CN105759332A - 一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，属于光通信与微机电系统领域。本发明提供的耦合光栅由带二分之一虚设层厚度的、等同的、上下堆叠的双光栅构成，针对TM偏振入射光在布儒斯特角附近，通过控制两光栅间微/纳米级的相对横移改变结构电磁场分布，实现对导模共振滤波器光谱带宽大小的连续调控。在光栅发生横移过程中，两光栅之间的相对横移引起的峰值波长漂移现象不明显，反射光谱带宽大小却变化显著，两光栅发生相对横移时滤波器保持优良的抗反射滤波特性。通过微调入射角，可以补偿因两光栅相对横移导致的反射峰值漂移。

Description

一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法

技术领域

本发明涉及一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，尤其是一种利用耦合光栅动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，属于光通信与微机电系统领域。

背景技术

导模共振滤波器是一种利用导模共振效应实现共振滤波的光学元件，这类滤波器所需的膜层数少，滤波性能优越，在激光高反系统、偏振系统、光调制器以及生物传感等方面有着重要的应用价值。在实际应用中，光谱带宽大小是滤波器的一个重要性能指标。为了有效控制导模共振滤波器的光谱带宽大小，常用方法有三种：第一种是控制光栅层的调制强度，也就是改变光栅层材料高低折射率的对比度，比如增大光栅层的调制强度将导致滤波器的带宽增加，反之带宽减小；第二种是改变光栅深度，比如增加光栅深度将增大滤波器的光谱带宽，反之带宽减小；第三种是利用薄膜层的调控作用，比如在光栅层与波导层之间引入缓冲层，通过控制缓冲层厚度大小可以实现对滤波器反射光谱带宽大小的控制，一般而言，缓冲层厚度越大滤波器光谱带宽越小。上述方法从改变光栅层或薄膜层的结构参数入手，只能针对特定应用需求设计出特定带宽大小的导模共振滤波器，针对同一个滤波器结构，只能得到单一的光谱带宽大小，不能对导模共振滤波器光谱带宽大小进行动态调控。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明首先提供一种导模共振耦合光栅结构，该耦合光栅可用于实现良好的抗反射滤波效应。

所述导模共振耦合光栅结构是由带二分之一虚设层厚度的、等同的、上下两个堆叠的亚波长光栅构成；以TM偏振光入射，入射角θ_i由式(1)确定，光栅深度(即，每个光栅对应的二分之一虚设层厚度)d由式(2)确定；式(1)中，n_c和n_s分别为入射媒质和基底的折射率；式(2)中，λ为设计波长；n_e如式(4)所示，为亚波长光栅形式双折射现象对应e光的折射率；n_o如式(3)所示，为亚波长光栅形式双折射现象对应的o光的折射率；式(3)、式(4)中f为光栅填充系数，n_H和n_L分别为光栅层材料的高低折射率。

θ_i＝arctan(n_s/n_c)式(1)

在本发明的一种实施方式中，所述导模共振耦合光栅结构可以用于选取任意设计波长和薄膜材料的导模共振滤波器。

在本发明的一种实施方式中，所述导模共振耦合光栅结构可以用于设计导模共振滤波器时，选取的设计波长λ＝650nm，采用HfO₂和SiO₂两种材料进行设计。也就是n_c＝1，n_H＝1.98，n_L＝n_s＝1.46，f＝0.3，S＝0。根据公式(1)-(4)，得到的布儒斯特角θ_i＝55.59°，对应的二分之一虚设层光栅深度为d＝239.62nm，此时选取光栅周期Λ＝276.04nm。可以在设计波长650nm处实现良好的抗反射滤波效应，光谱带宽为0.11nm。

本发明还提供一种基于所述耦合光栅结构动态调控导模共振滤波器反射带宽大小的方法，是针对TM偏振入射光，在布儒斯特角附近，通过控制上下两个堆叠的亚波长光栅间微/纳米级的相对横移改变结构中电磁场分布，实现对导模共振滤波器反射带宽大小的动态调控，同时保证滤波器固有的优良抗反射滤波性能。

具体地，在耦合光栅没有发生相对横移的情况下，对于给定的结构和材料，耦合光栅滤波器具有固有的带宽大小；当上下两个堆叠的亚波长光栅发生相对横移，将引起导模共振滤波器中电磁场分布发生改变、上下两光栅间的电磁场耦合发生改变，从而导致光谱带宽大小发生改变。例如，对于n_H＝1.98，n_L＝1.46，光栅未发生相对横移时光谱带宽大小为0.11nm；当S＝0.5时，光谱带宽大小为2.92nm。一般地，在S＝0.5附近，反射光谱带宽大小达到最大值。

在本发明的一种实施方式中，当S在0-0.5的范围内变化时，反射光谱带宽将在0.11-2.92nm范围内连续变化，因此通过调节S可以实现对光谱带宽大小的连续可调。

在本发明的一种实施方式中，由于两光栅之间的相对横移将使得耦合光栅的等效折射率发生微小变化，因此，在S发生改变的过程中，滤波器的峰值波长会发生微小漂移；对于微小的峰值漂移，可以通过微调入射角进行补偿，根据不同的横移系数S，针对设计波长，采用矢量衍射理论计算滤波器反射率与入射角之间关系，选取反射率极大值对应的入射角θ_i，可以将导模共振滤波器的共振峰调节到设计波长处。由于TM偏振布儒斯特角附近的抗反射效应，因此光栅横移过程中导模共振滤波器固有的优良抗反射滤波特性不变。

本发明提供一种利用耦合光栅设计导模共振滤波器的方法，利用该方法可以设计出具有优良抗反射特性的导模共振滤波器。在此基础上，利用耦合光栅结构提出一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，具体涉及到利用两个耦合光栅间微/纳米级的相对横移改变结构中电磁场分布，进而改变上下两个光栅之间的电磁场耦合，实现对导模共振滤波器反射光谱带宽大小的动态调控，在微机电系统、光学仪器、光学测量、生物医学及传感等领域有应用前景。

附图说明

图1为本发明一种实施方式中耦合光栅结构示意图；θ_i为入射角，d为光栅深度，Λ为光栅周期，f为光栅填充系数，S为光栅横移系数(即一个周期内光栅横向移动的距离与光栅周期的比值)，n_H和n_L分别为光栅层材料的高低折射率，n_c和n_s分别为入射媒质和基底的折射率。

图2为本发明一种实施方式中耦合光栅结构在光栅横移系数S＝0时的光谱曲线。

图3为本发明一种实施方式中耦合光栅结构在光栅横移系数S发生变化时的光谱曲线。

图4为本发明一种实施方式中耦合光栅结构在光栅横移系数S发生变化时采用角调节的光谱曲线。

具体实施方式

实施例1采用耦合光栅结构设计导模共振滤波器

采用耦合光栅结构设计导模共振滤波器，该耦合光栅由带二分之一虚设层厚度的、等同的、上下两个堆叠的亚波长光栅构成，对于TM偏振入射光，在布儒斯特角附近，通过控制两光栅微/纳米级的相对横移来改变上下两光栅间的电磁场耦合，实现对导模共振滤波器反射光谱带宽大小的动态调控。

滤波器的设计波长和材料可以根据实际条件来选取。针对TM偏振，选取设计波长λ＝650nm，采用HfO₂和SiO₂两种高低折射率材料，折射率分别为：n_H＝1.98，n_L＝1.46。入射介质为空气n_c＝1，基底为融石英，折射率n_s＝1.46，光栅填充系数f＝0.3，光栅横移系数S＝0。根据公式(1)-(4)，得到对应的布儒斯特角θ_i＝55.59°，对应的二分之一虚设层光栅深度为d＝239.62nm。在此基础上，采用矢量衍射理论计算出导模共振在设计波长处对应的光栅周期Λ＝276.04nm，至此，导模共振耦合光栅的结构参数和入射角已全部确定，可以在设计波长λ＝650nm处实现良好的抗反射滤波效应，响应的光谱带宽大小为0.11nm。

实施例2基于耦合光栅结构动态调控导模共振滤波器的带宽大小

基于实施例1的采用耦合光栅结构设计导模共振滤波器，采用矢量衍射理论计算导模共振耦合光栅的反射滤波光谱曲线，得到图2的计算结果，可以看到，由于TM偏振的布儒斯特抗反射效应，在设计波长650nm附近的200nm波长范围内，滤波器的旁带反射率均低于5‰，导模共振反射滤波性能优越。

在图2的参数条件下，选取不同的光栅横移系数S，比如S分别取0.1、0.2、0.3、0.5，采用矢量衍射理论计算导模共振耦合光栅的反射光谱曲线，得到图3的计算结果。可以看到，当S大小发生改变，滤波器带宽大小变化显著，但依旧保持极低的反射旁带，滤波器峰值反射率高，滤波器滤波性能优良。当S由0增大到0.5时，反射带宽由0.11nm增加到2.92nm，带宽增加了26.5倍；当S在0-0.5的范围内连续变化，滤波的反射带宽也将在0.11nm至2.92nm之间连续变化。因此，通过调整耦合光栅之间的相对横移，可以对光谱带宽大小实现动态调控。

实施例3微调入射角补偿因光栅横移造成的峰值波长漂移现象

基于实施例2的耦合光栅发生横移时，耦合光栅的等效折射率将发生微小改变，导致滤波器峰值位置将随S变化发生微小漂移。在实施例2中，入射角θ_i＝55.59°，S＝0时耦合光栅峰值对应设计波长650nm，但是S改变时峰值波长将微小地偏离设计波长，比如S分别取0.1、0.2、0.3、0.5，峰值位置分别为649.7nm、649.3nm、648.9nm、649.1nm。对于S发生改变时导致的峰值波长漂移现象，可以通过微调入射角来实现对峰值波长漂移的补偿。

比如，对于S＝0.1，采用矢量衍射理论计算滤波器反射率与入射角之间关系，找到反射率极大值对应的入射角θ_i＝55.70°。此时，选取入射角θ_i＝55.70°，采用矢量衍射理论计算耦合光栅的反射光谱曲线，可以看到S＝0.1导致的峰值漂移已经被调整到设计波长650nm处。当S分别取0.2、0.3、0.5时，采用上述方法，选取相应的入射角，同样可以将对应的峰值漂移调整到设计波长650nm处，进而在同一波长处得到不同的反射带宽大小，即图4的结果，其中：S＝0对应的入射角θ_i＝55.59°；S＝0.1对应的入射角θ_i＝55.70°；S＝0.2对应的入射角θ_i＝55.86°；S＝0.3对应的入射角θ_i＝55.99°；S＝0.5对应的入射角θ_i＝56.01°。

在实际应用中，上下两光栅可以采用电子束刻蚀、或离子束辅助刻蚀、或纳米压印等方法制备，两光栅均可以采用自支撑结构或者带基底结构。通过控制两光栅之间的微/纳米级的横移量来控制S的大小，比如在实施例1-3中，S＝0.1对应的相对横移量为0.1×Λ＝27.6nm。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种导模共振耦合光栅结构，其特征在于，是由带二分之一虚设层厚度的、等同的、上下两个堆叠的亚波长光栅构成。

2.根据权利要求1所述的一种导模共振耦合光栅结构，其特征在于，以TM偏振光入射，入射角θ_i由式(1)确定，光栅深度d由式(2)确定；式(1)中，n_c和n_s分别为入射媒质和基底的折射率；式(2)中，λ为设计波长；n_e如式(4)所示，为亚波长光栅形式双折射现象对应e光的折射率；n_o如式(3)所示，为亚波长光栅形式双折射现象对应的o光的折射率；式(3)、式(4)中f为光栅填充系数，n_H和n_L分别为光栅层材料的高、低折射率；

θ_i＝arctan(n_s/n_c)式(1)，

3.根据权利要求1所述的一种导模共振耦合光栅结构，其特征在于，上下两个堆叠的亚波长光栅采用电子束刻蚀、或离子束辅助刻蚀、或纳米压印等方法制备。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种导模共振耦合光栅结构，其特征在于，上下两个堆叠的亚波长光栅采用自支撑结构或者带基底结构。

5.一种导模共振滤波器，其特征在于，含有权利要求1-3任一所述的导模共振耦合光栅结构。

6.一种动态调导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一所述的导模共振耦合光栅结构，在布儒斯特角附近针对TM偏振入射光，在设计波长处动态调导模共振滤波器反射光谱带宽大小。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用导模共振耦合光栅结构的上下两个堆叠的亚波长光栅间微/纳米级的相对横移，实现对导模共振滤波器反射带宽大小的连续调控。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在确定了设计波长、光栅结构参数和对应的布儒斯特角的基础上，通过选择光栅周期，在设计波长处实现抗反射滤波特性。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，当上下两个堆叠的亚波长光栅发生微/纳米级的相对横移时，如果导致微小的滤波器峰值波长漂移现象，通过微调入射角实现对滤波器峰值漂移的补偿。