一種光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法20090821講述

1、說 明 書 摘 要一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法，首先根據(jù)工作波長選擇合適的介質(zhì)柱材料和背景介質(zhì)材料；接著設計一個二維光子晶體結構；然后將二維光子晶體在y方向的中間位置上及由該位置沿x方向上的所有介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導，在波導出射端后加上一排圓形介質(zhì)柱構成非對稱光柵出射面，設定光柵出射面需要優(yōu)化的參數(shù)；最后在波導后的發(fā)射空間中設置一個的平面能量探測器，采用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流即可得到非對稱光柵出射面的最優(yōu)設計參數(shù)，從而完成沿角發(fā)射的高效率二維光子晶體定向發(fā)射器設計。本發(fā)明的方法簡單易行，設計出的發(fā)射器的傳輸效率高且發(fā)射角度可精控。2摘 要 附 圖

2、權 利 要 求 書1、一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、根據(jù)工作波長選擇合適的介質(zhì)柱材料和背景介質(zhì)材料來構建二維光子晶體；步驟2、設介質(zhì)柱和背景介質(zhì)材料構成的光子晶體的晶格常數(shù)為a；步驟3、取介質(zhì)柱的截面尺寸為r，r的范圍為0.3a到0.7a，假設垂直于紙面方向為z軸方向，介質(zhì)柱的軸向為z方向；步驟4、設計一個長為j×a，寬為k×a的二維光子晶體結構，其中j、k為大于等于1的整數(shù)；假設寬邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；步驟5、將二維光子晶體在y方向的中間位置上及由該位

3、置沿x方向上的所有介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導；步驟6、在波導出射端后加上一排介質(zhì)柱作為單層光柵出射面，設定該排介質(zhì)柱需要優(yōu)化的參數(shù)；步驟7、在波導后的發(fā)射空間中設置一個寬度為l的平面能量探測器，探測器中心離波導出射端的距離為d，探測器平面的法線方向與x方向的夾角為； 步驟8、計算上述能量探測器的平均時間能流；步驟9、采用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流，即可得到步驟6中單層光柵出射面的最優(yōu)設計參數(shù)；步驟10、結合步驟5中得到的二維光子晶體波導和步驟9中設計得到的單層光柵出射面，即構成了沿角發(fā)射的高效率二維光子晶體定向發(fā)射器。2、根據(jù)權利要求1所述的一種高效率二維光子晶體偏軸定向

4、發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟1中的介質(zhì)柱材料為硅或玻璃或砷化鎵，背景介質(zhì)材料為空氣。3、根據(jù)權利要求1所述的一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟2中的二維光子晶體的晶格常數(shù)a為0.3到0.5。4、根據(jù)權利要求1所述的一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟3中介質(zhì)柱截面為圓形，介質(zhì)柱的排列方式為正方形。5、根據(jù)權利要求1所述的一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟6中的介質(zhì)柱的截面為圓形，且關于波導軸線構成非對稱光柵出射面；若將該非對稱光柵出射面分為沿波導軸線分為上下兩個子出射面，那么需要優(yōu)化的參數(shù)為8個，分別

5、為：上子出射面上介質(zhì)柱的直徑r1，上子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r2，上子出射面離波導軸線的距離r3，上子出射面離波導出射端的距離r4，下子出射面上介質(zhì)柱的直徑r5，下子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r6，下子出射面離波導軸線的距離r7，下子出射面離離波導出射端的距離r8；上述8個參數(shù)的變化范圍分別為0，a、a，2a、0，2a、0，2a、0，a、a，2a、0，2a和0，2a。6、根據(jù)權利要求1所述的角度可控型高效率二維光子晶體定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟7中的平面能量探測器的寬度l范圍為4a到8a；探測器中心離波導出射端的距離d的范圍為40a到60a；探測器平面的法線方向與x方向的夾

6、角的范圍為0度到80度。7、根據(jù)權利要求1所述的角度可控型高效率二維光子晶體定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟8中的能量探測器的平均時間能流采用時域有限差分法（fdtd）計算，具體表達式為：其中和代表光源處的電場及磁場強度；和代表探測器處的電場及磁場強度，和則代表fdtd的空間步長，代表fdtd的時間步長，和代表探測器的開始和結束時間，pd（）代表能量探測器的平均時間能流強度，l為探測器的寬度。8、根據(jù)權利要求1所述的角度可控型高效率二維光子晶體定向發(fā)射器的設計方法，其特征在于，步驟9利用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流包括以下步驟:（1）設定遺傳算法的控制參數(shù)，包括初始種群規(guī)模

7、nc、最大進化代數(shù)、交叉概率和變異概率；（2）對非對稱光柵出射面中的8個參數(shù)進行實數(shù)編碼，表示一個染色體，隨機生成包含nc個染色體的初始種群；（3）根據(jù)探測器的平均時間能流公式來計算每個染色體的適應度值；（4）依次采用選擇、交叉和變異三個遺傳算子來一代一代進化初始種群從而搜索探測器的最大平均時間能流值；（5）達到最大進化代數(shù)后停止搜索并輸出8個參數(shù)的最優(yōu)值，從而生成非對稱光柵出射面最優(yōu)設計結構。說 明 書 一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法技術領域本發(fā)明涉及一種二維光子晶體定向發(fā)射器的設計方法，特別是一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法。背景技術光子晶體是由不同折射率介質(zhì)

8、材料通過周期性排列而構成的一種人工材料，人們可以利用光子晶體的禁帶和光子局域化效應來控制光子的傳輸行為，從而為制造光子集成器件提供可能。二維光子晶體波導是二維光子晶體一個非常重要的應用，同時也是一種典型的亞波長器件，然而由于衍射極限的存在，波導出射光在傳播空間中會出現(xiàn)與器件尺寸相比無法忽略的角度發(fā)散，因此極大的影響了光子晶體波導與其它波導器件之間的耦合效率。2004年，moreno等人率先提出了在二維光子晶體波導端口后構造褶皺出射面，通過在出射面上激發(fā)起表面態(tài)并耦合到輻射波中來解決出射光的衍射極限問題并設計出光子晶體定向發(fā)射器。由于該褶皺出射面沿著波導軸線對稱，因此定向發(fā)射器的發(fā)射方向沿著波導

9、軸線。最近的研究發(fā)現(xiàn)，若給褶皺出射面沿著波導兩端設置不同的單元周期或介質(zhì)折射率，即構成非褶皺出射面，便可以設計出偏軸定向發(fā)射器。然而目前國內(nèi)外在二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器件的設計上依然存在三個主要的問題：（1）定向發(fā)射效率低；（2）定向發(fā)射角度不可精控；（3）結構復雜。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種新的方法來設計出結構簡單且定向發(fā)射角度可精控的高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器。實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術解決方案為：（1）根據(jù)工作波長選擇合適的介質(zhì)柱材料和背景介質(zhì)材料來構建二維光子晶體；（2）設介質(zhì)柱和背景介質(zhì)材料構成的光子晶體的晶格常數(shù)為a；（3）取介質(zhì)柱的截面尺寸為r，r

10、的范圍為0.3a到0.7a，假設垂直于紙面方向為z軸方向，介質(zhì)柱的軸向為z方向；（4）設計一個長為j×a，寬為k×a的二維光子晶體結構，其中j、k為大于等于1的整數(shù)；假設寬邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；（5）將二維光子晶體在y方向的中間位置上及由該位置沿x方向上的所有介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導；（6）在波導出射端后加上一排介質(zhì)柱作為單層光柵出射面，設定該排介質(zhì)柱需要優(yōu)化的參數(shù)；（7）在波導后的發(fā)射空間中設置一個寬度為l的平面能量探測器，l的范圍為4a到8a；探測器中心離波導出射端的距離為d，d的范圍為40a

11、到60a；探測器平面的法線方向與x方向的夾角為，的范圍為0度到80度；（8）采用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流，即可得到步驟6中單層光柵出射面的最優(yōu)設計參數(shù)；（9）結合步驟5中得到的二維光子晶體波導和步驟8中設計得到的單層光柵出射面，即構成了沿角發(fā)射的高效率二維光子晶體定向發(fā)射器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為： （1）不需根據(jù)出射面上的介質(zhì)柱信息給出控制定向發(fā)射角度的公式，只需通過改變探測器平面的法線方向與x方向的夾角的大小，即可實現(xiàn)二維光子晶體定向發(fā)射器定向發(fā)射方向的精確控制。（2）可以避免考慮出射面上參數(shù)和定向發(fā)射效率之間的關系，只需要設置每個參數(shù)的變化范圍并采用遺傳算法

12、搜索探測器的能量最大值即可實現(xiàn)發(fā)射角為的高效率二維光子晶體定向發(fā)射器設計。（3）相對于文獻報道的非對稱褶皺出射面，本發(fā)明所采用的非對稱光柵出射面的結構實現(xiàn)了簡化。附圖說明圖1為利用本發(fā)明的方法設計的高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的結構示意圖。圖2為實施例1所得光子晶體定向發(fā)射器的結構以及出射光強分布圖。圖3為實施例2所得光子晶體定向發(fā)射器的結構以及出射光強分布圖。圖4為實施例3所得光子晶體定向發(fā)射器的結構以及出射光強分布圖。圖中附圖標記及其對應部分為：1為非對稱光柵出射面；r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8為待優(yōu)化參數(shù)；2為能量探測器；l為探測器的寬度；d為探測器中心離波導出射端

13、的距離；3為二維光子晶體晶格，晶格周期為a；4為入射光源；為探測器平面的法線方向與x方向的夾角。具體實施方式下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。結合圖1，本發(fā)明的一種高效率二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的設計方法，包括以下步驟：步驟1、根據(jù)工作波長選擇合適的介質(zhì)柱材料和背景介質(zhì)材料來構建二維光子晶體；所述介質(zhì)柱材料為硅或玻璃或砷化鎵，背景介質(zhì)材料為空氣。步驟2、設介質(zhì)柱和背景介質(zhì)材料構成的光子晶體的晶格常數(shù)為a，a為0.3到0.5；步驟3、取介質(zhì)柱的截面尺寸為r，r的范圍為0.3a到0.7a，假設垂直于紙面方向為z軸方向，介質(zhì)柱的軸向為z方向；所述介質(zhì)柱截面為圓形，介質(zhì)柱的排列方式

14、為正方形。步驟4、設計一個長為j×a，寬為k×a的二維光子晶體結構，其中j、k為大于等于1的整數(shù)；假設寬邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；步驟5、將二維光子晶體在y方向的中間位置上及由該位置沿x方向上的所有介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導；步驟6、在波導出射端后加上一排介質(zhì)柱作為單層光柵出射面，設定該排介質(zhì)柱需要優(yōu)化的參數(shù)；所述介質(zhì)柱的截面為圓形，且關于波導軸線構成非對稱光柵出射面；若將該非對稱光柵出射面分為沿波導軸線分為上下兩個子出射面，那么需要優(yōu)化的參數(shù)為8個，分別為：上子出射面上介質(zhì)柱的直徑r1，上子出射面上介

15、質(zhì)柱的晶格單元周期r2，上子出射面離波導軸線的距離r3，上子出射面離波導出射端的距離r4，下子出射面上介質(zhì)柱的直徑r5，下子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r6，下子出射面離波導軸線的距離r7，下子出射面離離波導出射端的距離r8；上述8個參數(shù)的變化范圍分別為0，a、a，2a、0，2a、0，2a、0，a、a，2a、0，2a和0，2a。步驟7、在波導后的發(fā)射空間中設置一個寬度為l的平面能量探測器，l范圍為4a到8a，探測器中心離波導出射端的距離為d，d的范圍為40a到60a，探測器平面的法線方向與x方向的夾角為，的范圍為0度到80度； 步驟8、計算上述能量探測器的平均時間能流；所述能量探測器的平均時間

16、能流采用時域有限差分法（fdtd）計算，具體表達式為：其中和代表光源處的電場及磁場強度；和代表探測器處的電場及磁場強度，和則代表fdtd的空間步長，代表fdtd的時間步長，和代表探測器的開始和結束時間，pd（）代表能量探測器的平均時間能流強度，l為探測器的寬度。步驟9、采用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流，即可得到步驟6中單層光柵出射面的最優(yōu)設計參數(shù)；利用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流包括以下步驟:（1）設定遺傳算法的控制參數(shù)，包括初始種群規(guī)模nc、最大進化代數(shù)、交叉概率和變異概率；（2）對非對稱光柵出射面中的8個參數(shù)進行實數(shù)編碼，表示一個染色體，隨機生成包含nc個染色體

17、的初始種群；（3）根據(jù)探測器的平均時間能流公式來計算每個染色體的適應度值；（4）依次采用選擇、交叉和變異三個遺傳算子來一代一代進化初始種群從而搜索探測器的最大平均時間能流值；（5）達到最大進化代數(shù)后停止搜索并輸出8個參數(shù)的最優(yōu)值，從而生成非對稱光柵出射面最優(yōu)設計結構。步驟10、結合步驟5中得到的二維光子晶體波導和步驟9中設計得到的單層光柵出射面，即構成了沿角發(fā)射的高效率二維光子晶體定向發(fā)射器。下面結合附圖1簡述本發(fā)明所設計的二維光子晶體偏軸定向發(fā)射器的工作原理：工作波長為的光波從二維光子晶體波導左側(cè)入射到波導結構中進行傳播，從波導端口出射的光波入射到單層光柵出射面后會發(fā)生散射；若將光柵出射面上

18、每個介質(zhì)柱看作一個小散射體，那么當所有散射體沿x軸正向傳播的散射光之間發(fā)生干涉疊加時就會形成定向發(fā)射波；由于單層光柵出射面沿著波導軸線具有非對稱結構，因而形成的散射光也會具有非對稱波矢量方向，進而干涉形成偏軸定向發(fā)射波。下面結合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述：實施例1：（1）確定工作波長=1550nm，選擇砷化鎵為介質(zhì)柱材料，空氣為背景介質(zhì)材料；（2）選擇二維光子晶體的晶格常數(shù)a=0.35=542.5nm，取介質(zhì)柱截面為圓形，截面尺寸r=0.18a=97.6nm，取垂直于紙面方向為z軸方向，介質(zhì)柱沿z軸方向放置，并按正方形方式排列；（3）設計一個長寬大小為31a×12a的二維光子晶

19、體結構，設寬邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；（4）將該二維光子晶體在y方向上的中間位置即第16行介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導，入射光從光子晶體波導左側(cè)沿波導軸線方向入射進入該波導結構；（5）在波導出射端后加上一排介質(zhì)柱構成非對稱光柵出射面，將該光柵出射面沿著波導軸線分成上下兩個子出射面，設定需要優(yōu)化的參數(shù)為8個：上子出射面上介質(zhì)柱的直徑r1，上子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r2，上子出射面離波導軸線的距離r3，上子出射面離波導出射端的距離r4，下子出射面上介質(zhì)柱的直徑r5，下子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r6，下子出射面離波導軸線

20、的距離r7，下子出射面離離波導出射端的距離r8；上述8個參數(shù)的變化范圍分別為0，a、a，2a、0，2a、0，2a、0，a、a，2a、0，2a和0，2a；（6）在波導后的發(fā)射空間中設置一個寬度l為6a的平面能量探測器，探測器中心離波導出射端的距離為d=50a，探測器平面的法線方向與x方向的夾角為=10°；（7）采用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流即可得到非對稱光柵出射面的最優(yōu)設計參數(shù)；其中平均時間能流的大小按照下述公式計算：其中和代表光源處的電場及磁場強度；和代表探測器處的電場及磁場強度，和則代表fdtd的空間步長，代表fdtd的時間步長，和代表探測器的開始和結束時間，pd（

21、）代表能量探測器的平均時間能流強度，l為探測器的寬度。設定fdtd算法中空間步長=0.05a，探測器的開始和結束時間分別為300和600，另外設定遺傳算法初始種群規(guī)模300，最大進化代數(shù)80，交叉概率為0.9，變異概率為0.005； （8）進行相關設置后，采用遺傳算法最終得到的非對稱光柵出射面的設計參數(shù)為r1=0.77a、r2=1.87a、r3=0.84a、r4=1.01a、r5=0.69a、r6=1.06a、r7=0.69a、r8=1.26a；將該光柵出射面放置于二維光子晶體波導出射端后，即完成了發(fā)射角度為10°的二維光子晶體定向發(fā)射器的設計，其結構和光強分布見圖2；（9）采用現(xiàn)有

22、加工技術即可完成上述設計所得結構的制作。實施例2：（1）確定工作波長=1550nm，選擇砷化鎵為介質(zhì)柱材料，空氣為背景介質(zhì)材料；（2）選擇二維光子晶體的晶格常數(shù)a=0.35=542.5nm，取介質(zhì)柱截面為圓形，截面尺寸r=0.18a=97.6nm，取垂直于紙面方向為z軸方向，介質(zhì)柱沿z軸方向放置，并按正方形方式排列；（3）設計一個長寬大小為31a×12a的二維光子晶體結構，設寬邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；（4）將該二維光子晶體在y方向上的中間位置即第16行介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導，入射光從光子晶體波導左側(cè)沿波導軸

23、線方向入射進入該波導結構；（5）在波導出射端后加上一排介質(zhì)柱構成非對稱光柵出射面，將該光柵出射面沿著波導軸線分成上下兩個子出射面，設定需要優(yōu)化的參數(shù)為8個：上子出射面上介質(zhì)柱的直徑r1，上子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r2，上子出射面離波導軸線的距離r3，上子出射面離波導出射端的距離r4，下子出射面上介質(zhì)柱的直徑r5，下子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r6，下子出射面離波導軸線的距離r7，下子出射面離離波導出射端的距離r8；上述8個參數(shù)的變化范圍分別為0，a、a，2a、0，2a、0，2a、0，a、a，2a、0，2a和0，2a；（6）在波導后的發(fā)射空間中設置一個寬度l為6a的平面能量探測器，探測器

24、中心離波導出射端的距離為d=50a，探測器平面的法線方向與x方向的夾角為=20°；（7）采用遺傳算法搜索該能量探測器的最大平均時間能流即可得到非對稱光柵出射面的最優(yōu)設計參數(shù)；其中平均時間能流的大小按照下述公式計算：其中和代表光源處的電場及磁場強度；和代表探測器處的電場及磁場強度，和則代表fdtd的空間步長，代表fdtd的時間步長，和代表探測器的開始和結束時間，pd（）代表能量探測器的平均時間能流強度，l為探測器的寬度；設定fdtd算法中空間步長=0.05a，探測器的開始和結束時間分別為300和600，另外設定遺傳算法初始種群規(guī)模300，最大進化代數(shù)80，交叉概率為0.9，變異概率為0

25、.005。 （8）進行相關設置后，采用遺傳算法最終得到的非對稱光柵出射面的設計參數(shù)為r1=0.36a、r2=1.49a、r3=0.45a、r4=1.31a、r5=0.66a、r6=1.07a、r7=1.38a、r8=1.18a；將該光柵出射面放置于二維光子晶體波導出射端后，即完成了發(fā)射角度為20°的二維光子晶體定向發(fā)射器的設計，其結構和光強分布見圖3；（9）采用現(xiàn)有加工技術即可完成上述設計所得結構的制作。實施例3：（1）確定工作波長=1550nm，選擇砷化鎵為介質(zhì)柱材料，空氣為背景介質(zhì)材料；（2）選擇二維光子晶體的晶格常數(shù)a=0.35=542.5nm，取介質(zhì)柱截面為圓形，截面尺寸r=

26、0.18a=97.6nm，取垂直于紙面方向為z軸方向，介質(zhì)柱沿z軸方向放置，并按正方形方式排列；（3）設計一個長寬大小為31a×12a的二維光子晶體結構，設寬邊所在的方向為水平方向，取水平向右的方向為x軸正向，垂直于x方向并且向上的方向為y軸正方向；（4）將該二維光子晶體在y方向上的中間位置即第16行介質(zhì)柱去掉，形成二維光子晶體波導，入射光從光子晶體波導左側(cè)沿波導軸線方向入射進入該波導結構；（5）在波導出射端后加上一排介質(zhì)柱構成非對稱光柵出射面，將該光柵出射面沿著波導軸線分成上下兩個子出射面，設定需要優(yōu)化的參數(shù)為8個：上子出射面上介質(zhì)柱的直徑r1，上子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r2，上子出射面離波導軸線的距離r3，上子出射面離波導出射端的距離r4，下子出射面上介質(zhì)柱的直徑r5，下子出射面上介質(zhì)柱的晶格單元周期r6，下子出射面離波導軸線的距離r7，下子出射面離離波導出射端的距離r8；上述8個參數(shù)的變化范圍分別為0，a、a，2a、0，2a、0