CN100373186C

CN100373186C - 通道通带相对位置可独立调整的一通带二通道滤光片

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Publication number: CN100373186C
Application number: CNB2004100672768A
Authority: CN
Inventors: 田国勋; 吴永刚; 王占山; 林小燕
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2024-10-19
Also published as: CN1588138A

Abstract

本发明提供了一种能够独立调整通道通带滤光片中一个通带和两个通道相对位置的设计方法，采用了基于Fabry-Perot标准具的三对称结构。与传统的窄带滤光片不同，它通过分别改变几个中间层的厚度来对一个通带和二个通道的位置进行独立的调整，克服了通道和通带位置调整所引起的位置相干现象。本发明介绍了滤光片具体的结构设计，以及在此设计下所计算出的一通道二通带滤光片的光谱特性。所设计的滤光片可应用于光学探测仪器、空间技术等领域。

Description

通道通带相对位置可独立调整的一通带二通道滤光片

技术领域

本发明涉及一种光学滤光片器件设计方法，具体涉及一种通道通带滤光片的设计。在光学仪器、天文、遥感等方面有应用前景。

背景技术

传统的多通道带通滤光片一般有以下两种：

1、基于Fabry—Perot标准具的多通道带通滤光片

最典型的多通道带通滤光片为Fabry---Perot标准具结构。该滤光片为一对称结构，两端为反射层，中间为间隔层，经过反射层的多次反射，通过恰当选取间隔层的物理厚度，该结构可以得到具有多通道透过特性的带通滤光片，但由于所有通道的位置都与这一个间隔层的厚度有关系，这些通道的位置变化是相干的。因此，无法用此结构设计出通道相对位置可调整的滤光片。在此基础上发展出了Fabry—Perot标准具的双对称结构以实现两个通道的位置的独立调整。

2、Rugate类型的多通道带通滤光片

从设计的角度来讲，也许有着连续折射率结构的Rugate类型的多通道带通滤光片是最吸引人的，因为Rugate滤光片具有完美的数学变换形式。但是由于该类型的多通道带通滤光片所采用的介质要求为折射率渐变材料，因此尽管在理论上能够进行设计，但在镀制技术上，要比多层介质多通道带通滤光片困难得多。

1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念。由于一维光子晶体在结构上类似于光学多层介质膜，因此从光子晶体的角度出发，通过对一维光子晶体光谱的形成机理，一维光子晶体中的电磁模密度和光子态密度的分析与研究，形成了许多新的技术。在一维光子晶体中插入缺陷层后引起晶体中光子态密度的变化，改变了一维光子晶体的禁带特性，并可以在光子禁带中形成通道。在此基础上，王利等人对一维光子晶体的异质结结构进行了研究。将两种不同介电常数的材料组成具有不同晶格常数的一维光子晶体，通过缺陷层的偶合组成具有掺杂的异质结结构，并利用异质结结构的带隙特点得到宽的截止带。由于杂质对异质结结构能带的调制，所以通过掺杂可在宽的截止带中得到两个窄的通带。它克服了传统窄带滤光片不能在一个宽截止带得到窄带滤光的缺点。并且通过调整缺陷层的位置以及大小，在宽禁带的背景上得到更多的透过通道。

采用光子晶体概念设计窄带滤光片的一个优点是可以预先设计工作波段。原因是光子晶体具有“标度不变性”，如果只改变晶格常数，而维持其他各项参数不变，则光子晶体的能带结构的总体形状不发生改变，只是透过峰的峰位和截止带的位置发生相应移动。

基于Fabry—Perot标准具的多通道带通滤光片以及上述的一维光子晶体的异质结结构难以独立调整各通道的相对位置，从而限制了双通道及多通道滤光片的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有一个通带两个通道，又能够独立调整各个通道和通带位置的通道通带滤光片。

本发明提出的相对位置可调整的通道通带滤光片，是以Fabry---Perot标准具结构为基础的一种全新的设计方法，它在Fabry---Perot标准具结构的基础上利用三对称结构来实现。

Fabry---Pero t标准具结构中，如果间隔层两侧媒质的导纳相同，则透射率T为：

T = \frac{T_{1} T_{2}}{{(1 - \sqrt{R_{1} R_{2}})}^{2}} \frac{1}{1 + \frac{4 \sqrt{R_{1} R_{2}}}{(1 - \sqrt{R_{1} R_{2}})} \sin^{2} \frac{1}{2} (φ_{1} + φ_{2} - 2 δ)} - - - (1)

其中T₁、T₂、R₁、R₂分别为选定膜层两侧的透射率和反射率，φ₁、φ₂分别为两反射膜层的反射相移。

由式(1)可知，若两反射膜层的T₁、T₂、R₁、R₂和反射相移φ₁、φ₂不变，这时能改变的量是选定膜层的有效位相厚度

δ (δ = \frac{2 π}{λ} nd) .

当φ₁+φ₂-2δ＝2kπ (k＝±1，2，3) (2)时，整个膜系的透射率T达最大值：

由Fabry---Perot标准具结构我们可以看出，在此对称结构中，间隔层的插入引起了光子晶体中光子态密度和电磁波模的变化，其两侧的反射层的多次反射而形成通道。由此可见，一个对称结构就可以形成一个独立的通道系列，通道的数目和位置随间隔层的厚度变化而变化。可以设想，要实现通道和通带位置的独立调整，我们要用三对称结构来实现。这是一种完全不同于传统的双通道通带滤光片的设计方法。

基于这种设计思想，我们采用了将两种不同介电常数的材料组成具有双对称结构的滤光片。如图1所示，其中：H、L，分别为高低折射率材料的1/4波长光学厚度，H＝n_Hd_H＝L＝n_Ld_L＝λ/4，n_L＝1.44、n_H＝2.3分别为两种材料的折射率；d_H、d_L分别为与1/4波长光学厚度对应的两种材料的物理厚度。首先由高低折射率材料构成两个Fabry---Perot滤光片对称结构，然后由这两个结构又组成一个新的对称结构，这一结构称为双对称结构。三对称结构就是在双对称的基础上，用耦合层将两个相同的双对称结构耦合在一起，两个双对称结构关于耦合层对称，形成新的对称结构，称之为三对称结构。调整三对称结构中七个中间层的厚度，可以改变滤光片透射谱中通道和通带的相对位置。其中两个Fabry---Perot对称结构的中间层的厚度均为cH，称之为中间层c，两个Fabry---Perot结构之间的中间层的厚度为dL，称之为中间层d，两个双对称结构的耦合层厚度为eL，称之为e层。分别调整c层、d层和e层的厚度就可以独立地调整三个通道的位置。该膜系可通过加入匹配膜层来进行优化。

本发明中，两种不同介电常数的材料可选用SiO₂和TiO₂等。

本发明是一种采用全介质结构的一通带二通道窄带滤光器件。它采用基于Fabry---Perot标准具的三对称结构，来实现一个通带和两个通道位置的独立连续变化；通过调整中间层c、d和e的厚度，可分别使一个通带和两个通道的位置独立连续地变化，适当调整中间层的厚度，可以得到通带和通道位置独立连续变化的一维光子晶体。

附图说明

图1为本发明Fabry—Perot结构的通道位置与缺陷层厚度的关系。

图2a为本发明的基于Fabry—Perot结构的双对称结构示意图，图2b为本发明的基于Fabry—Perot结构的三对称结构示意图。

图3为本发明的三对称结构中c＝1.5L、d＝0.2L固定而e发生变化时候的三通道通带滤光片的通道变化。

图4为本发明的三对称结构中c＝1.5L、e＝0.8L固定而d发生变化时候的三通道通带滤光片的通道变化。

图5为本发明的三对称结构中d＝0.4L、e＝0.8L固定而c发生变化时候的三通道通带滤光片的通带变化。

图6为本发明的三对称结构中当c、d和e交替变化的时候，通道通带的位置发生交替移动。

具体实施方式

由图1中可看到，随着中间层c厚度的增加，通道位置向长波方向移动。然而通道之间的相对间隔始终相同，无法改变。

在图3中，随着e由0.5L增加到0.8L，右边的通道由684.89nm移动到716.26nm，然而左边的通道和通带始终在原先的位置保持基本不动。

图4中，随着d由0.15L增加到0.4L，中间的通道由631.11nm移动到670.19nm，然而左侧的通带和右侧的通道始终在原先的位置保持基本不动。

图5中，随着c由1.5L增加到1.9L，左侧的通带由546.99nm移动到583.66nm，然而右边的两个通道始终在原先的位置保持基本不动。

图6中，由c＝1.5L、d＝0.2L、e＝0.5L开始，c、d和e交替增加，直到c＝1.6L、d＝0.4L、e＝0.8L。由图可以看出，改变一个参数，可以对其中的一个通道进行控制，而并基本不影响另外一个通道的位置。

滤光片的通带通道位置设计及调整的具体方法如下：

设计三对称结构的双通道滤光片，首先根据所需的截止带的位置，确定晶格常数的大小即Fabry—Perot结构间隔层两侧的反射膜堆的单层厚度。以图3所示的设计为例，在此设计中，设计波长为600nm，滤光片的膜层结构为(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³eL(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³1/2cL，其中c、d和e表中间层的厚度，c层、d层和e层在膜系中的位置见图2b。截止带位置确定后，再根据所需要的三个通道的位置，来确定c、d和e的大小；先确定通带1，通过计算(HL)³HcLH(LH)³结构的间隔层两侧反射层通带1所在波长的反射相移，由式(2)求得c的大小。确定通道2的和通道3用同样的方法，不过计算反射相移时所计算的对象不同，通过计算(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³结构的间隔层两侧反射层在通道2所在波长的反射相移，代入式(2)求得d的大小，从而可以确定通道2的位置。通过计算(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³eL(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³结构的间隔层两侧反射层在通道3所在波长的反射相移，由式(2)求得e的大小来确定通道3的位置。由计算机模拟可以发现，通带1的位置主要由c的大小来决定，通道2的位置主要由d的大小来决定，通道3的位置主要由e的大小来决定，且通带和通道的位置可连续变化。由于计算c和d时为简化计算，计算对象是(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³和Fabry—Perot结构而非整个双对称膜系。因此可在计算机上对c和e层进行调整，使通带1和通道2的位置与设计吻合。设计的所有膜层的厚度均已确定，所用材料可以根据实际条件进行选取。我们选取的是TiO₂、SiO₂，入射介质为空气ε＝1。TiO₂、SiO₂组成的介质对为杂质，利用传输矩阵法，通过调整间隔层的位置、大小，得到具有所需通道参数的滤光片。

本设计的特点就是一个通带和二个通道的位置由三个参数c、d和e三个参数来控制，位置可以独立变化。

1、通带1和通道2位置不变的情况下调整通道3的位置：

以下模拟计算设计波长λ均为600nm，均以结构为(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³eL(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³1/2L的一维光子晶体为例，当c和d确定的时候通带1和通道2的位置基本不发生变化，通道3的位置随e的改变而连续变化。当c＝1.5、d＝0.2，e分别等于0.5、0.6、0.7、0.8、的时候，通道位置的变化如图3所示。

2、通带1和通道3位置不变的情况下调整通道2的位置：

当c和e确定的时候通带1和通道3的位置并不发生变化，通道2的位置随d的改变而连续变化。当c＝1.5、e＝0.8，d分别等于0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4的时候，通道位置的变化如图4所示。

3、通道2和通道3位置不变的情况下调整通带1的位置：

当d和e确定的时候通道2和3的位置并不发生变化，通带1的位置随c的改变而连续变化。当d＝0.4、e＝0.8，c分别等于1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、的时候，通带位置的变化如图5所示。

4、通带通道交替变化：

当c、d和e交替变化的时候，通带或通道的位置发生交替移动，以图6为例，由c＝1.5L、d＝0.2L、e＝0.5L开始，c、d和e交替增加，直到c＝1.6L、d＝0.4L、e＝0.8L。改变一个参数，可以对其中的一个通带或通道进行控制，而并基本不影响另外一个通带或通道的位置。

5、在设计的最后，如果发现通带或通道有微小偏移，可以利用计算机模拟对c、d和e层厚度微调进行修正，主要是通过对偏移通带或通道的控制层进行微调以修正通道位置，如通带1的控制层是c层，以此类推。

Claims

1.一种通道通带相对位置可独立调整的一通带二通道滤光片，其特征在于：

薄膜的硬膜系材料为TiO₂和SiO₂组合，组成膜系的结构为以Fabry-Perot 结构为基础的三对称结构，结构为：(LH)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³eL(HL)³HcLH(LH)³dL(HL)³HcLH(LH)³1/2cL，其中，通带和通道的位置由c、d和e三个参数来控制，通带和通道的位置可以独立变化。

2.根据权利要求1所述的通道通带相对位置可独立调整的一通带二通道滤光片，其特征在于：

利用计算机模拟对中间层c、中间层d和中间层e厚度进行微调，从而修正通带和通道的位置，其中，中间层c的厚度为cH，中间层d的厚度为dL，中间层e的厚度为eL。