单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构

技术领域

本发明属于集成光学领域，特别是涉及一种单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构。

背景技术

1969年，贝尔实验室的Miller博士提出了集成光学的概念，集成光学主要研究目标和集成电路类似，是为了将庞大臃肿的自由空间光学系统集成至同一块基板上。集成光学器件尺寸随着频段的不同而变化，GHz频段主要在毫米级，THz频段主要在微米量级，而且功耗低、体积小，同时由于集成后处于一个封闭的环境，受外界干扰很小。

在当下集成电路受到摩尔定律的约束，前景受限的背景下，光电子技术却显示出巨大优势：集成光路中光子速度远大于集成电路中电子速度，而且具有更大的信息容量。

近几十年来，随着集成光路技术的迅速发展，被称为“光半导体”的光子晶体引起了人们的广泛关注。光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，根据其在三个维度上周期性不同可以将其分为一维、二维、三维光子晶体三大类，其中二维光子晶体根据其结构特性又可细分为孔状平板型光子晶体、介质柱型光子晶体，还有目前前沿的准光子晶体等。光子晶体具有光子禁带以及光子局域两大特性，最根本的特征是具有光子禁带。

自然界中，表面等离激元是电磁波与金属表面自由电子相互作用形成的自由电子-光子的集体震荡模式。表面等离激元只能在介电常数实部符号相反的材料交界面才能存在，比如金属与空气的交界面，可以分为两种类型，一种是在金属和电介质界面上传输的表面等离极化激元，另一种是局限在金属纳米粒子表面的局域表面等离激元，2004年，J.B.Pentry等为了在微波毫米波段实现表面等离极化激元，在金属立方体中刻蚀周期性排列的空气孔实现了微波毫米波段的表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)传输。这种结构被称为人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP)。2005年，埃克塞特大学Hibbins等在Science上发表了SSPP的实验研究结果，之后关于SSPP的研究大量出现，同年，武汉大学Bing Wang等人在金属-绝缘体-金属结构中引入周期性构建了等离激元带隙(Plasmon Band Gap)。2016年，Zhen Gao等人将人工表面等离激元与光子晶体结合起来，提出一种全新的金属光子晶体—二维表面波光子晶体，但该结构受外部因素的干扰性较强，且光子晶体的带宽较宽、带内震荡较严重。

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单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构，用于解决现有技术中的金属光子晶体—二维表面波光子晶体受外部因素的干扰性较强，且光子晶体的带宽较宽、带内震荡较严重等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构，所述光子晶体结构包括：

依次层叠的第一金属板、金属柱阵列及第二金属板；

所述金属柱阵列包括周围金属柱及缺陷金属柱；所述周围金属柱的两端分别与所述第一金属板及所述第二金属板相接触；所述周围金属柱呈行和列等间距排布；所述缺陷金属柱呈列排布，或所述缺陷金属柱呈连通的行和列排布的L型；所述缺陷金属柱两侧均与所述周围金属柱相邻，且相邻两缺陷金属柱之间的间隔是相邻两周围金属柱之间间隔的两倍；所述缺陷金属柱与相邻的所述周围金属柱之间的间距与呈行和列等间距排布的两相邻所述周围金属柱之间的间距相等；

所述缺陷金属柱的高度小于所述周围金属柱的高度，所述缺陷金属柱的横截面积小于所述周围金属柱的横截面积。

可选地，所述金属柱阵列为方形阵列。

进一步地，所述周围金属柱的横截面形状与所述缺陷金属柱的横截面形状相同，均为四重对称图形。

进一步地，所述四重对称图形为正方形、菱形或圆形。

进一步地，所述四重对称图形为正方形，所述周围金属柱的高度为0.5mm，两相邻所述周围金属柱之间的间距为0.5mm，所述周围金属柱的边长为0.25mm，所述缺陷金属柱的高度为0.45mm，所述缺陷金属柱的边长为0.1mm。

可选地，所述缺陷金属柱呈连通的行和列排布的L型，该L型的展开长度等于所述金属柱阵列的长度。

可选地，所述缺陷金属柱呈列排布，所述金属柱阵列包括一列以上所述缺陷金属柱。

可选地，所述缺陷金属柱呈连通的行和列排布的L型，所述金属柱阵列包括一条以上呈L型的所述缺陷金属柱。

可选地，所述第一金属板、第二金属板及金属柱阵列采用相同的材料，其中所述材料包括金金属、银金属、铜金属及铝金属中的一种。

如上所述，本发明的单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构，通过所述第一金属板、周围金属柱、缺陷金属柱及缺陷金属柱与第一金属板之间的间隔构成了表面波光子晶体结构，且通过所述第二金属板，形成封闭式表面波光子晶体结构，提高了现有的金属光子晶体—二维表面波光子晶体的抗干扰能力；另外，通过使所述周围金属柱呈行和列等间距排布；所述缺陷金属柱呈列排布，或所述缺陷金属柱呈连通的行和列排布的L型；所述缺陷金属柱两侧均与所述周围金属柱相邻，且相邻两缺陷金属柱之间的间隔是相邻两周围金属柱之间间隔的两倍；所述缺陷金属柱与相邻的所述周围金属柱之间的间距与呈行和列等间距排布的两相邻所述周围金属柱之间的间距相等，可解决二维封闭式表面波光子晶体结构的带内震荡的问题，形成单窄通的滤波器结构，减小光子晶体结构的带宽及带内频率震荡。

附图说明

图1显示为本发明一示例的单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构中金属柱阵列的平面结构示意图。

图2显示为本发明另一示例的单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构中金属柱阵列的平面结构示意图。

图3显示为图1中的BB'方向的单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构的截面示意图。

图4显示为图1中的AA'方向的单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构的截面示意图。

图5显示为一示例的二维封闭式表面波光子晶体结构的归一化传输曲线，其中，横坐标为工作频率，纵坐标为归一化传输常数。

图6显示为一具体示例的二维封闭式表面波光子晶体结构的归一化传输曲线，其中，横坐标为工作频率，纵坐标为归一化传输系数。

图7显示为另一具体示例与图6的二维封闭式表面波光子晶体结构的归一化传输曲线，其中，横坐标为工作频率，纵坐标为归一化传输系数。

元件标号说明

10 第一金属板

11 第二金属板

12 金属柱阵列

121 周围金属柱

122 缺陷金属柱

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1至图4所示，本实施例提供一种单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构，所述光子晶体结构包括：

如图3及图4所示，依次层叠的第一金属板10、金属柱阵列12及第二金属板11；

所述金属柱阵列12包括周围金属柱121及缺陷金属柱122(如图1及图2所示)；所述周围金属柱121的两端分别与所述第一金属板10及所述第二金属板11相接触(如图3所示)；所述周围金属柱121呈行和列等间距排布(如图1及图2所示)；所述缺陷金属柱122呈列排布(如图1所示)，或所述缺陷金属柱122呈连通的行和列排布的L型(如图2所示)；所述缺陷金属柱122两侧均与所述周围金属柱121相邻(如图1及图2所示)，且相邻两缺陷金属柱之间的间隔L2是相邻两周围金属柱之间间隔L3的两倍；所述缺陷金属柱122与相邻的所述周围金属柱121之间的间距L4与呈行和列等间距排布的两相邻所述周围金属柱121之间的间距L3相等；

所述缺陷金属柱122的高度h2小于所述周围金属柱121的高度h1，所述缺陷金属柱122的横截面积小于所述周围金属柱121的横截面积。

这里需要说明的是，本实施例中对行和列的定义是以光在光子晶体结构中沿某一直线的传输方向作为参考的，具体参考图1，光在光子晶体结构中传输的方向定义为列的方向，即AAˊ方向，与光的传输方向垂直的方向为行的方向，即BBˊ方向；则在图2中，如果定义光在光子晶体结构中沿左右的直线方向传输为行，则光在光子晶体结构中沿上下的直线方向传输为行；如果定义光在光子晶体结构中沿上下的直线方向传输为行，则光在光子晶体结构中沿左右的直线方向传输为行。

本实施例通过所述第一金属板10、周围金属柱121、缺陷金属柱122及缺陷金属柱122与第一金属板10之间的间隔构成了表面波光子晶体结构，且通过所述第二金属板11，形成封闭式表面波光子晶体结构，提高了现有的金属光子晶体—二维表面波光子晶体的抗干扰能力；另外，通过使所述周围金属柱呈行和列等间距排布；所述缺陷金属柱呈列排布，或所述缺陷金属柱呈连通的行和列排布的L型；所述缺陷金属柱两侧均与所述周围金属柱相邻，且相邻两缺陷金属柱之间的间隔是相邻两周围金属柱之间间隔的两倍；所述缺陷金属柱与相邻的所述周围金属柱之间的间距与呈行和列等间距排布的两相邻所述周围金属柱之间的间距相等，可解决二维封闭式表面波光子晶体结构的带内震荡的问题，形成单窄通的滤波器结构，减小光子晶体结构的带宽及带内频率震荡。

作为示例，所述金属柱阵列12选择为方形阵列，但也不限于此，其他适于本实施例的阵列结构也可。

作为示例，所述金属柱阵列12中的所有所述周围金属柱121均相同，所述金属柱阵列12中的所有所述缺陷金属柱122也均相同。较佳地，所述周围金属柱121的横截面形状与所述缺陷金属柱122的横截面形状相同，均为四重对称图形，例如正方形、菱形或圆形。所谓四重对称图形即为该图形有4条对称轴，分别为0°、45°、90°、135°四个方向。选择四重对称图形可保持每个缺陷金属柱122四个方向上是各向同性，从而电磁波在相邻缺陷金属柱122之间的耦合是等效的，即使在L型拐角处也是相同的，从而使L型的缺陷金属柱122在转角处有效降低甚至避免光的损耗。

如1及图2所示，作为示例，所述缺陷金属柱122呈连通的行和列排布的L型(如图2所示)，该L型的展开长度等于所述金属柱阵列12的长度L1，即将L型的缺陷金属柱122拉直为一条直线时，其长度与图1中的直线型缺陷金属柱122的长度是一样的。但也不限于此，该L型的展开长度也可以小于或大于所述金属柱阵列12的长度L1。

如图1所示，作为示例，当所述缺陷金属柱122呈列排布时，所述金属柱阵列12包括一列以上所述缺陷金属柱122，即当包括一列所述缺陷金属柱122时形成为一个直线型的单窄通滤波器，当包括两列以上所述缺陷金属柱122时形成为两个以上直线型的单窄通滤波器。

如图2所示，作为示例，当所述缺陷金属柱122呈连通的行和列排布的L型时，所述金属柱阵列12包括一条以上呈L型的所述缺陷金属柱122，即当包括一条呈L型的所述缺陷金属柱122时形成为一个L型的单窄通滤波器，当包括两条以上呈L型的所述缺陷金属柱122时形成为两个以上L型的单窄通滤波器。

作为示例，所述第一金属板10、第二金属板11及金属柱阵列12采用相同的材料，其中所述材料可包括金金属、银金属、铜金属及铝金属中的一种，具体材质可根据需要进行选择，此处不作过分限制。

以下结合具体试验例对本实施例的单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构的设计进行介绍，但应不以此作为本发明范围的限制，实际中通过改变任意几何参数造成工作频段、色散曲线及其他结果的改变的均属于本发明范围。

如图1及图3所示，提供单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构，包括上层第一金属板10，中间层金属柱阵列12及下层第二金属板11，中间层的金属柱阵列12为二维周期性金属方形柱，即周围金属柱121及缺陷金属柱122的横截面形状均为方形，三层结构所用材料均为波导常用的金属。若工作在0.1THZ频段，基于A.Yariv的耦合谐振腔(Coupled-Resonator Optical Waveguide，CROW)理论，金属柱阵列12的形成方式为：选择周围金属柱121的高度h1＝0.5mm，周围金属柱121的边长d1＝0.25mm，两个相邻的周围金属柱121之间的间隔L3＝0.5mm，这里需要指出的是此处的间隔以及后续提到的间隔均指的是两物体中心位置之间的距离，由此组成单元边长为0.5mm的二维正方形阵列，然后将该二维正方形阵列中的一列替换为缺陷金属柱122，且使缺陷金属柱122间隔方式，即A0A0……的方式排列，也就是相邻两缺陷金属柱122的间隔L2＝1.0mm，设置所述缺陷金属柱122的高度＝0.45mm，缺陷金属柱122的边长d2＝0.1mm。

图5为是将一列周围金属柱121直接替换为一列缺陷金属柱122，而缺陷金属柱122并没有采用间隔方式，即为AAAA……的方式排列形成的金属柱阵列12，其他参数保持不变的情况下得到的滤波器归一化传输系数曲线，工作频率区间为90.5GHz～119.6GHz，传输效率高且抗噪能力强，但带内震荡较为严重。

图6为采用图1的金属柱阵列12形成的滤波器归一化传输系数曲线，工作中心频率为102.6GHz，半高宽对应频率为101.7GHz～104.9GHz，相对图5的带宽仅有3.12％，有效解决了滤波器带内震荡严重及带宽较宽的问题。

图7为采用图1的金属柱阵列12的参数，但是将直线型的列缺陷金属柱122设置为L型连通的行和列缺陷金属柱122，该L型的缺陷金属柱122的展开长度与图1中直线型的缺陷金属柱122的长度相同，在此情况下获得的直线型和L型的缺陷金属柱122形成的滤波器归一化传输系数曲线对比图，其中实线为直线型单窄通滤波器的归一化传输系数曲线，虚线为L型单窄通滤波器的归一化传输系数曲线，可以看出，经过90°直角弯曲后光几乎没有损耗。所以本试验例的方法适用于直线和L型两种不同的场景。

综上所述，本发明提供一种单窄通二维封闭式表面波光子晶体结构，通过所述第一金属板、周围金属柱、缺陷金属柱及缺陷金属柱与第一金属板之间的间隔构成了表面波光子晶体结构，且通过所述第二金属板，形成封闭式表面波光子晶体结构，提高了现有的金属光子晶体—二维表面波光子晶体的抗干扰能力；另外，通过使所述周围金属柱呈行和列等间距排布；所述缺陷金属柱呈列排布，或所述缺陷金属柱呈连通的行和列排布的L型；所述缺陷金属柱两侧均与所述周围金属柱相邻，且相邻两缺陷金属柱之间的间隔是相邻两周围金属柱之间间隔的两倍；所述缺陷金属柱与相邻的所述周围金属柱之间的间距与呈行和列等间距排布的两相邻所述周围金属柱之间的间距相等，可解决二维封闭式表面波光子晶体结构的带内震荡的问题，形成单窄通的滤波器结构，减小光子晶体结构的带宽及带内频率震荡。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。