阅读说明：本技术 一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法 (Dirac-like point-based negative-refractive-index waveguide fast optical device and design method ) 是由 卓立强 赵泽阳 何真 邱伟彬 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法,负折射率波导快光器件包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件,入射光从所述芯层的一侧入射,从所述芯层的另一侧出射。本发明利用类狄拉克点附近频率可使光子晶体的有效折射率为负的特性,通过控制入射光的频率和芯层厚度,实现包层的负折射率,并使得光在芯层中具有负群速度,以及反向传播的行为。(A negative refractive index waveguide fast optical device based on Dirac-like points and a design method thereof are provided, wherein the negative refractive index waveguide fast optical device comprises an upper cladding and a lower cladding which are composed of a plurality of triangular lattice photonic crystals and arranged on a silicon plate and have negative refractive index; the core layer which is arranged between the upper cladding layer and the lower cladding layer and consists of silicon as a medium is further included; and the upper boundary, the lower boundary, the left boundary and the right boundary of the upper cladding and the lower cladding are scattering boundary conditions, and incident light enters from one side of the core layer and exits from the other side of the core layer. The invention utilizes the characteristic that the effective refractive index of the photonic crystal can be negative by using the frequency near the Dirac-like point, realizes the negative refractive index of the cladding by controlling the frequency of incident light and the thickness of the core layer, and ensures that light has negative group velocity and backward propagation behavior in the core layer.)

一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法

技术领域

本发明涉及微结构光子晶体元件，特别涉及基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法。

背景技术

光子晶体是一种不同介质在空间呈周期性分布的人工合成的材料，由于其晶格常数和工作波长在一个数量级上，基于光子晶体的快光器件更易于实现高度集成化，适应光电集成的发展趋势。

波导器件在光通信系统中扮演着重要角色，为了避免光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，绕射而引起发散，导致光束中心部分的强度不断地衰减，保证光束在传播过程中能量在纵向上受到限制，使得光束能够集中在芯层中传输，并且损耗和噪声降到最小，因此波导器件是必不可少的。目前，负折射率波导可由有效介电常数ε_eff以及有效磁导率μ_eff为负的左手材料(LHMs)构成(Taya S A,Qadoura I M.Guided modesin slab waveguides with negative index cladding and substrate[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013,124(13):1431-1436.)，而且负折射率波导可以实现反常色散现象，进而导致快光现象(即负群速度)(Zhang Y,Zhang X,Wang Y,et al.Reversible Fano resonance by transition from fast lightto slow light in a coupled-resonator-induced transparency structure[J].Opticsexpress,2013,21(7):8570-8586.)。近年来，通过控制快光的群速度，便可实现光脉冲(Lezama A,Akulshin A M,Sidorov A I,et al.Storage and retrieval of lightpulses in atomic media with“slow”and“fast”light[J].Physical Review A,2006,73(3):033806.)，传播纠缠态的量子相互信息(Clark J B,Glasser R T,Glorieux Q,etal.Quantum mutual information of an entangled state propagating through afast-light medium[J].Nature Photonics,2014,8(7):515.)等。但是由于材料的有效介电常数ε_eff和有效磁导率μ_eff在通常情况下为特定值，因此构成的负折射率波导功能较为局限，在实际应用中不是很便利。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法，通过控制入射光的频率，实现反常色散现象和光的反向传播。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件，入射光从所述芯层的一侧入射，从所述芯层的另一侧出射。

优选的，所述三角晶格光子晶体为空心空气介质柱，形成三角晶格核-壳光子晶体结构。

优选的，所述空心空气介质柱周期性地分布于硅介质中。

优选的，所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少。

另一方面，一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件的设计方法，包括：

S101，计算核-壳光子晶体的能带结构；

S102，调整核-壳结构光子晶体中的空气介质柱的占空比以实现在布里渊区中心的类狄拉克点；

S103，利用所述能带结构计算光子晶体的有效介电常数和有效磁导率；

S104，依据类狄拉克点的空气介质柱的占空比，在硅板上构造三角晶格光子晶体上包层和下包层，并在硅板中间留出预设厚度的芯层，所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件，入射光从所述芯层的一侧入射，从所述芯层的另一侧出射。

优选的，空气介质柱的占空比的计算方式如下：

f＝(r1-r2)/a

其中，f表示占空比，r1表示空气介质柱外半径，r2表示空气介质壳柱内半径，a表示晶格常数。

优选的，所述有效介电常数和有效磁导率的计算方法，如下：

其中，ε_eff表示光子晶体的有效介电常数；μ_eff表示光子晶体的有效磁导率；k_y表示波矢量的y分量；ω表示角频率；ε₀表示真空介电常数；μ₀表示真空磁导率；E_x表示本征电场沿x轴方向的平均值；H_z表示本征磁场沿z轴方向的平均值。

优选的，所述S104之后，还包括：

S105，将构造的光子晶体波导通过软件模拟，对其进行仿真分析，得到所设计的负折射率波导快光器件的仿真结果。

优选的，所述S105中仿真分析采用的方法为有限元数值方法。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的波导快光器件包括由设置在硅板上的多个三角晶格核-壳光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；通过控制入射光的频率，利用类狄拉克点频率附近有效介电常数ε_eff以及有效磁导率μ_eff与入射光频率成线性关系，使得光在芯层中具有负群速度，并实现反常色散现象和光的反向传播。

附图说明

图1是本发明的基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件结构图；

图2是本发明的三角晶格核-壳光子晶体的能带结构图；

图3是本发明的类狄拉克点处的三个简并模式的光场分布图；

图4是本发明的三角晶格核-壳光子晶体的有效介电常数ε_eff以及有效磁导率μ_eff；

图5是本发明的负折射率波导快光器件的仿真结果图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1所示，一方面，本发明一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，包括由设置在硅板10上的多个三角晶格光子晶体20组成的具有负折射率的上包层30和下包层40；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层50；所述上包层30和下包层40的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件，入射光从所述芯层50的一侧入射，从所述芯层50的另一侧出射。

所述三角晶格光子晶体20为空心空气介质柱，形成三角晶格核-壳光子晶体结构。

所述空心空气介质柱周期性地分布于硅介质中。

所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少。

另一方面，本本发明还公开了上述负折射率波导快光器件的设计方法，包括以下步骤：

S101，利用基于有限元方法的Comsol Multiphysics构建三角晶格核-壳(core-shell)光子晶体(空气介质柱周期性地分布于硅中)模型，对其原胞(光子晶体最小周期性单元)边界设置为Floquet周期性边界条件，并施加TE模式的电磁场，求其Brillouin Zone(布里渊区)中高对称点(M-Γ-K-M)所围区域边界的能带结构，即最终计算出三角晶格核-壳(core-shell)光子晶体(空气介质柱周期性地分布于硅中)的能带结构；

S102，调整三角晶格核-壳光子晶体中的空气介质柱的占空比f(空气介质柱占空比f＝(r1-r2)/a，r1表示空气介质柱外半径，r2表示空气介质壳柱内半径，a表示晶格常数)，实现在布里渊区中心的类狄拉克点；计算结果参见图2所示，在晶格常数a＝1um，介质壳柱外半径r1＝0.42a，介质壳柱外半径r2＝0.1781a时，在布里渊区中心出现类狄拉克点，且其频率为171.85THz(～1.7457um)，参见图3中(a)-(c)为类狄拉克点处的三个简并模式的光场分布；

S103，利用计算能带所导出的数据计算有效介电常数ε_eff以及有效磁导率μ_eff，如下：

其中，ε_eff表示光子晶体的有效介电常数；μ_eff表示光子晶体的有效磁导率；k_y表示波矢量的y分量；ω表示角频率；ε₀表示真空介电常数；μ₀表示真空磁导率；E_x表示本征电场沿x轴方向的平均值；H_z表示本征磁场沿z轴方向的平均值。

有效介电常数ε_eff以及有效磁导率μ_eff的计算结果如图4所示。

S104，依据类狄拉克点的空气介质柱的占空比f，在硅板上构造三角晶格光子晶体上包层和下包层，并在硅板中间留出预设厚度的芯层，所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件，入射光从所述芯层的一侧入射，从所述芯层的另一侧出射。所述负折射率波导快光器件的宽度在保持光子晶体结构和边界条件不变的前提下能够增大或减小，即所述空气介质柱的数量能够增加或减少，所设计负折射率波导如图1所示；

S105，将构造的光子晶体负折射率波导通过软件模拟，采用有限元数值方法对其进行仿真分析，得到所设计的负折射率波导快光器件的仿真结果。参见图5所示，(a)为频率为154THz的入射光，由厚度d＝4.5μm的芯层入射，此时上下包层的折射率为负，光在芯层中具有负群速，并且反向传播；(b)为频率为176THz的入射光，由厚度d＝2.5μm的芯层入射，此时上下包层的折射率为正，光在芯层中正向传播。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。