CN101597799A - 异质结构的一维光子晶体 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异质结构的一维光子晶体，由缺陷结构和周期结构组成，玻璃作为基体材料，以光学厚度为λ/4的TiO₂和SiO₂薄膜为组份单元，分别用H和L表示，各组份薄膜的物理厚度是以λ₀＝550nm为波长，周期结构由TiO₂和SiO₂介质有规则地交替排列组成，含有48个组份单元，即(LH)²⁴；缺陷结构是以周期结构为基础来构造的，将其均分为二，再将第二部分首尾倒置后重新放在一起，于是两个相同H单元在中间形成一个厚度为λ/2的缺陷层。通过对异质结构优化，在保持光子带隙性能几乎不受影响的情况下，可大大减少叠加结构的总层数，这对于简化生产工艺、节约制备成本具有很大的现实意义。

Description

异质结构的一维光子晶体

技术领域

本发明属于物理技术应用的技术领域，涉及一种异质结构的一维光子晶体结构。

背景技术

Yablonovitch E.Inhabited spontaneous emission in solid-statephysics and electronics.J.Phys.Rev.Lett.，1987，58(20)：2059-2062在研究抑制自发辐射时，提出了光子晶体的概念。几乎同时，John S.Stronglocalization of photons in certain disordered dielectricsuper-lattices.J.Phys.Rev.Lett.，1987，58(23)：2486-2489；Yablonovitch E.Gmitter T.Photonic band structure：theface-centered-cubic case employing nonspherical atoms.J.Phys.Rev.Lett.，1991，67：2295-2298在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。所谓光子晶体就是一种由介电常数不同的介质材料在空间上周期性变化的人工介质结构。由于介质对光的折射率呈周期性分布，光波在其中传播时会受到调制，其色散关系呈带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙为光子禁带或带隙(简称PBG)。光子晶体从空间结构上可分为一维、二维和三维光子晶体。一维光子晶体是最简单的一种结构，它是由具有不同折射率的单层膜经交替变化而组成的光学多层薄膜，频率处于光子带隙范围内的电磁波不能在其中传播。特别是，经过精心设计的一维光子晶体结构可具有全向能隙性质(Fink，Winn J N，Fan Setal.A dielectricomnidirectional reflector.J.Sicience，1998，282(5398)：1679-1682)，这使得一维光子晶体的应用前景更为广阔，因而成为当前的热点研究课题之一。

传统的一维介电光子晶体的带隙不宽、带内反射不强，特别是禁带受角度、极化的影响很大。为了获得更宽的光子带隙，人们尝试了多种结构，如一维二元和三元结构、圆形分布、准周期结构、非关联无序结构、金属/介质结构等(宁学峰，荣垂才，闫珂柱.介质折射率对一维三元光子晶体带隙的影响.量子光学学报，2006，12(1)：53-57；宁学峰，闫珂柱.对一维光子晶体带隙变化规律的研究.激光杂志，2004，25(4)：43-45；王利，王占山，吴永刚，王少伟，陈玲燕.具有禁带展宽特性的一维光子晶体.光子学报，2004，33(2)：229-231；蒋美萍，王旭东，巢小刚.准周期结构一维光子晶体的带隙特性与滤波特性.量子电子学报，2005，22(6)：884-888；谢应茂.一维光子晶体中厚度无序对光传输特性的影响.赣南师范学院学报，2005，3：12-14；高强，闫敦豹，袁乃昌.一维金属-介质光子晶体的特性.国防科技大学学报，2005，27(4)：45-47)，并进行了大量的带隙拓宽研究。比如，将具有不同周期的一维光子晶体组合形成所谓一维“异质结构”光子晶体，可获得超宽的光子带隙(X Wang.Enlargement of omnidirectionaltotal reflection frequency range in one dimensional photoniccrystals by using photonic hetreostructures.J.Appl.Phys.Lett.，2002，80(23)：1-4293；Wang Li，Wang Zhan-shan et al.Enlargement ofthe Nontransmission Frequency Range of Multiple-channeled Filtersby the Use of Heterostructures.J.Appl.Phys.Lett.，2004，95(2)：424-426；Q Qin et al.Resonance transmission modes in dual-periodicaldielectric multilayer films.J.Appl.Phys.Lett.，2003，82：4654；邓立儿，王永生，徐征，王东栋，张春秀，韩笑.宽频带一维三元光子晶体异质结构全方向反射镜.光电技术与系统文选，2005：21-25)。另一方面，受半导体掺杂效应的启发，在周期性多层膜中夹杂一层或多层，构成缺陷层，导致带隙内出现缺陷模，可用于滤波。

发明内容

本发明的目的是通过结构优化由缺陷结构和周期结构组成异质结构，从而获得宽带隙的一维光子晶体，在保持光子带隙性能几乎不受影响的情况下，可大大减少叠加结构的总层数，这对于简化生产工艺、节约制备成本具有很大的现实意义。

为了达到本发明的目的提供一种异质结构的一维光子晶体，其特征在于由缺陷结构和周期结构组成。

所述的异质结构的一维光子晶体，其特征在于以折射率为n_glass＝1.51的玻璃作为基体材料，以光学厚度为λ/4的TiO₂和SiO₂薄膜为组份单元，分别用H和L表示，各组份薄膜的物理厚度是以λ₀＝550nm为参考波长确定，周期结构由TiO₂和SiO₂介质有规则地交替排列组成，含有48个组份单元，即(LH)²⁴；缺陷结构是以周期结构为基础来构造的，将其均分为二，再将第二部分首尾倒置后重新放在一起，于是两个相同H单元在中间形成一个厚度为λ/2的缺陷层。

本发明的优点：本发明以SiO₂和TiO₂薄膜为组份，制备异质结构光子晶体样品并测试了其光学性能，对带隙拓宽及结构优化的理论计算结果进行了实验验证。

将周期结构与缺陷结构组合成“异质结构”，利用周期结构的光子带隙弥补缺陷模态，可获得宽带隙。通过结构优化，在保持光子带隙性能几乎不受影响的情况下，可大大减少叠加结构的总层数，这对于简化生产工艺、节约制备成本具有很大的现实意义。

附图说明

图1是本发明的异质结构的一维光子晶体结构组成框图。

图2是本发明异质结构、周期结构光子晶体反射谱图。

图3是不同周期数周期结构与缺陷结构组成的异质结构的反射谱。

图4实验测试的缺陷结构(a)、周期结构(b)光子晶体的反射谱

图5异质结构反射谱的实验测试结果与计算结果对比。

附图符号说明

图1中介质L    介质H    周期结构M    缺陷结构N

图2中(a)为异质结构的结果，(b)图为周期结构的结果

图3中(a)～(d)中的周期数分别是24，12，6和3

图4中实验测试的缺陷结构(a)、周期结构(b)光子晶体的反射谱

图5中实心方块连线为实验测试结果，空心三角连线为计算结果。

具体实施方式

实施例1制备异质结构光子晶体样品：

本发明的解决方案以实验制备的SiO₂、TiO₂薄膜性能参数为依据，通过传输矩阵方法对由二者构成的一维光子晶体的能带结构进行了研究，发现在结构里引入缺陷层，带隙内出现缺陷模，而且原带隙的频率范围扩大。据此，若通过带隙叠加方法将缺陷模消除，有望得到增宽的光子带隙。这为打破一维光子晶体的带隙宽度受材料折射率对比度的限制提供了新的思路。

1结构模型及研究方法简介

光子晶体以光学厚度为λ/4的TiO₂和SiO₂薄膜为组份单元，分别用H和L表示，λ为参考波长。周期结构由TiO₂和SiO₂介质有规则地交替排列组成，含有48个组份单元[即[(LH)²⁴]。缺陷结构是以周期结构为基础来构造的。比如，将其均分为二，再将第二部分首尾倒置后重新放在一起，于是两个相同H单元在中间形成一个厚度为λ/2的缺陷层。若将周期结构继续等分，再按类似方法，可以构造出不同缺陷数目的结构。我们将周期结构和缺陷结构进一步组合，得到所谓异质结构的一维光子晶体，其结构模型如图1所示。

每个单层膜的特征矩阵可以表示为

$P_i=\left(\begin{array}{cccc}\cos \left(b_i\right)& \frac{v_i\sin \left(b_i\right)}{\mathrm{\ϵ}\left(i\right)I}& 0& 0\\ \frac{\mathrm{\ϵ}\left(i\right)\sin \left(b_i\right)}{v_{i}I}& \cos \left(b_i\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(b_i\right)& \frac{\sin \left(b_i\right)}{v_{i}I}\\ 0& 0& v_i\sin \left(b_i\right)I& \cos \left(b_i\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

由光学传输矩阵理论^[15]可知，整个光子晶体的特征矩阵可以表示为

$P=P_N{P}_{N-1}\·\·\·P_{j+1}{P}_j{P}_{j-1}\·\·\·P_1=\left(\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& P_{13}& P_{14}\\ P_{21}& P_{22}& P_{23}& P_{24}\\ P_{31}& P_{32}& P_{33}& P_{34}\\ P_{41}& P_{42}& P_{43}& P_{44}\end{array}\right)---\left(2\right)$

进一步可得其反射矩阵和透射矩阵元素：

$r=\frac{1}{(a_4{a}_6-a_2{a}_8)}\left(\begin{array}{cc}{a}_1{a}_8-a_4{a}_5& a_3{a}_8-a_4{a}_7\\ a_2{a}_5-a_1{a}_6& a_2{a}_7-a_6{a}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{pp}}& r_{\mathrm{ps}}\\ r_{\mathrm{sp}}& r_{\mathrm{ss}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

$t=\left(\begin{array}{cc}{b}_1+b_2{r}_{\mathrm{pp}}+b_3{r}_{\mathrm{sp}}& b_4+b_2{r}_{\mathrm{ps}}+b_3{r}_{\mathrm{ss}}\\ b_3+b_6{r}_{\mathrm{pp}}+b_7{r}_{\mathrm{sp}}& b_8+b_6{r}_{\mathrm{ps}}+b_7{r}_{\mathrm{ss}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{pp}}& t_{\mathrm{ps}}\\ t_{\mathrm{ps}}& t_{\mathrm{ss}}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，a_1，2＝n_i(n_tP₁₂-cosγ_tP₂₂)±cosγ_i(n_tP₁₁-cosγ_tP₂₁)；b_1，2＝(n_iP₂₂±cosγ_iP₂₁)/n_t；

a_3，4＝(n_tP₁₃-cosγ_tP₂₃)±n_icosγ_i(n_tP₁₄-cosγ_tP₂₄)；

a_5，6＝n_i(n_tcosγ_tP₃₂-P₄₂)±cosγ_i(n_tcosγ_tP₃₁-P₄₁)；b_5，6＝n_iP₃₂±cosγ_iP₃₁；

a_7，8＝(n_tcosγ_tP₃₃-P₄₃)±n_icosγ_i(n_tcosγ_tP₁₄-P₄₄)；

在垂直入射条件下，反射率和透射率为：

R＝|r_ss|²＝|r_pp|²    (5)

T＝|t_ss|²＝|t_pp|²    (6)

考虑到一维光子晶体(多层膜)通常附于基体，我们选玻璃作为基体材料，其折射率为n_glass＝1.51。通过射频磁控溅射方法制备了TiO₂和SiO₂薄膜，测试了它们的透射光谱和折射率。考虑到介质的色散性，

通过拟合获得TiO₂和SiO₂的折射率n₁、n₂分别为

$n_1\left(\mathrm{\λ}\right)=1.40765-0.01624/(1+e^{\frac{\mathrm{\λ}-413.65141}{53.67206}})$

$n_2\left(\mathrm{\λ}\right)=2.02115+0.91558\×e^{\frac{-\mathrm{\λ}}{166.56291}}+0.91558\×e^{\frac{-\mathrm{\λ}}{166.56331}}$

$+0.91558\×e^{\frac{-\mathrm{\λ}}{166.56275}}$

本文研究光波垂直于光子晶体表面入射的情况。各组份薄膜的物理厚度是以λ₀＝550nm为参考波长，并结合薄膜在此处的实际折射率来确定的。

2结果与讨论

2.1带隙拓宽

通过将两种不同厚度周期的光子晶体的本征带隙进行叠加，是获得超宽带隙及全方向能隙的一种有效方法。那末，将其中一个周期结构改为含缺陷的结构，是否也能获得宽带隙呢？我们对这一问题进行了研究，结果表明，答案是肯定的。将周期结构(LH)²⁴/glass与含7个缺陷模的结构[(LH)³(HL)³]⁴/glass(二者的总层数均相当于48个组份单元)复合得到异质结构(具有96个组份单元)，并对垂直入射光的反射谱进行了理论计算，结果见图2(a)。为了便于对比，周期结构反射谱也一起置于图中(图2(b))。由图可见，异质结构的光子带隙宽度约为273nm，而周期结构的带宽仅为134nm，前者是后者的二倍多。可以看出，异质结构的带隙宽度明显宽于周期结构的带隙宽度。也就是说，复合而得的异质结构带隙宽度远远大于周期结构的，说明通过这种结构复合可以使带隙拓宽。

事实上，将其它含有不同缺陷数目(小于7)的缺陷结构与周期结构相结合，也可以获得类似的结果，只是带隙拓宽的程度相应小一些。这种带隙拓宽的原理是利用缺陷模态使原光子带隙边沿向两边扩展，同时用周期结构的带隙去弥补这些缺陷模态，从而实现整个结构带隙的增宽。由于缺陷模态的波长范围随缺陷数量的增大而增宽，因此，在叠加时应该注意缺陷模态的波长范围须小于周期结构带隙的宽度。

2.2异质结构的优化

利用结构叠加使带隙增宽这种方法也存在一个问题，那就是两种结构叠加会使总的结构厚度增倍，这会大大增加生产成本和难度。所以有必要对异质结构进行优化。

在叠加结构中，保持含7个缺陷层的结构不变，而将周期结构的层数从24对逐渐减少到3对，其反射谱如图3。从该图可以看出，周期数从24减到12时，带隙的宽度和高反射率几乎不受影响(如图中(b))。当周期结构的层数减少到6对时(如图中(c))，光子带隙内出现了7个小凹沟，它们与缺陷结构的缺陷模相对应，这是由于周期结构减少到一定程度时，对缺陷模的补偿不够而产生的。继续减少周期结构的层数到3对，这种补偿不足的现象更明显，表现为更深的凹沟，如(d)图。这些结果说明，周期结构的层数也不能无限制地减少。但我们可以根据需要，适当减少异质结构中周期结构的周期数，通过优化使整个结构的厚度得以减少，这对于光子器件的实际制备和应用是非常有利的。

2.3实验验证

为了用实验验证在周期结构数目减少而仍然能获得带隙的拓宽，我们分别制备了(LH)⁶周期结构、[(LH)²(HL)²]³缺陷结构、由它们组合而成的异质结构(LH)⁶[(LH)²(HL)²]³样品，并测试了它们的反射谱。图4给出了周期结构和缺陷结构对应的测试结果，图5是异质结构的反射谱结果，为便于比较，我们在图5中也同时给出了理论计算结果。

图5中高反射区(光子带隙区域)内，有一些向下凹的小沟，这是由于实际制备的结构周期数较少，对光的干涉不够而引起的。不过这些凹沟处仍然保持高的反射率，所以它们并不影响带隙的宽度。由图4、5可知，周期结构光子晶体的带隙宽度只有147nm，而异质结构光子晶体的带隙范围为413nm～829nm，宽度为416nm，很明显带隙宽度增大了两倍多。可见，将周期结构和缺陷结构组合成异质结构来增大光子带隙的宽度，是可行的，这是一种简单、易行、有效的增宽光子带隙的方法。实验获得的反射谱与计算结果基本吻合，这不但从实验验证了异质结构可以拓宽光子晶体的性能，而且在保持带宽基本不变的情况下，允许减少结构的总厚度。这样可以大大减小宽带隙光子晶体的制备难度、降低制备成本，对于其实际生产和应用具有积极的现实意义。

3.结论

将周期结构与缺陷结构组合成“异质结构”，利用周期结构的光子带隙弥补缺陷模态，能获得宽带隙。由24对SiO₂和TiO₂薄膜组成的周期结构与含7个缺陷层的结构组合后，带隙宽度从134nm增大到273nm。在保持光子带隙性能几乎不受影响的情况下，通过优化结构可大大减少结构的总层数。但当周期结构层数继续减小时，会导致对光的干涉不足，可根据实际需要对结构进行合理优化。实验证实，将“异质结构”中周期结构的层数减半，基本不影响光子带隙的宽度。这对于简化生产工艺、节约制备成本具有很大的现实意义。

Claims (2)

1、一种异质结构的一维光子晶体，其特征在于由缺陷结构和周期结构组成。

2、根据权利要求1所述的异质结构的一维光子晶体，其特征在于以折射率为n_glass＝1.51的玻璃作为基体材料，以光学厚度为λ/4的TiO₂和SiO₂薄膜为组份单元，分别用H和L表示，各组份薄膜的物理厚度是以λ₀＝550nm为参考波长来确定的，周期结构由TiO₂和SiO₂介质有规则地交替排列组成，含有48个组份单元，即(LH)²⁴；缺陷结构是以周期结构为基础来构造的，将其均分为二，再将第二部分首尾倒置后重新放在一起，于是两个相同H单元在中间形成一个厚度为λ/2的缺陷层。

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