[发明专利]基于狄拉克点的光子晶体谐振腔和光子晶体光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体能带结构及谐振腔和波导技术，具体为基于光子晶体狄拉克点形成的新型光子晶体谐振腔和光子晶体光纤。

背景技术

依靠光子晶体光子带隙抑制光的发散可以形成光子晶体谐振腔和光子晶体光纤。光子晶体的一个重要应用就是构建光学谐振腔和波导。光学谐振腔和波导是现代光子学系统的重要基本单元，通过谐振腔和波导等基本构成单元之间的组合可以形成微型激光器、耦合器、滤波器、功分器等集成光学模块。组合的方式决定了组合单元之间相互作用特征，进而决定集成光学模块的功能，但是这些相互作用是建立在光子晶体所支持的局域模式重叠所引起的耦合上，而这些模式重叠部分的波场都是瞬逝波-强度随距离指数衰减的，所以依靠光子带隙抑制光的发散形成的传统光子晶体谐振腔和波导之间的作用是短程的。该局限性限制了这些谐振腔的空间布局，从而限制了模块可实现的功能。长程相互作用的引入不但可以提供一种额外的可供选择的耦合机理，而且还可以从根本上缓解空间布局上的这些限制，因此可以为光学和微波器件带来新的功能。

石墨烯的电子能带结构中有六个狄拉克点，位于六边形布里渊区的六个顶点。在狄拉克点附近电子有线性的E-k关系，其动力学行为与真空中的相对论电子相似，服从无质量的二维狄拉克方程。在与原子晶体的类比中，人们发现二维三角晶系或蜂巢晶系光子晶体拥有与石墨烯相似的能带结构，在布里渊区的六个顶点呈圆锥状。由于在圆锥顶点（狄拉克点）附近光子的运动服从无质量的二维狄拉克方程，这种介质有可能会支持一种特殊局域模式，模式间的相互作用表现出长程的性质。自从狄拉克点在光子晶体能带结构中被发现以来，人们对拥有这种结构的二维三角晶系和蜂巢晶系光子晶体进行了广泛深入的研究，在光子晶体的锯齿形边缘上观察到狄拉克频率附近的一维局域模，但是考虑到一维局域模式的形成不需要完全的光子晶体带隙，比如x方向传输的波导模式只需要光子晶体在y方向存在带隙就能够形成。而与一维局域模式不同，人们普遍认为二维局域模式只能够存在于完全的带隙中，因为任何一个方向只要没有带隙的抑制，局域模的能量就可能从那个方向泄漏出去，所以从事光学研究的学者相信狄拉克频率附近没有完全带隙，该频率二维局域模式是不可能存在的。

发明内容

本发明针对狄拉克频率附近局域模式存在与否的问题，颠覆了过去对二维局域模式存在条件的认识，利用狄拉克点的特殊性有效地抑制了光的发散，在没有完全带隙的情况下构建出了独特的局域模式，提出了基于狄拉克点的光子晶体谐振腔和光子晶体光纤，实现了长程耦合作用。新的光学模块必将带来新的功能和结构。

本发明所采用的技术方案如下：

基于狄拉克点的光子晶体谐振腔和光子晶体光纤，其特征在于：在三角晶系或蜂巢晶系光子晶体结构的中心引入缺陷，从而形成光子晶体谐振腔或光子晶体光纤，利用该类型光子晶体能带结构中的狄拉克点抑制光的散射，从而在没有完全带隙的情况下形成二维局域模式。

所述的中心有缺陷的光子晶体结构，如若局域模式沿纵向传输（波矢k_z≠0），则代表光子晶体光纤，如若局域模式不沿纵向传输（波矢k_z=0），则代表光子晶体谐振腔。

所述的光子晶体二维局域模式，存在于光子晶体完全带隙之外。该局域模式强度在空间随距离按幂函数r^-3/2衰减，模式相位在两个状态之间跳跃，显示出驻波的相位特征。

所述的光子晶体二维局域模式，品质因子随谐振腔面积线性增加，当不考虑材料的吸收时，增大谐振腔的尺寸可以无限制的提高模式的品质因数。

所述的光子晶体二维局域模式，不只存在于狄拉克频率，还存在于狄拉克频率周围一定范围的其它频率。

所述的光子晶体二维局域模式，当频率偏离狄拉克频率以后模式的能量不但会通过谐振腔的边界泄漏到周围空间，而且会通过散射泄漏到光子晶体的行波模式，局域模的品质因子将会有所下降，局域模有一定的带宽。

通过本发明，基于狄拉克点的光子晶体谐振腔和光子晶体光纤，所支持的局域二维模式模场强度是随距离是幂指数衰减的，决定了模式间的耦合作用是长程的，大大扩展了集成光学元件功能。

附图说明

图1(a)是由电介质棒组成的二维三角晶系光子晶体谐振腔及光子晶体光纤的结构和模式。

图1(b)是由电介质中的空气孔组成的二维三角晶系光子晶体谐振腔及光子晶体光纤的结构和模式。

图1(c)是由电介质棒组成的二维蜂巢晶系光子晶体谐振腔及光子晶体光纤的结构和模式。