CN102540309B - 一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，是在由两种不同介电材料按照相同的周期交替排列而成的有限周期数的一维光子晶体中加入缺陷层组成，其结构组成为[A/B]_n[C][A/B]_m，其中，n和m代表一维光子晶体的周期数，周期数n和m在3～40之间变化，且满足︱n－m∣≤3。本发明的滤波器中由介电材料A/B构成的一维光子晶体的晶格常数a保持不变，仅通过调整缺陷层C的厚度即可实现在可见光波段同时产生两个滤波通道。该滤波器为带有缺陷层的一维光子晶体滤波器，缺陷层厚度小于一维光子晶体的晶格常数，能够实现波长从413nm到626nm可见光波段范围的双通道滤波。本发明滤波器的制备简单，分辨率较高，其滤波通过宽度小于5nm。

Description

一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器

技术领域

本发明涉及一种光子晶体滤波器，特别是涉及一种带缺陷的一维光子晶体滤波器。

背景技术

光子晶体作为具备广阔应用前景的新型光电功能材料，受到越来越广泛的关注。相对于二维和三维光子晶体而言，一维光子晶体结构简单，工艺制备上更容易实现。完全光子禁带是光子晶体的主要特性之一，对于具有完全光子禁带的光子晶体而言，处于完全禁带频率范围的光波都不能在光子晶体中进行传播，即处于光子晶体禁带范围的光子频率以内都无法在光子晶体中存在。许多新型光学器件采用了光子晶体的这一特性，光子晶体滤波器就是其中的研究热点之一。同时，随着高精度、大容量光通信技术的持续发展，以及光学精密测量的较高要求，都希望在通带非常窄的窄带光滤波器取得突破。这些技术的应用一般是在光子晶体引入各种类型的缺陷，使得一个较宽的完全光子禁带区内出现一个或几个非常窄的通带。由于光子晶体滤波器的滤波效能要远比普通滤波器优越，因此，利用光子晶体制备极窄带高品质的高性能滤波器具有十分重要的意义。

多腔级联光子晶体多通道滤波器（CN 101246237 B）报道了在一维光子晶体中有规律地加入多个点缺陷层，形成一维光子晶体的缺陷腔的级联，其每一缺陷层两侧的一维光子晶体相对于缺陷层都是对称周期排列。这种滤波器所需缺陷层数较多，制备相对复杂，其滤波范围在微米波段且三个滤波通道间隔较小，分离度较低。

韩培德等（可见光波段SiO₂/CdSe一维光子晶体及缺陷模的研究，光子学报，2010，第39卷第1期）报道了采用SiO₂/CdSe作为一维光子晶体的介电材料，其缺陷层LiTaO₃两侧的一维光子晶体也是呈对称的周期排列，在其中加入缺陷层LiTaO₃后，能达到一定的滤波目的。但在整个可见光波段其滤波范围较窄，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，该滤波器为带有缺陷层的一维光子晶体滤波器，能够实现可见光范围内的双通道滤波，且滤波器的制备简单，分辨率较高。

本发明的原理在于：在光子晶体中，如果对其结构参数进行优化，可以发现在某些频率范围出现较大的完全光子禁带，当在光子晶体中引入特定的缺陷层，完全光子禁带中就会出现较高品质因子的缺陷态而形成缺陷模，光子晶体的完全光子禁带和完全禁带中的缺陷模就能实现禁止或允许一定频率的光子通过，如果缺陷模的频率范围很小，则允许通过的光波频率很窄，利用这一特性可以制备高分辨率的光子晶体滤波器。

本发明的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器是在由两种不同的介电材料按照相同的周期交替排列而成的有限周期数的一维光子晶体中加入缺陷层组成的。具体的，本发明的滤波器是由A、B、C三种不同的介电材料组成的，其结构组成为[A/B]_n[C][A/B]_m，其中，n和m代表一维光子晶体的周期数，周期数n和m在3～40之间变化，且满足︱n－m∣≤3，此时，整个滤波器结构的总层数为2n＋2m＋1。本发明的滤波器中，组成一维光子晶体的两种介电材料A、B的介电常数分别为2.37和16.00，且一维光子晶体的晶格常数a保持恒定；缺陷层材料C的介电常数为6.25，C的厚度d ₃小于晶格常数a，且厚度变化范围满足0.4a≤d ₃≤0.75a。

本发明中由介电材料A/B构成的一维光子晶体的晶格常数a保持不变，仅通过调整缺陷层C的厚度即可实现同时产生工作频率范围在波长413nm到626nm的不同可见光波段的两个滤波通道。所述滤波通道的宽度介于1nm到5nm之间。

其中，本发明优选的用于构造一维光子晶体的介电材料A和B分别是二氧化硅和锗，缺陷层材料C则优选了氮化镓。但是，用于构建本发明滤波器的介电材料不局限于二氧化硅、锗和氮化镓，凡是介电常数与其相等或接近的其他各类材料均可以用于构建本发明滤波器。

进一步地，本发明的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器中，一维光子晶体的晶格常数a为恒定值130nm，其中构成一维光子晶体的介电材料A的厚度d ₁=0.85a，B的厚度d ₂=0.15a。

本发明一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的制备方法是，首先用镀膜或磁控溅射、低压气相化学淀积等方法，在光学基片上依次生长设计厚度的介电材料B和A，并按照同样的方法生长m个周期；然后再生长缺陷层材料C，同时根据不同的滤波需求控制缺陷层C的厚度；之后继续交替生长n个周期的介电材料B和A，从而实现一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器。

本发明一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器结构简易，容易制备，其两个滤波通道的工作频率范围为从413nm到626nm的不同可见光波段，所滤波的单色性较好，谱线宽度较窄。

本发明滤波器具有滤波分辨率高的特点，可以实现1nm到5nm的窄带滤波，而且可以达到同时滤去两种不同颜色可见光的目的。

附图说明

图1是本发明一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的结构示意图。

图中：A、B、C为三种不同的介电材料，[A/B]_n表示A、B两种不同的介电材料依次n个周期排列，[C]表示一维光子晶体中的一个缺陷层介电材料C，[A/B]_m表示A、B两种不同的介电材料依次m个周期排列；其中d ₁为介电材料A的厚度，d ₂为介电材料B的厚度，d ₁ +d ₂=a为光子晶体的晶格常数，d ₃为介电材料C的厚度，z方向为光子晶体的周期排列方向。

图2为结构组成为[SiO₂/Ge]₄[GaN][SiO₂/Ge]₄的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的结构示意图。

图中：第1、3、5、7、10、12、14、16层为二氧化硅层，第2、4、6、8、11、13、15、17层为锗层，二氧化硅层厚度d ₁=110nm，锗层厚度d ₂=20nm，第9层为缺陷层氮化镓层。

图3为滤波范围493nm～498nm（蓝）与512nm～517nm（绿）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图4为滤波范围495nm～499nm（蓝）与519nm～524nm（绿）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图5为滤波范围486nm～489nm（蓝）与537nm～540nm（黄）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图6为滤波范围476nm～478nm（蓝）与555nm～558nm（黄）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图7为滤波范围465nm～467nm（紫）与573nm～575nm（黄）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图8为滤波范围455nm～456nm（紫）与590nm～593nm（黄）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图9为滤波范围444nm～446nm（紫）与606nm～609nm（黄）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图10为滤波范围434nm～437nm（紫）与620nm～625nm（橙）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图11为滤波范围413nm～418nm（紫）与622nm～626nm（橙）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

图12为滤波范围474nm～476nm（蓝）与566nm～568nm（黄）波段的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器的能带特性图。

具体实施方式

实施例1。

在一维光子晶体中，如果对其结构参数优化，可以发现在可见光波段出现较大的完全禁带；根据光子晶体缺陷理论，在一维光子晶体中引入缺陷层后，在原完全带隙区域中能产生缺陷模。

本实施例选用常用的半导体二氧化硅（介电常数2.37）、锗（介电常数16.00）、氮化镓（介电常数6.25）三种介电材料，其中以氮化镓层为中间缺陷层，按照[SiO₂/Ge]₄[GaN][SiO₂/Ge]₄的结构，在缺陷层两边分别取4个周期结构，选择石英片作为光学基片，在光学基片上依次交替沉积17层（n=4，m=4）：第1、3、5、7二氧化硅层，第2、4、6、8锗层，第9氮化镓层，第10、12、14、16二氧化硅层，第11、13、15、17锗层，即在第9氮化镓层的两侧分别为SiO₂/Ge两种介质交替排列四个周期的一维光子晶体结构，采用型号为WD.54-450的真空镀膜机制备出图2所示的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器。

当构造此滤波器的晶格常数a为130nm，二氧化硅层、锗层的厚度分别为d ₁=0.85a=110nm、d ₂=0.15a=20nm，氮化镓层的厚度d ₃=0.40a=52nm时，制备得到的是滤波范围为493nm～498nm（蓝）与512nm～517nm（绿）的窄带滤波器，其能带特性图如图3，图中，纵坐标为归一化频率，c为光速，横坐标为Bloch波矢，图中虚线表示光子能带。

用镀膜方法在光学基片上按照表1的顺序交替生长二氧化硅、锗和缺陷层氮化镓，共17层。首先在光学基片上镀膜生长第17锗层，其厚度为20nm，然后在第17锗层上镀膜生长厚度为110nm的第16二氧化硅层，得到光子晶体的一个周期，然后采用同样的方法再生长3个周期后，获得四个周期的[SiO₂/Ge]₄层，再换第三种材料氮化镓继续镀膜，氮化镓缺陷层镀膜的厚度为90nm，之后继续采用相同的制备方法，对第8，7，…，2，1层交替镀膜生长4个周期。这样在光学基片上按照表1从下至上依次生长所需厚度的二氧化硅、锗、氮化镓共17层薄膜，从而制备出滤波范围为493nm～498nm（蓝）与512nm～517nm（绿）的窄带双通道滤波器。

 [0033] 表1  一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器各层介电材料及镀膜厚度

通过改变缺陷层（第9氮化镓层）的厚度，可以实现不同要求滤波的目的。

当d ₃=0.45a=58nm时，可以实现可见光波段中波长为495nm～499nm（蓝）与519nm～524nm（绿）的双通道滤波目的，如图4；当d ₃=0.50a=65nm时，可以实现可见光波段中波长为486nm～489nm（蓝）与537nm～540nm（黄）的双通道滤波目的，如图5；当d ₃=0.55a=71nm时，可以实现可见光波段中波长为476nm～478nm（蓝）与555nm～558nm（黄）的双通道滤波目的，如图6；当d ₃=0.60a=78nm时，可以实现可见光波段中波长为465nm～467nm（紫）与573nm～575nm（黄）的双通道滤波目的，如图7；当d ₃=0.65a=84nm时，可以实现可见光波段中波长为455nm～456nm（紫）与590nm～593nm（黄）的双通道滤波目的，如图8；当d ₃=0.70a=90nm时，可以实现可见光波段中波长为444nm～446nm（紫）与606nm～609nm（黄）的双通道滤波目的，如图9；当d ₃=0.75a=97nm时，可以实现可见光波段中波长为434nm～437nm（紫）与620nm～625nm（橙）的双通道滤波目的，如图10。

实施例2。

选取二氧化硅（介电常数2.37）、锗（介电常数16.00）、氮化镓（介电常数6.25）三种介电材料，其中以氮化镓层为中间缺陷层，选择石英片作为光学基片，采取实施例1方法，按照[SiO₂/Ge]₄[GaN][SiO₂/Ge]₃的结构，采用型号为WD.54-450的真空镀膜机在光学基片上交替生长二氧化硅、锗和缺陷层氮化镓，共15层，其中在缺陷层两边各取4个周期结构和3个周期结构，第1、3、5、7二氧化硅层，第2、4、6、8锗层，第9氮化镓层，第10、12、14二氧化硅层，第11、13、15锗层，制备出一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器。滤波器的晶格常数a为130nm，二氧化硅层、锗层的厚度分别为d ₁=0.85a=110nm、d ₂=0.15a=20nm，氮化镓层的厚度d ₃=0.75a=97nm，制备得到的滤波器滤波范围413nm～418nm（紫）与622nm～626nm（橙）波段，其能带特性图如图11。

实施例3。

选用二氧化硅（介电常数2.37）、锗（介电常数16.00）、氮化镓（介电常数6.25）三种介电材料，其中以氮化镓层为中间缺陷层。滤波器结构[SiO₂/Ge]₆[GaN][SiO₂/Ge]₄，SiO₂层厚度110nm，Ge层厚度20nm，GaN缺陷层厚度74nm，参照实施例1制备过程，在光学基片上依次生长所需厚度的二氧化硅、锗、氮化镓共21层薄膜，从而制备出滤波范围474nm～476nm（蓝）与566nm～568nm（黄）的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，图12为其能带特性图。

Claims (3)

1.一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，是在有限周期数的一维光子晶体中加入缺陷层组成，其特征是所述的滤波器由A、B、C三种不同的介电材料组成，其结构组成为[A/B]_n[C][A/B]_m，其中n和m代表一维光子晶体的周期数，周期数n和m在3～40之间变化，且满足︱n－m∣≤3；组成一维光子晶体的两种介电材料A、B的介电常数分别为2.37和16.00，且一维光子晶体的晶格常数a为130nm，其中A的厚度d ₁=0.85a，B的厚度d ₂=0.15a；缺陷层材料C的介电常数为6.25，C的厚度d ₃小于晶格常数a，且厚度变化范围满足0.4a≤d ₃≤0.75a。

2.根据权利要求1所述的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，其特征是所述滤波器产生工作频率范围在波长413nm到626nm的不同可见光波段的两个滤波通道。

3.根据权利要求2所述的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，其特征是所述滤波通道的宽度介于1nm到5nm之间。

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