光子晶體是一類通過不同折射率介質(zhì)周期性的排列而形成的具有光波長量級的周期性人工微型結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)晶體來說，由于介電函數(shù)的周期性分布，光子晶體也會產(chǎn)生一些類似于傳統(tǒng)晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無法傳播。我們在完整的光子晶體陣列中引入線缺陷可以構(gòu)造出光子晶體波導(dǎo)，光子波導(dǎo)由于傳播低損耗和體積小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于器件之后，在未來光通信領(lǐng)域有很大的前景。光子晶體在實際制備過程中由于不可避免的無序效應(yīng)而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學(xué)器件的性能，但是在光子器件、隨機(jī)激光器、太陽能電池等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，研究無序光子晶體結(jié)構(gòu)中光傳輸特性，實現(xiàn)對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應(yīng)調(diào)控，這無論在理論上還是應(yīng)用上都具有非常深遠(yuǎn)的意義。

當(dāng)光機(jī)晶體波導(dǎo)里面有缺陷時，通過介質(zhì)傳播的波會經(jīng)歷多次散射。當(dāng)波長大于散射中心的大小時，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態(tài)下，波傳播是一個擴(kuò)散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴(kuò)散常數(shù)ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴(kuò)散常數(shù)ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現(xiàn)象被稱為安德森局域化。光子晶體在制作過程中難免會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結(jié)構(gòu)無序，結(jié)構(gòu)無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導(dǎo)的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進(jìn)而得出無序效應(yīng)對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導(dǎo)具有引人注目的光傳輸性質(zhì)。

在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結(jié)構(gòu)采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時在線缺陷兩端設(shè)計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設(shè)計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當(dāng)量子點(diǎn)。我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優(yōu)良的光傳輸特性，對光的局域能力更強(qiáng)，因此先對波導(dǎo)的間隙、光子晶體晶格常數(shù)、圓氣孔半徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導(dǎo)傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉(zhuǎn)無序程度來實現(xiàn)更強(qiáng)的光場局域特性。

圖1 五邊形氣孔的有序型光子晶體波導(dǎo)模型

對于五邊形旋轉(zhuǎn)度無序的模型，我們引入如圖2(a)所示的高斯分布的旋轉(zhuǎn)角度，橫坐標(biāo)為不同的旋轉(zhuǎn)角度，縱坐標(biāo)為不同旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)取的五邊形數(shù)量，無序光子晶體波導(dǎo)見建模如圖2(b)所示。

圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導(dǎo)模型

如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化，隨后與優(yōu)化后的普通圓形光子晶體波導(dǎo)的傳輸功率進(jìn)行對比，證明了五邊形光子晶體波導(dǎo)優(yōu)異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導(dǎo)的無序程度對光傳輸功率的影響，結(jié)果表明6%無序度對光場傳輸貢獻(xiàn)最高(圖3(b))。

圖3 五邊形氣孔的優(yōu)化結(jié)果

圖4展示了優(yōu)化后的有光子晶體波導(dǎo)的能量傳輸圖，可以發(fā)現(xiàn)其具有良好的光波傳輸和光場局域能力。

圖4 (a) 有序光子晶體波導(dǎo)優(yōu)化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導(dǎo)優(yōu)化后的Pyz

最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。