王婷婷 杨运兴 李支新 孙晶

摘  要：借助光子晶体的理论知识和平面波展开法理论方法，依托Matlab、Comsol等计算分析软件，分析了二维三角晶格硅光子晶体结构参数对带隙宽度的影响。就基元形状与旋转角度等结构参数调整对光子带隙宽度的影响进行模拟以及研究。结果发现，在一种固定晶格的光子晶体中，其他条件为定量时，基元形状所占的空间比例越大，光子带隙显现出的结构越好;基元面积固定时，其旋转角度的改变只和带隙宽窄有关，而对带隙的中心频率无影响，或者影响不大。

关键词：硅光子晶体;二维三角晶格;结构参数;带隙宽度;平面波展开法

中图分类号：O734 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）24-0020-03

Abstract： Based on the theoretical knowledge of photonic crystals and the theoretical method of plane wave expansion method， the influence of the structural parameters of two-dimensional triangular lattice silicon photonic crystals on the band gap width is analyzed by using Matlab， Comsol and other kinds of calculation and analysis software. The influence of structural parameters such as element shape and rotation angle on photonic band gap width is simulated and studied. The results show that in a fixed lattice photonic crystal， when other conditions are quantitative， the larger the proportion of space occupied by the primitive shape， the better the structure of the photonic band gap appears; when the element area is fixed， the change of its rotation angle is only related to the width of the bandgap， but has no or little effect on the center frequency of the band gap.

Keywords： silicon photonic crystal; two-dimensional triangular lattice; structural parameter; width of the bandgap; plane wave expansion method

1 概述

目前电子领域发展面临集成和微型化极限，颇难突破瓶颈，急需通过选择其他有良好性能且符合需求的器件材料实现性能提升[1-2]。在经过大量的尝试和探索后发现，硅基光子晶体有以下几点特性：一是损耗低;二是成本少;三是能效高;四是易制备。因此，这类晶体凭借其多种优良的特性得以发展[3]。

光子晶体内部光子受到周期性的约束和影响，且其具有光子带隙[4-6]（photonic band gap，PBG）。PBG中是禁止任何光入射并传播的，其对于光子晶体掌控光的能力起决定性作用，它的宽度越宽，表明光子晶体掌控光的频域范围越大。针对此，结构参数是PBG的一个重大影响因素，通过对预先设计好的光子晶体结构改变参数变量并不断优化，得到更为理想的PBG，从而达到满足高集成、小尺寸的工艺目标。……