CN107976733A - 一种全介质偏振无关的角度滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了具有由半导体兼容的硅/二氧化硅对组成的一维（1D）光子晶体（PC）的全介质偏振无关的角度滤波器。利用p和s偏振分量近似对称的能带分布和法布里‑珀罗（F‑P）共振，实现了用于正入射的高效的偏振无关角度滤波。在大面积（5cm×5cm）范围利用真空磁控溅射读博设计和实验制备了角度滤波器。实验测量表明，波长为1550 nm处的角度滤波样品的偏振无关透射光束的发散角仅为2.2°，正入射时的透射率高达0.8。所提出的角度滤波器提出了以简单的结构和易于制造的方式来设计和实现半导体兼容的全电介质和偏振无关角滤波器的有效方法，其在照明、光束操纵、光耦合和光通信方面有着广泛的潜在应用。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种全介质偏振无关的角度滤波器。
背景技术
对光的完全操控一直是光学领域的重要课题。电磁波可以通过其相位，幅度，频率，极化和传播方向来表征。已经有大量的工作被发表来操纵振幅，位相，频率和偏振。方向滤波器(或角度滤波器)也被广泛的研究，时至今日仍然是一个重要的课题。零折射材料(ZIM)已被研究用于角度滤波。由于ZIM和周围材料之间的波矢匹配，理想ZIM可以对所有非正入射波进行滤波。介电常数近零材料(ENZ)的介电常数接近零，导致折射率也接近零，因此通常用于实现ZIM。等离子体金属制成的纳米线和多层超材料是ENZ材料最常见的两种设计。Alekseyev等人提出了在阳极氧化铝膜中生长的银纳米线阵列，以实现在600nm波长处p偏振(电场振动方向在入射面内)的入射角度滤波器，滤光角为20°，但是由于阻抗失配和等离子体激元的金属损耗导致透过率非常低(只有0.12)。还需要注意的是，ENZ可以仅工作在p或s偏振入射(电场振动方向垂直于入平面)之一，这大大限制了其应用。
具有狄拉克锥能带(DLCD)的光子晶体(PC)也可以用作特定偏振光的角度滤波器，因为具有DLCD的PC可以近似为双零材料(DZM)，即介电常数和磁导率在狄拉克点的频率同时接近零。2013年，Moitra等人报道了由10个交替的硅/二氧化硅层的棒组成的DZM。DZM在30°的入射角内显示出良好的高透射角度滤波性质。然而，DZM也能仅用于TM偏振光入射，并且制备该具有3μm/0.26μm的高深宽比(高/宽)的多层硅/二氧化硅棒是困难的，特别是在大面积制备时。2014年，Shen等人提出了具有不同周期性的1DPC来传输特定入射角的平面波(布鲁斯特角)，并反射其他入射角的入射波。但是，这种角度滤波器必须浸没在具有特定磁导率和介电常数的特定液体中，以便提高效率。还要注意的是，该角度滤波器只能用于布鲁斯特角度(与传统法向入射不同)的斜入射，并且与其他角度滤波器相同，仅适用于p偏振入射。
由于在非正入射下，s和p偏振入射波表现出显着差异，偏振无关的角度滤波器仍然未实现。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种全介质偏振无关的角度滤波器，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全介质偏振无关的角度滤波器，能够以实现正常入射的角滤波，且具有偏振无关的高效角度滤波特性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，包括基底、堆叠在所述基底上的两种不同介电常数的光学镀膜层，其中一种所述光学镀膜层的材料为与半导体兼容的全介质光子晶体、另一种所述光学镀膜层的材料为偏振无关的光子晶体。
进一步的，两种所述光学镀膜层按交替方式周期性堆叠在所述基底上。
进一步的，两种所述光学镀膜层分别为硅层和二氧化硅层。
进一步的，所述基底为二氧化硅，且堆叠在所述基底上的光学镀膜层为所述硅层。
进一步的，所述硅层的厚度L1＝80±8nm，所述二氧化硅层的厚度L2＝454±32nm。
进一步的，所述硅层和所述二氧化硅层通过真空离子源溅射镀膜的方式交替沉积在所述基底上。
本发明的有益效果为：该偏振无关角度滤波器(PIAF)采用p和s偏振分量在带边附近的近似对称的能带结构，以实现正常入射的角滤波。通过设计带边的频率，可以获得除ky＝0点之外的光线的全部反射(即，正入射是入射光可以传播的唯一角度)，并且该角度滤波器通过优化1D结构中的法布里-波罗(F-P)共振来确保光高透射率。实验结果表明，在设计波长为1550nm的情况下，正入射的透射率高达0.80，透射光束的发散角仅为2.2°，且具有偏振无关的高效角度滤波特性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的PIAF结构图和实验测量，图(a)示所提出的1D全介质PIAF的示意图，图(b)是制作的PIAF的电镜照片，其中，浅色为硅(Si)层、深色为二氧化硅(SiO2)层，图(c)是实验测量光路图，图(d)是测量的波长为1550nm时的入射角为0°至80°的透过率；
图2是PIAF的角度发散测量，图2(a)是光路示意图，图2(b)-(g)是在距离PIAF样本不同距离处拍摄的六张照片，从20至41毫米，以及相应的高斯拟合结果，图2(h)是r在不同位置的线性拟合；
图3是PIAF的理论设计和分析，图3(a)是p和s偏振波的能带结构，黑斜线代表光轴，黑色水平实线表示1550nm的波长，黑色水平虚线表示ky＝0时的带边频率(ω＝0.33(2πc/a)，即1618nm的波长)，图3(b)是当点光源放置在PIAF下时的电场分布；，图3(c)是当点光源放置在SiO2下时的电场分布，外部介质设置为空气，波长为1550nm；
图4是PIAF的透射率光谱，图4(a)是在正入射下具有不同数量个单位的透射光谱，图4(b)是每个单元中具有不同Si和SiO2厚度的透射光谱，单元数固定为10，每个单元的总厚度固定为L1+L2＝534nm；
图5是PIAF的模拟和实验透过率光谱比较，图5(a)是正入射时的透过率光谱，图5(b)透过率光谱在1550nm处从0°到30°不等的入射角入射，层数为10。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出的全介质偏振无关的角度滤波器(PIAF)，包括基底、按交替方式周期性堆叠在基底上的两种不同介电常数的光学镀膜层，其中一种光学镀膜层的材料为与半导体兼容的全介质光子晶体、另一种光学镀膜层的材料为偏振无关的光子晶体。具体的，基底为二氧化硅，两种光学镀膜层分别为硅层和二氧化硅层，且堆叠在基底上的光学镀膜层为硅层。
以下通过实验证明半导体兼容的全介质和偏振无关的一维光子晶体，可以实现正入射的角度滤波。
图1展示了在1550nm波长下1D PIAF的工作性能。每个单元均分别由L1＝80nm和L2＝454nm的硅(Si)和二氧化硅(SiO2)层构成。如图1(a)所示，电磁波从基底(SiO2)方向入射。通过真空离子源溅射镀膜将Si和SiO2层交替沉积在5cm×5cm的SiO2衬底上。图1(b)展示了该1D全介质PIAF的电镜照片。使用近红外激光器(Agilent Technologies，81960A，波长调节范围从1503nm到1632nm)和探测器(Thorlabs，PAX5710IR1-T)来检测其透过率(图1(c))。偏振器和半波片用于调整偏振方向。如图1(c)所示，当PIAF以不同的角度倾斜时，测量入射光束在设计波长为1550nm的透射率。图1(d)展示了该PIAF的角度滤波性能，可以看到透射率在正入射时为0.8，而在入射角分别增加到2°时迅速下降到0.17，当入射角增加到5°时透过率则降为零。还可以看出，该PIAF对于p和s偏振光入射展示出相同的角度滤波性能，这清楚地表明了其偏振无关的工作性能。
为了进一步证明其角度滤波效应，使用图2(a)所示的实验装置测量透过PIAF的透射光的激光束的发散角。首先用显微镜物镜(20×)对激光进行扩束，然后再通过PIAF。通过红外摄像机(XENICS，XEVA-1.7-320,320×256像素)记录透过PIAF光束的不同位置处的光强。图2(b)展示了透过PIAF的照片和相应的通过MATLAB拟合的光强分布图。可以观察到，PIAF对光束有着良好的角度滤波性能。对这些光强分布进行三维拟合，可以得到不同位置的透射光束尺寸的定量评估：
其中I是强度(照片中的灰度值)，x和y表示照片中的光点的坐标。A，B，C和D是拟合参数，其中A是所有像素中的灰度值最大值，B和D分别是灰度值之和最大的列的x坐标以及灰度值之和最大的行的y坐标。图2(b)-(g)是距离PIAF的距离为20mm至41mm的实验光束点的拟合高斯分布，步长为1mm(仅展示了其中六个)。图2(h)给出了不同位置处的拟合光束尺寸r(定义为强度最大的中心光点与强度下降到中心光强的1/e2处之间的距离)。图2(h)中的线的斜率表示透射光束的发散角。图2(h)采用了线性拟合，并得到以下关系：r＝0.0379d+5.6240其中d是从PIAF到CCD照相机的距离(如图2(a)所示)。透射光束的发散角可以计算为θ＝arctan0.0379≈2.2°，这与此前的结果是一致的(图1(d))。
PIAF的理论设计和分析可以基于由Si和SiO2层形成的单元进行，其厚度分别为L1＝0.15a和L2＝0.85a，其中a为晶格常数(a＝534nm)。入射的电磁波可以是p偏振波或s偏振波。对于s偏振波，电场垂直于x-y平面，p偏振波则是磁场方向垂直于x-y平面，如图3(a)所示)。p和s偏振波的能带结构如图3(a)所示。浅灰和深灰区域分别表示p和s偏振波入射的传播状态。白色区域表示方向带隙的区域。带隙中的这些状态可以在均匀介质中传播，但在PIAF中会衰减。黑斜线代表光轴。在光轴以上，来自衬底的入射波可以在PIAF中自由传播。在光轴以下，存在着无法长距离传播的瞬逝波。要注意的是，在第一带隙中存在一个全方向反射区域，其定义在能带带边和光轴之间。在图3(a)中带边(黑色水平虚线，带边频率ω＝0.33(2πc/a)，波长1618nm)的上方并接近带边的频率(即黑色水平实线，对应于波长1550nm)上，PIAF中的本征态分布在ky＝0附近，这表明接近正入射的光波可以通过PIAF样品。对于ky≠0，由于存在方向带隙，透过率将迅速降低。因此，这样的1DPC结构可以应用于实现角度滤波，即，只有正入射波才能通过PC结构传输，而所有其他入射波将由于存在方向带隙而被反射。还要注意的是，图3(a)中的光轴上方的p和s偏振波的能带图几乎是对称的，其这为所提出的PIAF的偏振无关角滤波性提供了物理理论依据。通过PIAF的角度滤波效果也可以从图3(b)所示的数值模拟中直观观察。在图3(b)中，点光源放置在PIAF的正下方。可以看出，如预期的那样，PIAF结构有效地滤除了大ky的波分量，而近正入射的电磁波可以以小的发散角通过PIAF。相反，当PIAF被纯SiO2代替时(图3(c))，可以看出，点光源的透射波沿着所有方向传播(球面波)。
然而，通过PIAF的正入射下的透过率通常由于1DPC结构与周围介质的阻抗失配而非常低。为了提高能量效率，可以利用F-P效应来实现透射光谱中的高透射和尖锐的共振峰。F-P共振峰可以利用麦克斯韦方程的缩放特性进行设计。如果给定PC中的结构的线性尺寸均匀地缩放了一个因子α，则频率ω和波矢量k也应该根据关系进行缩放，满足关系ω'＝ω/α和k'＝k/α。具有不同层数个单元的PIAF结构的透射光谱(8～12层)绘制在图4(a)中。使用有限差分时域法(Lumerical FDTD Solutions，Canada)进行模拟。在模拟中，使用L1＝80nm和L2＝454nm。从图4(a)可以看出，F-P共振峰随层数的变化而变化。只有最右边的峰值可以用于设计角滤波器，因为它最接近带边。如图4(a)所示，这种行为可用于调整工作波长，可以用L1＝80nm和L2＝454的10层PIAF结构获得1550nm(黑色垂直线)的工作波长纳米。最右边的峰值可以调节在1535nm到1558nm的范围内(用图4(a)中的虚线圆圈表示)。
通过改变每个单元中的Si和SiO2(L1和L2)的厚度，F-P谐振峰值也可以在更宽的范围内进行调整，因为改变L1和L2时带边频率发生变化(相反，当改变层数时带边频率不变)，其中L1和L2(固定a＝L1+L2＝534nm)的变化将导致介电常数分布的变化。当单位的介电常数从ε(r)变化到时，本征频率将根据公式发生变化从ωnk到
其中Enk(r)表示非扰动模式的场分布。在式(2)的指导下，我们可以调整硅的厚度(硅和二氧化硅的总厚度是固定的)，以调整本征频率(工作波长)。图4(b)显示了具有10层PIAF结构的1550nm附近的正入射波的透过率峰值的调整能力。当硅(L1)层的厚度从60nm变化到100nm时，最接近带边缘的峰的波长可以从1530nm调谐到1575nm(在图4(b)中用虚线圆圈表示)，并且可以在L1＝80nm(图4(b)的垂直线)处获得波长1550nm的峰值。应当注意，可以使用Si和SiO2的厚度的不同组合以及单位电池的数量来获得PIAF的类似性能。
在图5中给出了PIAF(L1＝80±8nm和L2＝454±32nm)与理论(L1＝80nm和L2＝454nm)结果之间的性能的详细比较。图5(a)和图5(b)分别显示了波长1550nm处正入射和0°至30°不同入射角的实验和模拟透射率的比较。可以看出，实验结果与理论模拟吻合良好，但是透过率略小(实验中为0.80，正常入射模拟为0.92)。这些偏差可能是由于制备中的误差，例如每层的厚度，这可能削弱F-P谐振。p和s偏振入射波的透过率光谱几乎重合，这极好地证明了所制造的PIAF的偏振无关角滤波性。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，包括基底、堆叠在所述基底上的两种不同介电常数的光学镀膜层，其中一种所述光学镀膜层的材料为与半导体兼容的全介质光子晶体、另一种所述光学镀膜层的材料为偏振无关的光子晶体。
2.根据权利要求1所述的全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，两种所述光学镀膜层按交替方式周期性堆叠在所述基底上。
3.根据权利要求1或2所述的全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，两种所述光学镀膜层分别为硅层和二氧化硅层。
4.根据权利要求3所述的全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，所述基底为二氧化硅，且堆叠在所述基底上的光学镀膜层为所述硅层。
5.根据权利要求4所述的全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，所述硅层的厚度L1 = 80±8nm，所述二氧化硅层的厚度L2 = 454±32nm。
6.根据权利要求4所述的全介质偏振无关的角度滤波器，其特征在于，所述硅层和所述二氧化硅层通过真空离子源溅射镀膜的方式交替沉积在所述基底上。
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