一种二维光子晶体波导结构

1.本实用新型属于光学领域，具体涉及一种二维光子晶体波导结构。


背景技术：

2.光子晶体是一种具有周期性结构的人工材料，通过不同折射率的材料在空间中周期性排列所构成，由于存在光子带隙这一特性，故对其中通过引入线缺陷可以形成波导，并进一步地在此基础上做出几何形的波导回路，可以控制光子在其中的运动，达到以低损耗的方式控制光波传输路径的目的。
3.相比传统通讯领域中基于电子的传输技术，光子具有更快的传输速度和更大的信息容量，且光子之间没有相互作用，集成度更高，从而使得基于光子传输特性构成的光学器件具有体积小、易大规模集成、效率高等优点，正因如此，光学器件代替传统的电子器件几乎将成为未来的趋势。同时也因类似于近年来量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应深入研究诞生的拓扑绝缘体(一种整体绝缘但表面导电且单向传播的材料)，光子晶体凭借着其光子带隙这一最基本特性而推动了光通信技术的发展。
4.基于上述情况，为进一步提升光子晶体在光通信领域的应用，需对光子晶体波导的结构及特性做进一步的探索与研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种二维光子晶体波导结构，用于给出一种在无外加磁场的情况下仍拥有更为直观效果的二维光子晶体耦合特性与传输特性的结构模型。
6.本实用新型通过以下技术手段实现上述技术目的。
7.一种二维光子晶体波导结构，在光子晶体内设有一对直线波导，在两直线波导之间设有围腔。
8.进一步地，所述光子晶体由两种介质柱在空气背景中周期性排列构成，每种介质柱内相邻三个介质柱之间呈正三角形排列。
9.进一步地，所述介质柱分为平庸态介质柱和拓扑态介质柱；平庸态介质柱半径两两之间距离为a；拓扑态介质柱半径r2＝a/6.24，两两之间距离为a/2，其中a为晶格常数；所述两种介质柱的材料都为硅。
10.进一步地，所述围腔为正六边形；围腔靠近两侧直线波导的两边与直线波导平行。
11.进一步地，所述直线波导和围腔都是通过在两种介质柱之间引入线缺陷制成，直线波导和围腔的波导宽度相等。
12.进一步地，所述直线波导和围腔的波导宽度相等，且波导宽度
13.进一步地，两直线波导之间的围腔个数为一个，围腔与两侧的直线波导之间均间隔两排拓扑态介质柱。
14.进一步地，两直线波导之间的围腔个数为多个，并垂直于直线波导排列。
15.进一步地，所述围腔个数为两个，两者之间间隔三排拓扑态介质柱。
16.进一步地，所述围腔内侧正六边形边长
17.本实用新型的有益效果为：
18.(1)本实用新型给出了一种新型的二维光子晶体波导结构，在两平行的直线波导之间设置围腔，通过围腔构成耦合器，使得本实用新型二维光子晶体波导结构具有一种耦合特性；当从一侧直线波导入射的光波满足特定的频率时会触发耦合作用，进而从另一侧的直线波导中反向射出。本实用新型波导结构的耦合特性，可用于光通讯领域中实现滤波功能，或应用于光循环器领域。
19.(2)本实用新型波导结构中，采用正六边形的围腔，相比于其他例如圆形围腔，结构更加直观，扫描过程以及相应的操作更为方便。
20.(3)本实用新型波导结构中的正六边形围腔可设置多个，并垂直于直线波导排列；设置多个围腔不会改变整体的耦合特性，但是为以本实用新型波导结构为基础构建出更复杂庞大结构的波导通路提供便利。
附图说明
21.图1为本实用新型二维光子晶体波导结构图；
22.图2为本实用新型二维光子晶体波导结构光波耦合试验结果图；
23.图3为本实用新型波导结构另一组耦合试验结果图；
24.图4为本实用新型采用双围腔时耦合试验结果图。
25.附图标记：
26.11
‑
平庸态介质柱；12
‑
拓扑态介质柱；21
‑
直线波导；22
‑
围腔。
具体实施方式
27.下面详细描述本实用新型的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
28.如图1所示为本实用新型二维光子晶体波导结构图，其中所示的光子晶体包含两种不同的介质柱，两种介质柱分别周期性排列在空气背景中，其中每种介质柱内，相邻三个介质柱之间呈正三角形排列。图中大圆所示的为平庸态介质柱11，其半径图中小圆所示的为拓扑态介质柱12，其半径r2＝a/6.24；平庸态介质柱11两两之间距离(即图中相邻两大圆圆心距)d1＝a，拓扑态介质柱12两两之间距离(即图中相邻两小圆圆心距)d2＝a/2，其中a为晶格常数；以上两种介质柱均由硅材料制成，硅材料的介电常数为11.7，空气背景的介电常数为1。两种介质柱的折射率不同，在两介质柱交界处，通过消去若干排介质柱，即引入线缺陷的方法，便可制成波导。
29.如图1所示的二维光子晶体波导结构，包括两个相互平行的直线波导21，在两直线波导21之间设有一个正六边形的围腔22，且正六边形围腔22中靠近两侧直线波导21的两边与直线波导21平行；直线波导21与围腔22都是通过前述在两介质柱之间引入线缺陷的方法
制成，且两者的波导宽度相等，波导宽度会影响边界模式线(即图2
‑
4中光斑所在连线)的位置，最优情况是边界模式线恰好处在带隙正中间，本实施例通过不断优化模拟给出一个优选波导宽度所述围腔22内侧的正六边形边长围腔22与两侧的直线波导21之间均间隔两排拓扑态介质柱12。
30.上述直线波导21之间的围腔22构成波导耦合器，由于围腔22正六边形的几何性质，使得该图形周边均为具有60
°
角的弯曲形波导，通过仿真试验，发现光波频率f处在(1.5713*e
14
hz，1.5729*e
14
hz)时，出现较强的耦合现象，试验结果如图2所示：入射光源设置在图示左上角直线波导21内的p点，图中较亮的光斑反应出光波的传播路径。由图2看出，光波从p点射入上方的直线波导21，并严格按波导方向向右单向传播，在途径正六边形的围腔22时，发生耦合作用，进而通过围腔22传输到下方的直线波导21中，最后在下方直线波导21内朝入射方向相反的方向射出。上述触发耦合作用时的光波从射入到射出整个过程都满足单向传播特性，具体的，光波由上方直线波导21左半段耦合进入围腔22后，未出现残留部分光波继续沿上方波导21右半段射出的情况；光波由围腔22耦合进入下方直线波导21后，全部光波都经下方波导左半段向左射出，未出现光波从左右两个方向同时射出的情况。
31.除上述试验发现的光波频率外，还测试发现光波频率f处在(1.6129*e
14
hz，1.6161*e
14
hz)时，也同样触发了类似的耦合特性，其结果如图3所示；同样的，除以上事例找出的两组频率范围外，还存在其他的能触发耦合特性的光波频率，在此不一一列举。通过上述试验证明，本实用新型二维光子晶体波导结构，在无任何外加磁场的情况下，就能够使得特定频率的光波触发波导结构中作为耦合器的围腔22的耦合作用，从而低损耗得改变此特定频率的光波传输方向。此特性可在光通讯领域中实现滤波功能；亦或者应用于光循环器领域中。
32.如图4所示，在本实施例中，在两直线波导21之间设置有两个正六边形围腔22，两围腔22尺寸与前述试验中的相同，且两围腔22垂直于直线波导21排列，两者之间间隔三排拓扑态介质柱12。同样如前述试验，在图示左上角的直线波导21内设置光源，光波经双围腔22耦合进入下方的直线波导21内，之后沿反方向射出。由上述试验证明，本实用新型二维光子晶体波导结构中，两平行的直线波导21之间可设置多个垂直于直线波导21排列的围腔22，且设置多个围腔22与设置单个围腔22耦合特性相同。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。