CN101587210A - 多通道滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一维多层膜结构的多通道滤波器及其设计方法，其设计方法如下：在多层膜结构中掺入一个中心缺陷层C或至少两个完全相同的缺陷层C，以及两个侧边缺陷层D；侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，N大于或等于6；调节缺陷层C的参数，使多层膜结构形成M通道滤波器；设置侧边缺陷层D的光学厚度使得两个侧边缺陷层D产生的1个或2～(M－1)个缺陷模，分别与M通道滤波器的1个或2～(M－1)个通道位置重叠。与以往的设计方法相比，本发明提出的方法可以独立地调节各通道位置和Q值，更适合于多通道滤波器的设计。
Description
技术领域
本发明涉及多通道滤波器技术领域，特别涉及采用一维多层膜结构的多通道滤波器及其设计方法。
背景技术
自从1987年Yablonovitch和John提出光子晶体的概念以来，光子晶体已成为光学方面的一个重要研究领域。具有光子禁带和光子局域化是光子晶体的两个最基本的特征。一维光子晶体是折射率在一维空间周期性变化的分层介质，它具有结构简单、易于制备的特点。若在一维光子晶体中引入缺陷层，则可在禁带中出现谱宽很窄的谐振模，类似于掺杂半导体晶体带隙中的杂质能级，光子晶体的这一特性，可以用来制作高品质滤波器和多通道滤波器。
多通道滤波器作为光通信领域的重要器件之一，目前对其研究的焦点之一是多通道滤波器中各通道位置和带宽(Q)的调节。在一维光子晶体中插入多个缺陷时，多个缺陷之间的相互耦合作用产生多个缺陷模，当增加相邻缺陷之间的周期层数，可以调整滤波通道之间的距离。然而，传统方法设计的多通道滤波器有一个共同的缺点，即滤波器的通道之间有相互作用，致使不能对各个通道进行独立的调节。2007年，文献1[S.W.Wang，X.Chen，W.Lu，M.Li，and H.Wang，Appl.Phys.Lett.90，211113(2007).]提出了一种分形结构实现独立可调的多通道滤波器，首次获得了滤波通道位置独立可调的多通道滤波器。
在多通道滤波器件的实际应用中，各个通道分别承担不同频率和频带宽度的滤波功能，因此不仅要求多通道滤波器的各通道位置是可以独立调节的，且对各个通道的带宽(Q值)也有一定的要求。据我们所知，目前的研究报道中尚没有关于通道位置和Q值都可单独设定的多通道滤波器的设计，显然，研究这样的多通道滤波器具有重要理论意义和应用价值。本发明为此提出了对各个通道的位置和Q值都可单独设定的多通道滤波器的设计方法。
发明内容
为了解决现有多通道滤波器所存在的各通道的带宽不能独立设定，以及各通道的频率位置与带宽不能分别设定等技术问题，本发明的目的在于提供一种多通道滤波器及其设计方法，多通道滤波器的各通道位置和Q值可分别独立设定。
本发明的目的是这样实现的：本多通道滤波器的设计方法，其特征在于包括以下几个步骤：步骤101，在第一介质层A与第二介质层B交替堆叠的多层膜结构中掺入一个中心缺陷层C或至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C，再在多层膜结构中远离缺陷层C的两端对称地掺入两个侧边缺陷层D；第一介质层A与第二介质层B的折射率比大于1.1，两相邻的第一介质层A与第二介质层B组成一个周期的介质膜；侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，以避免侧边缺陷层D与缺陷层C发生相互耦合作用，其中N大于或等于6；步骤102，调节缺陷层C的参数，获得M个缺陷模，从而使多层膜结构形成M通道滤波器；然后设置侧边缺陷层D的光学厚度，使得两个侧边缺陷层D产生的1个或2～(M-1)个缺陷模，分别与M通道滤波器的1个或2～(M-1)个通道位置重叠。
上述的多通道滤波器的设计方法中，当步骤101中掺入一个中心缺陷层C时，步骤102中所述缺陷层C的参数为中心缺陷层C的光学厚度。
上述的多通道滤波器的设计方法中，当步骤101中掺入至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C时，步骤102中所述缺陷层C的参数为缺陷层C的光学厚度及相邻两缺陷层C之间所间隔的介质膜的周期个数。
所述中心缺陷层C的光学厚度为n×λ0/4，n取大于或等于3的数，λ0为中心波长。
所述缺陷层C的光学厚度为n×λ0/4，其中1＜n＜3，λ0为中心波长，且相邻两缺陷层C之间所间隔的介质膜的周期个数为2至6个。
采用上述设计方法获得的多通道滤波器，其特征在于：所述多通道滤波器为主要由第一介质层A与第二介质层B交替堆叠而成的多层膜结构；所述多层膜结构的中部设有一个中心缺陷层C或至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C，两端设有两个侧边缺陷层D，侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，其中N大于或等于6。
所述多层膜结构的中部设有一个光学厚度为n×λ0/4的中心缺陷层C，n取大于或等于3的数，λ0为中心波长。
所述多层膜结构的中部设有至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C，所述缺陷层C的光学厚度均为n×λ0/4，其中1＜n＜3，λ0为中心波长。进一步优选地，相邻两缺陷层C之间所间隔的介质膜的周期个数为2至6个。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明巧妙地利用了光子晶体的带隙特性，易于实现：对于M通道滤波器，通过调节一维含缺陷光子晶体的结构参数和几何参数，产生M个通道。其次，根据共振耦合理论，在远离结构中心位置的两端各对称地插入一个缺陷或几个缺陷，使这些缺陷共同作用产生1个或2～(M-1)个缺陷模，分别与M通道滤波器的1个或2～(M-1)个通道位置重叠，从而调节这些重叠缺陷模的Q值而其位置几乎不变，同时对不重叠的缺陷模的影响几乎可以忽略。
2、本发明设计的多通道滤波器，与以往的设计方法相比，本发明提出的方法可以同时分别调节各通道位置和Q值，更适合于多通道滤波器的设计。
附图说明
下面将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的含单个中心缺陷和两个侧边缺陷的一维多层膜的多通道滤波器示意图；
图2是本发明的含N个全同缺陷和两个侧边缺陷的一维多层膜的多通道滤波器示意图；
图3是实施例1和实施例2中的多通道滤波器示意图；
图4是实施例1中图3结构的透射谱图及对缺陷模1的Q值进行两种调节之后的透射谱图，其中带圆点的曲线所示为图3结构产生双通道滤波器的透射谱图，带方形的曲线和带三角形的曲线分别是对缺陷模1的Q值进行两种调节之后的透射谱图；
图5是实施例2中图3结构的透射谱图及对缺陷模2的Q值进行两种调节之后的透射谱图，其中带圆点的曲线所示为图3结构产生三通道滤波器的透射谱图，带方形的曲线和带三角形的曲线分别是对缺陷模2的Q值进行两种调节之后的透射谱图；
图6是实施例2中图3结构的透射谱图及对缺陷模1和3的Q值进行两种调节之后的透射谱图，其中带圆点的曲线所示为图3结构产生三通道滤波器的透射谱图，带方形的曲线是对缺陷模1和3的Q值进行调节之后的透射谱图；
图7是实施例3中的多通道滤波器示意图；
图8是图7结构的透射谱图及对缺陷模1的Q值进行两种调节之后的透射谱图，其中带圆点的曲线所示为图7结构产生双通道滤波器的透射谱图，带方形的曲线和带三角形的曲线分别是对缺陷模1的Q值进行两种调节之后的透射谱图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1所示为本发明所设计的含单个中心缺陷层和两个侧边缺陷层的一维多层膜结构，其设计过程具体如下：
步骤101，在高折射率第一介质层A与低折射率第二介质层B交替堆叠的多层膜结构中掺入一个位于多层膜结构中部的中心缺陷层C，再在多层膜结构中远离中心缺陷层C的两端各对称地掺入一个侧边缺陷层D；两相邻的第一介质层A与第二介质层B组成一个周期的介质膜；侧边缺陷层D与中心缺陷层C间隔N个周期的介质膜，以避免侧边缺陷层D与缺陷层C发生相互耦合作用，其中N大于或等于6；中心缺陷层C的光学厚度一般选n×λ0/4，n一般取大于3的数。两个侧边缺陷层D与多层膜结构两端的界面之间所含介质膜的周期数均为N1，N1取大于等于1的整数，且N1远小于N。本发明所说的第一介质层A、第二介质层B折射率高低是相对而言的，指的是两者的折射率有高低之差，具体一点来说，第一介质层A与第二介质层B的折射率比大于1.1。第一介质层A、第二介质层B的光学厚度均为四分之一波长，即nada＝nbdb＝λ0/4。第一介质层A、中心缺陷层C、侧边缺陷层D可以选用同一种材料。
步骤102，调节中心缺陷层C的光学厚度，获得M个缺陷模，从而使多层膜结构形成M通道滤波器；然后设置侧边缺陷层D的光学厚度，使得两个侧边缺陷层D产生的1个或2～(M-1)个缺陷模，分别与M通道滤波器的1个或2～(M-1)个通道位置重叠，从而调节这些位置重叠的通道的Q值而保持其位置不变。侧边缺陷层D对不重叠的缺陷模的影响几乎可以忽略；也就是说，侧边缺陷层D的引入，不会对位置不重叠的通道的Q值产生影响。
图3所示的由第一介质层A、第二介质层B及中心缺陷层C、侧边缺陷层D堆叠构成的含三个缺陷模的多层膜结构，就是采用本实施例设计方法获得的多通道滤波器。其中第一介质层A和中心缺陷层C、侧边缺陷层D的折射率均选用1.7，第二介质层B的折射率为1.45。一维多层膜原始结构为(AB)18C(BA)18，第一介质层A、第二介质层B的光学厚度均选择λ0/4，中心缺陷层C的光学厚度为17×λ0/4，共73层，中心波长λ0＝800nm。因此我们获得两个缺陷模，分别为缺陷模1和缺陷模2，该结构的透射谱如图4中带圆点的曲线所示。两个缺陷模波长分别为773.86nm和827.97nm，品质因子Q分别为2550.6和2384。图4中带方形的曲线和带三角形的曲线所示是对缺陷模1的Q值的两种调节的透射谱图。图中带方形的曲线透射谱的结构是将-维结构(AB)18C(BA)18中的第3层和第71层的A层分别用一个侧边缺陷层D层取代，即取N1＝1，N＝16；侧边缺陷层D的光学厚度取191.89nm，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模与缺陷模1重叠，从而使得缺陷模1的Q值下降为557，且缺陷模1的位置没有变，而且对缺陷模2几乎没有影响。带三角形的曲线透射谱的结构是将一维结构(AB)18C(BA)18中的第5层和第69层的第一介质层A分别用一个侧边缺陷层D取代，即取N1＝2，N＝15；侧边缺陷层D的光学厚度取190.68nm，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模也与缺陷模1重叠，缺陷模1的Q值下降为299且位置不变，对缺陷模2也几乎没有影响。通过对比得出，当侧边缺陷层D与中心缺陷层C之间的介质膜周期数越小，侧边缺陷层D对缺陷模1的Q值影响越大。
实施例2
本实施例中设计多通道滤波器采用的结构如图3所示，其设计步骤与实施例1中的步骤完全相同。
按照实施例1中多通道滤波器的设计方法，将图3中的中心缺陷层C的光学厚度取28×λ0/4，其它参数不变，图5中带圆点的曲线所示为该结构的透过谱图。在带隙中出现三个缺陷模，从短波长到长波长，分别为缺陷模1、缺陷模2和缺陷模3。三个缺陷模的峰值波长分别为763.8nm、800nm和839.8nm，Q值分别为1329、8097和1208.9。图5中带方形的曲线和带三角形的曲线所示是对缺陷模2的Q值的两种调节的透射谱图。图中带方形的曲线透射谱的结构是将一维结构(AB)18C(BA)18中的第3层和第71层的第一介质层A分别用一个侧边缺陷层D取代，即取N1＝1，N＝16；侧边缺陷层D的光学厚度取2×λ0/4，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模与缺陷模2重叠，从而使得缺陷模2的Q值下降为1476而位置没有变，而且对缺陷模1和3几乎没有影响。带三角形的曲线透射谱的结构是将一维结构(AB)18C(BA)18中的第5层和第69层的A分别用一个侧边缺陷层D取代，即取N1＝2，N＝15；侧边缺陷层D的光学厚度也取2×λ0/4，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模也与缺陷模2重叠，缺陷模2的Q值下降为760而位置不变，对缺陷模1和3也几乎没有影响。通过两种情况对比得出，当侧边缺陷层D与中心缺陷层C之间的介质膜周期数越小，引入侧边缺陷层D后缺陷模2的Q值变化越大。
其次，本发明采用这种设计方法对缺陷模1和缺陷模3的Q值进行了调节。图6中带圆点的曲线所示为原结构(AB)18C(BA)18的透射率图。图6中带方形的曲线是将一维结构(AB)18C(BA)18中的第3层和第71层的第一介质层A分别用一个侧边缺陷层D取代，即取N1＝1，N＝16；侧边缺陷层D的光学厚度取7×λ0/4，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模与缺陷模1和缺陷模3重叠，使得缺陷模1和缺陷模3的Q值分别下降为666和606，它们的位置几乎没有变，而且对缺陷模2也几乎没有影响。
实施例3
图2所示为本发明所设计的含R个完全相同的缺陷层C(简称全同缺陷层C)和两个侧边缺陷层D的一维多层膜结构，其中R大于等于2，完全相同的缺陷层是指介质材料、折射率、光学厚度等都完全一样的介质层；其设计过程具体如下：
步骤101，在高折射率第一介质层A引低折射率第二介质层B交替堆叠的多层膜结构中掺入R个位于多层膜结构中部的全同缺陷层C，再在多层膜结构中远离全同缺陷层C的两端各对称地掺入一个侧边缺陷层D；两相邻的第一介质层A与第二介质层B组成一个周期的介质膜；两相邻的全同缺陷层C之间间隔N1个周期的介质膜，其中N1为2至6；侧边缺陷层D与中心缺陷层C间隔N2个周期的介质膜，以避免侧边缺陷层D与缺陷层C发生相互耦合作用，其中N2大于或等于6；N个全同缺陷层C的光学厚度为n×λ0/4，其中1＜n＜3。侧边缺陷层D到两个界面之间的周期数均为N3，N3取大于等于1的整数，且N3远小于N2，本发明所说的第一介质层A、第二介质层B折射率高低是相对而言的，指的是两者的折射率有高低之差，具体一点来说，第一介质层A与第二介质层B的折射率比大于1.1。第一介质层A、第二介质层B的光学厚度均为四分之一波长，即nada＝nbdb＝λ0/4。第一介质层A、全同缺陷层C、侧边缺陷层D可以选用同一种材料。
步骤102，调节R个全同缺陷层C的光学厚度及它们之间的距离，获得M个缺陷模，从而使多层膜结构形成M通道滤波器；然后设置侧边缺陷层D的光学厚度，使得两个侧边缺陷层D产生的1个或2～(M-1)个缺陷模，分别与M通道滤波器的1个或2～(M-1)个通道位置重叠，从而调节这些位置重叠的通道的Q值而保持其位置不变。侧边缺陷层D对不重叠的缺陷模的影响几乎可以忽略；也就是说，侧边缺陷层D的引入，不会对位置不重叠的通道的Q值产生影响。
图7所示的由第一介质层A、第二介质层B及全同缺陷层C、侧边缺陷层D堆叠构成的含多个缺陷模的多层膜结构，就是采用本实施例设计方法获得的多通道滤波器。其中第一介质层A和全同缺陷层C、侧边缺陷层D的折射率均选用1.7，第二介质层B的折射率为1.45。一维多层膜原始结构为(AB)18C(BA)3BC(BA)18，第一介质层A、第二介质层B的光学厚度均选择λ0/4，全同缺陷层C的光学厚度为2×λ0/4，共81层，中心波长λ0＝800nm。因此我们获得两个缺陷模，分别为缺陷模1和缺陷模2，该结构的透射谱如图8中圆点所示。两个缺陷模波长分别为778.2nm和823.06nm，且Q值分别为2555和2416。图8中带方形的曲线和带三角形的曲线所示是对缺陷模1的Q值的两种调节的透射谱图。图中带方形的曲线透射谱的结构是将一维结构(AB)18C(BA)3BC(BA)18中的第3层和第79层的A层分别用一个侧边缺陷层D取代，即取N1＝3，N2＝16，N3＝1；侧边缺陷层D的光学厚度取200.3nm，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模与缺陷模1重叠，从而使得缺陷模1的Q值下降为518，缺陷模1的位置没有变，而且对缺陷模2几乎没有影响。带三角形的曲线透射谱的结构是将一维结构(AB)18C(BA)3BC(BA)18中的第5层和第77层的第一介质层A分别用一个侧边缺陷层D取代，即取N1＝3，N2＝15，N3＝2；侧边缺陷层D的光学厚度取199.3nm，此时侧边缺陷层D产生的缺陷模也与缺陷模1重叠，缺陷模1的Q值下降为271且位置不变，对缺陷模2也几乎没有影响。通过对比得出，当侧边缺陷层D与全同缺陷层C之间的介质膜周期数越小，引入侧边缺陷层D后缺陷模1的Q值变化越大。
Claims (10)
1.多通道滤波器的设计方法，其特征在于包括以下几个步骤：
步骤101，在第一介质层A与第二介质层B交替堆叠的多层膜结构中掺入一个中心缺陷层C或至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C，再在多层膜结构中远离缺陷层C的两端对称地掺入两个侧边缺陷层D；第一介质层A与第二介质层B的折射率比大于1.1，两相邻的第一介质层A与第二介质层B组成一个周期的介质膜；侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，以避免侧边缺陷层D与缺陷层C发生相互耦合作用，其中N大于或等于6；
步骤102，调节缺陷层C的参数，获得M个缺陷模，从而使多层膜结构形成M通道滤波器；然后设置侧边缺陷层D的光学厚度，使得两个侧边缺陷层D产生的1个或2～(M-1)个缺陷模，分别与M通道滤波器的1个或2～(M-1)个通道位置重叠。
2.根据权利要求1所述的多通道滤波器的设计方法，其特征在于当步骤101中掺入一个中心缺陷层C时，步骤102中所述缺陷层C的参数为中心缺陷层C的光学厚度。
3.根据权利要求1所述的多通道滤波器的设计方法，其特征在于当步骤101中掺入至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C时，步骤102中所述缺陷层C的参数为缺陷层C的光学厚度及相邻两缺陷层C之间所间隔的介质膜的周期个数。
4.根据权利要求2所述的多通道滤波器的设计方法，其特征在于：所述中心缺陷层C的光学厚度为n×λ0/4，n取大于或等于3的数，λ0为中心波长。
5.根据权利要求3所述的多通道滤波器的设计方法，其特征在于：所述缺陷层C的光学厚度为n×λ0/4，其中1＜n＜3，λ0为中心波长，且相邻两缺陷层C之间所间隔的介质膜的周期个数为2至6个。
6.根据权利要求2或3所述的多通道滤波器的设计方法，其特征在于：所述第一介质层A、第二介质层B的光学厚度均为四分之一波长。
7.由权利要求1所述设计方法获得的多通道滤波器，其特征在于：所述多通道滤波器为主要由第一介质层A与第二介质层B交替堆叠而成的多层膜结构；所述多层膜结构的中部设有一个中心缺陷层C或至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C，两端设有两个侧边缺陷层D，侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，其中N大于或等于6。
8.根据权利要求7所述的多通道滤波器，其特征在于：所述多层膜结构的中部设有一个光学厚度为n×λ0/4的中心缺陷层C，n取大于或等于3的数，λ0为中心波长。
9.根据权利要求7所述的多通道滤波器，其特征在于：所述多层膜结构的中部设有至少两个位于多层膜结构中部的完全相同的缺陷层C，所述缺陷层C的光学厚度均为n×λ0/4，其中1＜n＜3，λ0为中心波长。
10.根据权利要求9所述的多通道滤波器，其特征在于：相邻两缺陷层C之间所间隔的介质膜的周期个数为2至6个。
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2009
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