大了带隙率，拓宽了光子晶体光通信器件的应用范围，能更好地用于实践。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种二维类石墨烯复式结构光子晶体。本发明所述的光子晶体通过在简单结构的基础上引入复式结构，增大光子晶体带隙，提高带隙率。

本发明的技术方案如下：

一种二维类石墨烯复式结构光子晶体，包括平板状基部、在所述平板状基部上设置的周期性排布的原胞单元，每个原胞单元包括第一电介质和第二电介质，所述第一电介质介电常数与所述第二电介质介电常数不同；每个原胞单元包括由第一电介质形成的正六角柱形空心结构、在所述正六角柱形空心结构中轴向设置的圆柱形介质柱；在所述正六角柱形空心结构中填充有第二电介质，所述第二电介质填充在正六角柱形空心结构和圆柱形介质柱之间；在相邻原胞单元之间设置有圆柱形介质柱；所述圆柱形介质柱的材质为第一电介质。

根据本发明优选的，所述第一电介质为砷化镓，第二电介质是空气；所述平板状基部的材质为砷化镓。

根据本发明优选的，所述每个原胞单元周围周期性排布有6个相同的原胞单元，所述原胞单元中圆柱形介质柱的横截面半径是r₁，所述相邻原胞单元之间圆柱形介质柱的截面半径是r₂，所述相邻正六角柱形空心结构之间的距离是b，所述正六角柱形空心结构的边长是a为晶格常数。

根据本发明优选的，当r₁=0，r₂=0，b=0.1820a时,TE带隙为0.2612-0.4638ωa/2πc，带隙率为55.89%。大于到目前为止所知的最大TE带隙率。