[发明专利]超高分辨率光子晶体超棱镜及其设计方法

说明书

本发明提供一种超高分辨率光子晶体超棱镜的设计方法，包括以下步骤：S1：选定介质材料，确定光子晶体的结构类型和结构参数；S2：获得光子晶体的等频图，寻找自准直区域；S3：获得所述等频图中各点的群速度分布，寻找低群速度区域；S4：优化光子晶体的结构参数，使光子晶体等频图中的自准直区域与低群速度区域尽可能重合，并把该重合区域定为工作区域；S5：获得等入射角线，并旋转所述光子晶体，使所述等入射角线与所述工作区域相交，并在交点中选取合适的入射角，完成光子晶体超棱镜的设计。当光以上述入射角入射时，光子晶体对光的频率非常敏感，能显著地把不同频率的光分开。本发明的光子晶体超棱镜集成性好，适用范围广，具有重要实用价值。

技术领域

本发明属于光电子、光通信领域，涉及一种超高分辨率光子晶体超棱镜及其设计方法。

背景技术

光子晶体在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，它是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，进而引起空间折射率的周期变化。当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系会出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。这些被终止的频率区间称为“光子频率禁带”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是无法传播的。我们将具有“光子频率禁带”的周期性介电结构称作为光子晶体。

光子晶体的折射率在空间周期性变化，能够有效地控制光子的传播行为。自光子晶体的概念被提出以来，人们就对光子晶体的应用给予广泛关注。特别是在光通信技术领域，光子晶体光纤、微谐振腔激光器、滤波器、集成光路等光子晶体器件有着广阔的应用前景。半导体材料微细加工技术的不断提高大大地推动了二维甚至三维光子晶体器件在实际中的应用步伐。近年来，光子晶体超棱镜及其应用于高性能光谱仪和波分复用器的设计成为了业界关注的热点，因为光谱仪和波分复用器是光通信、光探测等领域中的核心器件之一。

光子晶体超棱镜有能力在光子晶体内部把连续频率的电磁波按照一定的频道数分开。它的特点是一方面这种波分复用器体积小易于集成，而另一方面它具有很高的频率（波长）分辨能力。现有文献公开了一种光子晶体超棱镜，它利用光子晶体等频线尖锐变化的区域来工作。这种超棱镜不可避免的存在频率缺失、易串话、器件面积比较大等问题，不利于器件在集成光路中的应用。

因此，为避免上述问题，我们必须从新的物理机制出发，通过新设计获取新型的光子晶体超棱镜。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超高分辨率光子晶体超棱镜及其设计方法，用于解决现有技术中光子晶体超棱镜存在频率缺失、串话水平高、器件面积比较大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超高分辨率光子晶体超棱镜的设计方法，至少包括以下步骤：

步骤S1：选定介质材料，确定光子晶体的结构类型和结构参数；

步骤S2：获得所述光子晶体的等频图，在所述等频图中寻找自准直区域；

步骤S3：获得所述等频图中各点的群速度分布，寻找低群速度区域；

步骤S4：优化光子晶体的结构参数，使光子晶体等频图中的自准直区域与低群速度区域尽可能重合，并把该重合区域定为工作区域；

步骤S5：获得等入射角线，并旋转所述光子晶体，使所述等入射角线与所述工作区域相交，并在交点中选取合适的入射角，完成光子晶体超棱镜的设计。

可选地，所述介质材料选自硅、二氧化硅、锗、砷化镓及氮化镓中的至少一种。

可选地，所述结构类型包括二维结构或三维结构。

可选地，所述结构类型包括孔状结构或介质柱结构。