CN102789054A - 一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缺陷一维光子晶体对多波长信号色散分离的方法，涉及光谱测量领域。本发明基于一维光子晶体光子带隙和缺陷滤波特性，通过在完美一维光子晶体引入双棱镜缺陷层，使缺陷层光学厚度能连续变化，这样不同位置对应不同的缺陷结构，使输出谱线与输入、输出位置有一一对应的关系，对多波长电磁波具有频率分离特性，并形成超精细的光谱结构。本发明有非常高的光谱分辨率，可用于分波器、光谱仪等器件上，同时本发明采用薄膜制备工艺可与其它器件集成化，制备技术成熟。
Description
技术领域
本发明涉及一种一维光子晶体色散分离器，对多波长电磁波具有频率分离特性，并形成超精细的光谱结构。
背景技术
传统的离散光学器件系统由于组装和调整困难、器件体积和重量大、稳定性差等缺点已不能适应现代信息光电子技术发展的需要，一些器件新的原理、新的概念、新的结构设计相继提出，如光子晶体、微谐振腔、微腔激光器、纳米量子线导光、等离子体基元表面波等。近年来，大量研究表明光子晶体具有广阔的应用前景，特别是在光通信、光学信息处理领域中，利用光子晶体可以研制多种光通信器件，如光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体微腔、光子晶体滤波器、光子晶体光开关、光子晶体激光器、光子晶体偏振器、光子晶体LED和光子晶体超棱镜等。分光器件是光子技术的基本元件之一，在光通信和光学信息处理方面有着广泛的应用，分光器件的发展经历了从色散棱镜到衍射光栅再到采用干涉调制元件和信息变换技术的演化，常见分光器件主要有3类: ( 1) 色散棱镜。包括等边三棱镜、科尔钮棱镜、立特罗棱镜、恒偏向角棱镜等；( 2) 光栅。按照制作方法不同又可分为: 刻划光栅、复制光栅、全息光栅等；按照光栅的形状不同可分为: 平面光栅和凹面光栅; 按照光栅的通透性不同可分为: 透射式光栅和反射式光栅等；( 3) F- P标准具。此外, 还有声光可调谐滤光器、双折射滤波片、二元菲涅耳透镜等一系列分光元件。
光子晶体是一种利用高低折射率材料交替周期性排列的人工合成材料，电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制，从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)，光子能带之间可能会出现带隙，即光子带隙；两种由不同介电常数材料薄介质层交替排列可构成一维周期性结构,一维光子晶体相当于不同介质组成的多膜材料，例如光学中常见的布拉格反射镜就是一种简单的一维光子晶体。由于一维光子晶体结构简单、可靠性好、容易制备、便于集成等优点，因此利用一维光子晶体来实现对光信号的处理越来越引起人们的关注，如在完整的一维光子晶体中引入缺陷层,光子禁带中会出现缺陷模，通常用来实现窄带滤波。发明专利“波长选择性激光分束器”（中国专利，专利申请号：02143518.9）提供了提供一种用于分离激光束的分束装置，通过一有波长选择性的波片即光学延迟器，不同波长偏振态不同，经过轴离晶体将不同偏振的子光束按角度分开，实现子光束空间分离。本发明采用双棱镜缺陷层的一维光子晶体实现波谱分离，具有分光功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器系统。通过缺陷层结构的设计，输入特定多波长电磁波，在器件不同位置输出不同的波长，即器件位置和输出的波长是一一对应的关系，达到波谱分离的目的，并且有很高的分辨率。
本发明所采用的技术方案是，采用特征矩阵方法研究由双棱镜构成缺陷层的一维光子晶体的传输特性，研究双棱镜构成缺陷层的结构参数对一维光子晶体的传输特性的影响，达到同时让多波长电磁波入射一维光子晶体一个侧面，在另外一个侧面不同位置输出，实现波谱分离。光子晶体理论研究的方法有很多种，如特征矩阵方法、多重散射法和时域有限差分方法(FDTD)、光束传播法、有限元法等等，本发明研究方法采用特征矩阵方法，它的重要意义在于把薄膜的两个界面的场联系了起来，而它本身包含了薄膜的一切特征参数，即从电磁场的边值关系寻求薄膜两界面上的场之间的关系。
本发明提出的基于一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器的设计主要包括以下内容。
本发明包括周期数为12，即24层高低折射率层一维光子晶体和双棱镜缺陷层结构，整个结构为镜像对称分布的特定模型。设置为:介质层A的折射率为na= 1.38(MgF2), 厚度da=328.6nm, 介质层B折射率为nb = 2.35(ZnS), db=193nm,晶格周期为d=da+ db=521.6 nm, 一维光子晶体光子禁带中心波长λ0=2( na da+ nb db) =1814.2nm，背景材料为空气。
本发明，由双棱镜构成一维光子晶体缺陷层，同时让多波长电磁波入射一维光子晶体一个侧面，不同在另外一个侧面不同位置输出，实现波谱分离。
光子晶体理论研究的方法有很多种，如特征矩阵方法、多重散射法和时域有限差分方法(FDTD)、光束传播法、有限元法等等。本发明研究方法采用特征矩阵方法，它的重要意义在于把薄膜的两个界面的场联系了起来，而它本身包含了薄膜的一切特征参数，即从电磁场的边值关系寻求薄膜两界面上的场之间的关系。
本发明，对电介质作如下假设:
电介质是各向同性的，于是介电常数。可以被看成标量；
电介质是无磁性的，并且其中没有电流或电荷；
不考虑电介质的电损耗，即介电常数是一个纯实数；
对一维光子晶体其它二个方向大小作归一化处理；
假设平面电磁波垂直入射薄膜表面。
基于以上假设很容易得到适合于一维光子晶体膜系的透射系数:
，算得双棱镜缺陷层一维光子晶体膜系的透射谱，η0、η0为空气和衬底材料的波阻抗，A、B、C、D为薄膜特征矩阵的矩阵元。
本发明相对同类现有研究，具有以下优点：本发明对多电磁波波长具有频率分离特性；本发明具有良好可塑性。通过改变双棱镜缺陷层的属性，可以对其他波段进行频率分离， 具有良好的可塑性；本发明可与其它器件集成化，采用薄膜制备工艺，制备技术成熟；本发明具有很高的空间分辨率，
。
附图说明
本发明具体实施的结构框图及附图说明如下。
图1一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器系统示意图。
图2 双棱镜缺陷层一维光子晶体光路传输示意图。
图3双棱镜缺陷层光路传输示意图。
图4 一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器传输谱与输出位置的关系曲线。
图中，1. 聚焦透镜2.扩束镜3. 高低折射率层4. 双棱镜缺陷层5. 高低折射率层6. 探测器。
具体实施方式
图1为一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器系统示意图。多波长入射光束经过聚焦棱镜1聚焦后，通过共焦扩束棱镜2扩束后投射一维光子晶体表面，经过带有双棱镜缺陷层4的高低折射率周期介质层3、5，实现缺陷滤波，不同位置只允许某一波长通过，使不同波长λ1 λ2 λ3 …λn-1 λn的波在空间分离，投射到探测器6上形成精细的光谱结构。
对一维光子晶体进行建模，设置模型参数，具体实施为:在完整的一维光子晶体中设置双棱镜结构形成具有双棱镜缺陷层一维光子晶体，设计了一种新型一维光子晶体色散分离器，如图2所示，设置介质层A的折射率为n a = 1.38(MgF2), 厚度d a =328.6nm, 介质层B折射率为n b = 2.35(ZnS), d b =193nm,晶格周期为d=d a + d b =521.6 nm,背景材料为空气，一维光子晶体光子禁带中心波长λ 0 =2( n a d a + n b d b ) =1814.2nm。
模型仿真，采用特征矩阵法，在不同入射归一化位置输入一定频率范围的电磁波谱，只有对应的缺陷模的波长能透过，其它频率的光波不能透过，图3为双棱镜缺陷层光路传输示意图，研究缺陷层C、D的结构参数对透射特性的影响。
通过改变双棱镜属性，如缺陷层折射率、光学厚度等因素，优化设计最佳结构参数，本发明采用将缺陷结构参数优化为 nc=1.57,nd=2.8,ncdc=λ 0/3，其传输谱特性如图4所示，透射谱与输出位置的关系为如图4所示，横坐标为归一化入射位置f，纵坐标为归一化输出波长λ/λ0，不同波长从对应的不同位置输出。这种特性可以用来设计一种新型色散分离器，色散分离器的带宽大约为218nm，空间分辨率值可高达
。
Claims (4)
1.一种一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器，其特征在于，入射光束经过聚焦棱镜（1）聚焦后，通过共焦扩束棱镜（2）扩束后投射一维光子晶体表面，经过高低折射率周期介质层（3）、双棱镜缺陷层（4）和高低折射率周期介质层（5）色散分离后，投射到探测器（6）上形成精细的光谱结构。
2.根据权利要求1所述的一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器，其特征在于，该晶体的结构是一个膜系，膜系中各膜层排列如下：
(AB)NCD(BA)N
其中， A为低折射率膜层，B为高折射率膜层，A和B的光学厚度为一维光子晶体光子禁带中心波长的四分之一，N为高低折射率周期介质层的周期数，C、D为双棱镜缺陷层。
3.根据权利要求1或2所述的一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器，其特征在于，其特征是膜系中的A的折射率用na=1.38(MgF2)，厚度用d a =328.6nm ，B的折射率用nb=2.35(ZnS)，厚度用d b =193nm，高低折射率周期介质层的周期数N=6。
4.根据权利要求1或2所述的一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器，其特征在于，缺陷层采用双棱镜C、D缺陷层，C、D的几何结构相同，最大厚度为385.2nm 棱镜顶角为а=0.1rad，C的折射率nc=1.57, D的折射率nd=2.8。
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