CN108445561A - 基于光学Tamm态的多频吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学Tamm态的多频吸收器，层状结构顺序为：M1‑D1‑DBR1‑M2‑DBR2‑D2‑M3，其中M1层、M2层、M3层均为金属银层；所述DBR1层和DBR2层均由二氧化硅和二氧化钛交替生长生成；所述D1、D2层为二氧化钛层。本设计是利用多重光学Tamm态之间的耦合作用，实现了三频、四频吸收。通过设计DBR1和DBR2的周期数可以得到三频吸收或者四频吸收，设计D1、D2层厚度来改变吸收波长，改变入射光角度来灵活调节吸收波长。相比较与采用标准刻蚀法制作的吸收器,该吸收器仅用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)实现,具有结构简单、制备方便的特点。

Description

基于光学Tamm态的多频吸收器

技术领域：

本发明属于光子学和光电材料等领域领域，特别涉及一种基于光学Tamm态的多频吸收器。

背景技术：

光吸收器是一种可以有效吸收光频电磁波的器件，它在太阳能、传感、滤波、成像、热辐射和热探测等方面具有潜在的应用前景。光吸收器按照吸收带宽的大小，可以分为窄带型和宽带型；按照吸收峰的数量，可以分为单频和多频。与单频吸收器相比较，多频吸收器可以同时在多个吸收峰上进行光谱比对,可以提高检测的准确率，在多谱成像系统的信息提取和安全检测方面更具优势。目前多频吸收器的工作主要集中于双频吸收器、三频吸收器和四频吸收器，主要是通过密集排布结构单元、堆栈不同尺寸的结构单元组成多层结构和将不同的谐振结构整合在同一结构单元实现多频吸收。已报道的多频吸收器都采用了标准刻蚀法制造，其成本和加工周期都十分可观。尤其刻蚀纳米量级尺寸的结构单元时，标准刻蚀法加工显得极为困难，难以满足可见光吸收器的设计要求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于光学Tamm态的多频吸收器，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光学Tamm态的多频吸收器，层状结构顺序为：M1-D1-DBR1-M2-DBR2-D2-M3，其中M1层、M2层、M3层均为金属银层；所述DBR1层和DBR2层均由二氧化硅和二氧化钛交替生长生成；所述D1、D2层为二氧化钛层。

光学Tamm态(OTS)是由固体物理中的Tamm态类比而来，由A.V.Kavokin等人于2005年首次提出。固体物理中的Tamm态指的是一种电子局域表面态，而OTS是一种界面模，即与OTS相应的增强场局域在两不同材料的分界面处。OTS广泛存在于一维光子晶体异质结和金属-分布式Bragg反射镜(DBR)结构中。OTS可由TE或TM偏振光直接激发，无需特定的入射角，即使是在垂直入射情形下也可以激发。在反射谱中，OTS与光子带隙范围内尖锐的反射dip相联系，具有较窄的半高谱宽。

本设计是利用多重光学Tamm态之间的耦合作用，实现了三频、四频吸收。通过设计DBR1和DBR2的周期数可以得到三频吸收或者四频吸收，设计D1、D2层厚度来改变吸收波长，改变入射光角度来灵活调节吸收波长。相比较与采用标准刻蚀法制作的吸收器,该吸收器仅用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)实现,具有结构简单、制备方便的特点。

优选地，上述技术方案中，DBR1和DBR2周期数分别为N1和N2，N1和N2范围为5至10。

通过设计DBR1和DBR2的周期数可以得到三频吸收或者四频吸收。

优选地，上述技术方案中，其中，DBR1和DBR2中二氧化硅和二氧化钛的厚度为d_i＝λ/4n_i(i＝A,B)，n_i为二氧化硅和二氧化钛的折射率，λ为两DBR的中心波长。

优选地，上述技术方案中，所述金属层M1、M2和M3均为银层，厚度分别为d_M1、d_M2和d_M3。金属薄膜太厚，入射光在传输到DBR结构之前，在金属中已经完全损耗，OTS不能被激发；金属薄膜太薄，吸收谱中的吸收峰可能并非OTS激发引起。为了得到与OTS对应的理想的吸收峰，因而我们取金属层的厚度为30至70nm之间。

优选地，上述技术方案中，所述的D1、D2层，材料为二氧化钛，厚度分别为d₁、d₂。设计D1、D2层厚度来改变吸收波长，为保证改变的吸收波长在禁带范围之内，范围为65.5至200nm；改变入射光角度来灵活调节吸收波长，为保证足够的吸收率，入射光角度范围为0至60°，无需复杂的制作工艺。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)该吸收器仅用金属有机物化学气相沉积法实现，MOCVD是一种利用金属有机化合物为原料的化学气相沉积工艺，适用范围比较广泛，在异质结构材料的生长中尤为常见。这种方法通常应用于大规模生产，可以快速调整材料的掺杂浓度等，具有结构简单、制备方便的特点。

(2)可以通过改变入射角来调节吸收峰波长，易于调节。

附图说明：

图1为本发明装置结构示意图。

图2为实例一对应的垂直入射情况下，DBR周期数N1＝N2＝10时的吸收谱。

图3为实例二对应的垂直入射情况下，DBR周期数N1＝N2＝5时的吸收谱。

图4为实例三对应的垂直入射情况下，DBR周期数N1＝5，N2＝10时的吸收谱。

图5为实例四对应的垂直入射情况下，M1金属层厚度发生变化时的吸收谱。

图6为实例五对应的DBR周期数N1＝N2＝5情况下，光入射角度发生变化时的吸收谱。

图7为实例六对应的DBR周期数N1＝N2＝5情况下，改变与金属M3相邻的D2层厚度d₂的吸收谱。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本发明的基于光学Tamm态的多频吸收器，包括金属层M1、D1、DBR1、金属层M2、DBR2、D2和金属层M3。所述的DBR1和DBR2由两种半导体材料二氧化硅和二氧化钛交替生长生成，周期数分别为N1和N2。其中，二氧化硅和二氧化钛的厚度为d_i＝λ/4n_i(i＝A,B)，n_i为二氧化硅和二氧化钛的折射率，λ为两DBR的中心波长。所述金属层M1、M2和M3均为银层，厚度分别为d_M1、d_M2和d_M3。所述的D1、D2层，材料为二氧化钛，厚度分别为d₁、d₂。

此基于光学Tamm态的多频吸收器工作原理如下：

在金属-DBR结构中，合理设计DBR的组成，在金属-DBR的交界面处满足等效阻抗匹配条件和等效相位匹配条件时，便会形成界面隧穿模，可以在禁带内激发出OTS。OTS对应波长的光局域在金属-DBR界面处，远离该分界面，强度逐渐衰减。本发明的结构为M1-D1-DBR1-M2-DBR2-D2-M3，光在M1-D1-DBR1交界面、DBR1-M2交界面、M2-DBR2交界面和DBR2-D2-M3交界面会发生四处OTS，分别记为OTS1、OTS2、OTS3和OTS4，它们彼此之间还会存在耦合作用。

发生在M1-D1-DBR1交界面处的OTS1的本征波长与发生在DBR1-M2、M2-DBR2交界面处的OTS2、OTS3的本征波长相差太大，无法发生耦合，只能与发生在DBR2-D2-M3交界面处的OTS4发生耦合。当DBR1和DBR2的周期数较小时，耦合系数小，发生在M1-D1-DBR1、DBR2-D2-M3两处交界面处的OTS本征波长值相同，发生强耦合，导致OTS模式发生劈裂，本征波长由一个变为两个。当周期数较大时，耦合系数大，发生弱耦合，OTS模式不发生劈裂，本征波长值只有一个。同理，发生在DBR2-D2-M3交界面处的OTS4情况相同。

发生在DBR1-M2交界面处的OTS2的本征波长与发生在M1-D1-DBR1、DBR2-D2-M3交界面处的OTS1、OTS4的本征波长相差太大，无法发生耦合，只能与发生在M2-DBR2交界面处的OTS3发生耦合。由于OTS2、OTS3同时在金属M2两侧激发OTS，OTS本征能量主要受与金属层M2相邻介质层影响，此时两侧OTS本征波长值相同，发生强耦合，最终导致OTS模式分裂，本征波长由一个变为两个。同理，发生在M2-DBR2交界面处的OTS3情况相同。

因此，当DBR1和DBR2的周期数较小时，可以实现四频吸收；当DBR1和DBR2的周期数较小时，可以实现三频吸收。

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明。

实例一

图2所示为入射光垂直入射到该结构中，金属层的厚度分别为d_M1＝d_M2＝d_M3＝30nm，二氧化硅层的折射率和厚度分别为n_A＝1.47、d_A＝93.5nm，二氧化钛层的折射率和厚度分别为n_B＝2.1、d_B＝65.5nm，周期数N1＝N2＝10时的吸收谱。图2中的竖直虚线表示垂直入射情况下，DBR1-M2-DBR2结构的禁带范围。从图2中可以看出，当N1＝N2＝10时，禁带范围内出现了3个吸收峰，分别在581nm、606nm和626nm，吸收率分别为0.70、0.89和0.72，可以看出此时可以实现三频吸收器。

实例二

本实例是在实例一结构基础上，改变DBR周期数，图3所示为入射光垂直入射情况下，DBR周期数N1＝N2＝5时的吸收谱。图3中的竖直虚线表示垂直入射情况下，DBR1-M2-DBR2的禁带范围。从图3中可以看出，当N1＝N2＝5时，禁带范围内出现了4个吸收峰，分别在575nm、599nm、628nm和657nm处，吸收率分别为0.79、0.97、0.97和0.89，可以看出此时可以实现四频吸收器。也就是说，吸收峰的个数可以通过调节DBR1和DBR2的周期数来调节。

实例三

本实例是在实例一结构基础上，改变DBR1的周期数，图4所示为入射光垂直入射情况下，DBR周期数N1＝5，N2＝10时的吸收谱。图4中的竖直虚线表示垂直入射情况下，DBR1-M2-DBR2结构的禁带范围。从图4中可以看出，当N1＝5、N2＝10时，禁带范围内出现了4个吸收峰，分别在577nm、604nm、611nm和645nm处，吸收率分别为0.71、0.82、0.92和0.89，可以看出此时可以实现四频吸收器。与图3相比，此时改变的只有DBR1的周期数，吸收峰个数不变，但是吸收峰本征波长发生改变。也就是说，调节DBR1和DBR2的周期数不光可以改变吸收峰个数，还可以改变吸收峰本征波长。

实例四

本实例是在实例一结构基础上，改变金属层M1厚度d_M1，图5所示为入射光垂直入射情况下，d_M1发生变化的吸收谱。图5中的竖直虚线表示垂直入射情况下，DBR1-M2-DBR2结构的禁带范围。图5中的d_M1＝30nm、d_M1＝45nm与d_M1＝60nm分别代表不同情况下的金属层M1厚度。从图5中可以看出，金属层M1厚度变化对吸收峰个数以及吸收峰的本征波长影响很小。当d_M1＝30nm时，吸收峰峰值较高，吸收带宽相对较宽；当d_M1＝45nm、d_M1＝60nm时，由于金属材料的吸收损耗、散射损耗加强，导致结构的吸收率下降。因此，金属层M1厚度取30nm是比较适合多频吸收器的设计的。

实例五

本实例是在实例二结构基础上，改变D2层厚度d₂，图6所示为DBR周期数N1＝N2＝5情况下，d₂发生变化的吸收谱。图6中的d₂＝65.5nm、d₂＝95.5nm与d₂＝125.5nm分别代表D2层厚度。从图6中可以看出，随着d₂的增大，吸收峰的本征波长发生红移。因此，可以通过改变D2层厚度d2调整吸收峰波长值。

实例六

本实例是在实例二结构基础上，改变光的入射角度，图7所示为DBR周期数N1＝N2＝5情况下，光入射角度发生变化的吸收谱。图6中的θ＝10°、θ＝20°与θ＝30°分别代表光的入射角度。从图7中可以看出，入射角的变化对吸收峰的个数无影响，但是对吸收峰的本征波长有影响。随着入射角的增大，吸收峰的本征波长发生蓝移，吸收率逐渐下降。因此，可以通过改变入射角调节吸收峰的本征波长值。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于光学Tamm态的多频吸收器，层状结构顺序为：M1-D1-DBR1-M2-DBR2-D2-M3，其中M1层、M2层、M3层均为金属银层；所述DBR1层和DBR2层均由二氧化硅和二氧化钛交替生长生成；所述D1、D2层为二氧化钛层。

2.根据权利要求1所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：所述DBR1和DBR2周期数分别为N1和N2。

3.根据权利要求2所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：N1和N2范围为5至10。

4.根据权利要求1或2所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：其中，DBR1和DBR2中二氧化硅和二氧化钛的厚度为d_i＝λ/4n_i(i＝A,B)，n_i为二氧化硅和二氧化钛的折射率，λ为两DBR的中心波长。

5.根据权利要求1所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：所述金属层M1、M2和M3均为银层，厚度分别为d_M1、d_M2和d_M3。

6.根据权利要求5所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：d_M1、d_M2和d_M3范围为30至70nm之间。

7.根据权利要求1所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：所述的D1、D2层，材料为二氧化钛，厚度分别为d₁、d₂。

8.根据权利要求7所述的基于光学Tamm态的多频吸收器，其特征在于：d₁、d₂范围为65.5至200nm之间。