CN101046553A - 一种波长可调的滤波器及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种波长可调的滤波器，包括基底、沉浸在空气中的两块光子晶体，所述两块光子晶体设置在基底上，两块光子晶体之间具有空气层；进一步，该基底是压电材料，并与控制电路连接。该基底是热膨胀材料；所述光子晶体包括一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体；将该结构用作温度传感器，即通过输出光波的频率来判断温度的变化。本发明的结构具有更简单可靠、制造工艺要求低、可调范围大、尺寸小、响应时间短、非破坏性等优点，除了用于滤波，还可用于光波或微波的通讯、数据存储、显示以及光电子集成等领域。

Description

一种波长可调的滤波器及其应用
技术领域
本发明属于光学器件、微机电领域，涉及滤波器。
背景技术
20世纪80年代，John S.和Yablonovitch E.提出了光子晶体这种新材料，利用它的光带隙特性，可以制成低损耗反射镜、光波导、无阈值激光器等器件。人们预测，光子晶体将在不久的将来为光通信以及其他相关领域带来根本性的变化。
如果通过某种方式主动调节光子晶体的光带隙特性，就可以得到可调光子晶体。这类光子晶体的应用将更广泛和灵活。调节的方式包括，通过外加的电场、磁场、机械载荷、热载荷或通过注入另一种物质(例如液晶材料)。
韩国的Sungwon Kim在2001年设计了一种应变可调的光子晶体结构，(KimS，Gopalan V，Strain-tunable photonic band gap crystals[J]，Appl PhysLett，2001，78(20)：3015-3017)，请参阅图1，是通过基底形状的改变来改变二维光子晶体的排列周期(由于压电材料的基底存在剪切变形，带动光子晶体使原本的六角形排列变成伪六角形排列)，以改变整个光带隙(反射宽带)的位置和宽度，是一种宽带调节。
现有的多层电介质干涉膜型合波滤波器，是把具有接近λ/2或者λ/4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重叠形成薄膜(一维光子晶体)，于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等，而且在薄膜制成之后其光学性能是不可变的。请参阅图2，其中的部件2即为多层薄膜(一维光子晶体)。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单的光子晶体结构的滤波器，可以快速、准确地调节透射光波长，克服现有技术的上述缺点。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种波长可调的滤波器，包括基底、沉浸在空气中的两块光子晶体，所述两块光子晶体设置在基底上，两块光子晶体之间是作为缺陷的空气层。
进一步，该基底是压电材料，并与控制电路连接。
该基底是热膨胀材料。
所述光子晶体包括一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。
将该结构用作温度传感器，即通过输出光波的频率来判断温度的变化。
本发明在结构上与Kim的类似，但是窄带调节，即只允许单频光波通过。
例如，由压电材料的基底以及沉浸在空气中的两块一维光子晶体构成。两块一维光子晶体之间的空气可看成是缺陷层。这样，光带隙中将出现缺陷态(反射带中的透射窄带)。参见图5，在520-870nm反射频带中有波长为660nm的光可以通过。
施加电压后，通过基底的变形可改变两块光子晶体之间的距离，从而调节结构的光带隙性能(即透射窄带的位置)。参见图6，原本透射光的波长为660nm，现在透射光的波长变为710nm。
本结构具有可调范围大、结构简单、尺寸小、响应时间短、非破坏性等优点。除了用于滤波，还可用于光波或微波的通讯、数据存储、显示以及光电子集成等领域。从结构角度与Kim的设计相比，本发明的结构更简单可靠、制造工艺要求低，即一维光子晶体的制造技术简单成熟，与基底粘接即可完成本设计的结构。
附图说明
图1是二维应变可调光子晶体示意图；
图2是多层电介质干涉膜型合波滤波器示意图；
图3是本发明一种实施例的立体结构示意图；
图4是图3所示实施例的的侧面示意图；
图5是图3所示实施例的基底未变形时的反射频谱示意图；
图6是图3所示实施例的基底变形后的反射频谱示意图。
具体实施方式
图3为本发明的一种实施例示意图。以基底是压电材料为例，包括压电材料基底1以及设置在其上的一维光子晶体2、3，由高低折射率的透明材料交替构成，两块一维光子晶体2、3之间的空气层厚度为d。
两块一维光子晶体2、3粘接于基底1之上，该基底1是压电材料，并与控制电路连接。这样，当压电材料的基底因为外部电压而发生拉伸或压缩变形时可以带动其上的光子晶体，改变两者之间的距离，从而使透射光的频率发生改变。
该结构既可以从连续频率的入射光中过滤出所需的单频光，也可以用作为单频光源，连续发射单频光。基底材料也可以换成磁致伸缩材料(即通过外加磁场使基底的形状发生改变)等。如果基底是热膨胀材料(即受热会膨胀，受冷会收缩，普通金属都具有这个性质)，则该结构还可以用作温度传感器，即温度的变化可以通过输出光波的频率来判断。
结构中的一维光子晶体2、3还可以用二维或三维光子晶体代替，也可以取得相同的效果。
对应于所采用的不同基底材料，包括压电材料、磁致伸缩材料、机械伸缩材料、热膨胀材料，调节的方式包括，通过外加的电场、磁场、机械载荷、热载荷或通过注入另一种物质(例如液晶材料)。
实现本发明的较佳方式，以滤波为例
高折射率取2.5(ZnSe的折射率)，低折射率为1.37(MgF2的折射率)。空气层的折射率为1。
令一维光子晶体为膜系，为中心波长，取为650nm。于是，高折射率层的厚度为54.2nm，低折射率层的厚度为162.5nm。这个光子晶体的周期为a＝216.7nm。令压电材料基底未变形时空气层的厚度是0.1a，对于垂直入射的光线，此时的反射频谱如图5所示，即此时只有波长为660nm的光波透射通过。
如果施加电压使基底变形(瞬时完成的)，从而使空气层的厚度改变例如0.5a，则反射频谱如图6所示。这时，透射光波的波长为710nm。即通过调节电压，就可以调节透射光波的波长，从而实现滤波的作用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种波长可调的滤波器，其特征在于：包括基底、沉浸在空气中的两块光子晶体，所述两块光子晶体设置在基底上，两块光子晶体之间具有空气层。
2、根据权利要求1所述的波长可调的滤波器，其特征在于：该基底是压电材料，并与控制电路连接。
3、根据权利要求1所述的波长可调的滤波器，其特征在于：该基底是热膨胀材料。
4、根据权利要求1至3中任一所述的波长可调的滤波器，其特征在于：所述光子晶体包括一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。
5、根据权利要求3所述的波长可调的滤波器的应用，其特征在于：将该结构用作温度传感器，即通过输出光波的频率来判断温度的变化。
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