CN108919401B - 一种导模共振滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导模共振滤波器，包括：单层均匀分布的全同介质棒，其中，介质棒的介电常数为n，介质棒周围介质的介电常数为n_o，n>n_o；介质棒的截面半径为r，介质棒的间距为d，将单层均匀分布的全同介质棒看作等效波导，导模共振滤波器的工作波长由导模共振效应决定。利用本发明实现的导模共振滤波器，具有结构简单，设计灵活的优势。此外，本发明提出的导模共振滤波器具有优异的性能参数：共振波长的反射率为100％，带宽小于3nm，边带反射率小于0.5％，共振波长可调谐。

Description

一种导模共振滤波器

技术领域

本发明涉及光学滤波技术，特别涉及一种基于导模共振效应实现共振滤波的光学元件，属于光通信领域。

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。导模共振效应发生于具有衍射光栅层的薄膜结构中，其最突出的特点是反射波与透射波在非常窄的共振波长范围内发生有效能量交换，导致接近100％的透射或反射，这一特点促使导模共振结构被广泛用来制作高效反射/透射滤波器，而成为构成激光高反系统、偏振系统、光学成像系统、生物传感器以及波分复用器等光学系统的重要元件。

传统的导模共振光栅具有多层膜的结构，膜层之间的折射率突变给滤波器性能带来了很多负面影响。单一渐变材料光栅实现导膜共振滤波器(CN106772741A)报道了采用折射率渐变材料代替多层膜，从而克服了传统导膜共振光栅的缺陷，然而，折射率渐变材料的引入使得滤波器的制作工艺难度加大，不利于导膜共振滤波器的推广应用。

发明内容

为克服上述技术的不足，本发明提供了一种仅由单层介质棒平行排列而构成的导膜共振滤波器，以简单的结构实现了高效窄带滤波功能。

本发明提供了一种导模共振滤波器，包括：

单层均匀分布的全同介质棒，其中，

介质棒的介电常数为n，介质棒周围介质的介电常数为n_o，n>n_o；

介质棒的截面半径为r，介质棒的间距为d，将单层均匀分布的全同介质棒看作等效波导，导模共振滤波器的工作波长λ为：

其中，m＝0，1，2，3为导模共振滤波器的等效波导的共振模式数；

β为沿等效波导的传播常数；

ρ由导模共振滤波器的入射电磁波的方向决定：当入射电磁波为横电场入射，即所述横电场方向垂直于入射面时，ρ＝0，当入射电磁波为横磁场入射，即所述横磁场方向垂直于所述入射面时，ρ＝1。

可选地，本发明提出的导模共振滤波器的参数如下：

介质棒分布在空气中，即n_o＝1；

介质棒的介电常数n＝2.89，介质棒的截面半径r＝105nm，介质棒的间距d＝500nm；

导模共振滤波器的工作波长λ＝830nm、带宽Δλ＝2.1nm、带宽为Δλ＝2.1nm、反射率为100％，工作波长两侧边带的反射率低于0.5％。

本发明还提供了一种导模共振滤波器，包括：

多层介质棒；其中，

介质棒的介电常数为n，分布在介电常数为n_o的介质中，n>n_o；

位于同一层的介质棒具有相同的截面半径r，且均匀分布，即间距d相同；

位于不同层的介质棒的截面半径不同，相邻两层的层间距为h；

将多层介质棒中的每一层看作一等效波导，导模共振滤波器的工作波长λ为：

其中，m＝0，1，2，3为等效波导的共振模式数；

β为沿等效波导的传播常数；

ρ由导模共振滤波器的入射电磁波的方向决定：当入射电磁波为横电场入射，即横电场方向垂直于入射面时，ρ＝0，当入射电磁波为横磁场入射，即横磁场方向垂直于所述入射面时，ρ＝1。

可选地，本发明提出的导模共振滤波器的参数如下：

介质棒分布在空气中，即n_o＝1，介质棒的介电常数n＝2.89；

介质棒的层数为2，第一层介质棒的截面半径为r₁＝105nm，第二层介质棒的间距r₂＝110nm；

每层介质棒间的距离d＝500nm，相邻两层的层间距为h＝500nm；

导模共振滤波器的工作波长λ₁＝800.86nm、λ₂＝829.36nm，带宽Δλ＝2.1nm，工作波长的反射率为100％，工作波长两侧边带的反射率低于0.5％。

可选地，本发明提出的导模共振滤波器的参数如下：

介质棒分布在空气中，即n_o＝1，介质棒的介电常数n＝2.89；

介质棒的层数为3，第一层介质棒的截面半径为r₁＝105nm，第二层介质棒的截面半径为r₂＝110nm；第三层介质棒的截面半径为r₃＝115nm；

每层所述介质棒间的距离d＝500nm，相邻两层的层间距为h＝500nm；

导模共振滤波器的工作波长为λ₁＝800.97nm，λ₂＝829.36nm，λ₃＝857.52nm，带宽Δλ＝2.3nm，工作波长的反射率为100％，工作波长两侧边带的反射率低于0.5％。

本发明的有益效果是：利用本发明实现的导模共振滤波器，具有结构简单，设计灵活的优势。此外，本发明提出的导模共振滤波器具有优异的性能参数：共振波长的反射率为100％，带宽小于3nm，边带反射率小于0.5％，共振波长可调谐。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的导模共振滤波器，其中1(a)为结构示意图，1(b)为导模共振的反射率曲线；

图2为本发明实施例2所述的导模共振滤波器，其中2(a)为结构示意图，2(b)为导模共振的反射率曲线；

图3为本发明实施例2所述的又一导模共振滤波器的共振波长。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不局限于下面的实施例。

实施例1，本发明提出的导模共振滤波器包括：

单层均匀分布的全同介质棒，如图1(a)所示；

其中，介质棒的截面半径为r，介质棒的间距为d，两者的改变均会影响共振波长λ的大小，d越小共振波长λ也越小，r的改变会影响该结构的等效折射率，而等效折射率的改变则会引起共振波长λ的改变)；n为介质棒的介电常数，n_o为介质棒周围介质的介电常数，两者满足n>n_o。

如果把该层介质柱结构等效成一层均匀介质波导，则该波导层的厚度为2r，设其等效折射率为n_eff，当置于空气中时，共振波长λ与等效波导层厚度2r以及等效折射率n_eff的关系由下式给出：

其中，m＝0，1，2，3为波导共振模式数，β为沿波导方向的传播常数。ρ参数与入射电磁场的方向有关，其取值如下：当横电场入射即电场方向垂直于入射面时，ρ＝0；当横磁场入射即磁场方向垂直于入射面时，ρ＝1。当入射条件或波导结构的选择使得波导中传播常数β得以提供时，导模共振效应发生，入射光波的透过率、反射率发生尖锐的突变。提供沿波导方向的传播常数β可以采用这种方法：调节入射角度，频率一定时，入射角度越大，能提供的沿波导方向的传播常数β越大。

介质棒周围的介质可以有多种选择，最简单的情况是介质棒分布在空气中，即n_o＝1。根据需要设计不同的上述参数n、r、d，可以得到不同的导模共振波长。n＝2.89，r＝105nm，d＝500nm时，采用FDTD方法计算得到该结构的导模共振波长为λ＝829.36nm、带宽为Δλ＝2.1nm、反射率为100％，即插入损耗为IL＝0，共振波长两侧边带的反射率低于0.5％，近似为零，如图1(b)所示。

通过本实施例，可以实现波长可调谐的单通道导模共振滤波器。

计算表明，共振波长两侧边带的反射率近似为零，并且导模共振波长与介质棒的截面半径大小密切相关。基于这两个特点，多通道可调谐滤波器可以简单地通过多层介质棒结构来实现。

实施例2，本发明提出的导模共振滤波器包括：

多层介质棒；其中，介质棒的介电常数均为n，介质棒分布在介电常数为n_o的介质中，两者满足n>n_o；位于同一层的介质棒具有相同的截面半径r，且均匀分布，即间距d相同；位于不同层的介质棒的截面半径不同，从而实现多个不同的共振波长λ；每层介质棒具有相同的间距d和层间距h。

本实施例中，当介质棒的层数为2时，导模共振滤波器的结构如图2(a)所示。其中，第一层介质棒的半径为r₁＝105nm，第二层介质棒的半径为r₂＝110nm，每层介质棒具有相同的间距d＝500nm，层间距h＝500nm；取n_o＝1，n＝2.89，采用FDTD方法计算得到该结构具有两个共振波长λ₁＝800.86nm、λ₂＝829.36nm，带宽Δλ＝2.1nm、共振波长的反射率为100％，即插入损耗IL＝0，如图2(b)所示。

数值计算还表明层间距h的大小对滤波器性能参数的影响不大。

为了方便对比，图2(b)同时给出了两层介质棒单独存在时产生的共振波长的反射率曲线，对比结果表明，两层介质棒产生的两个共振波长与它们单独存在时分别产生的共振波长完全一致。计算中还发现，两个共振反射峰可以独立调节而互不影响。基于此，可以通过增加介质棒的层数，得到多通道滤波器。图3为三层介质棒结构的反射谱图，该结构中，三层介质棒的半径分别为r₁＝105nm，r₂＝110nm，r₃＝115nm，三个共振波长分别为λ₁＝800.97nm、λ₂＝829.36nm，λ₃＝857.52nm，带宽Δλ＝2.3nm、插入损耗IL＝0。

需要说明的是，在上述实施例中，计算结果表明，当光波的入射角度小于1度，共振波长的大小、带宽基本不变，因此上述计算结果均是在入射角为1度时给出的。当入射角度大于1度时，共振波长的中心波长改变，带宽增大。

综上所述，上述实施例实现的导模共振滤波器，基于导模共振效应，采用单层介质棒结构实现了单通道滤波器，采用多层介质棒结构实现了多通道滤波器，并且工作波长可以通过改变介质棒的参数和间距灵活调节，因此具有结构简单，设计灵活的优势。此外，共振波长的反射率为100％，带宽小于3nm，边带反射率小于0.5％，因此本发明提出的导模共振滤波器为具有优异性能参数的窄带可调谐多通道滤波器。

本领域技术人员应当明白，在上述实施例所阐述的技术内容的基础上对本发明所作的一切变形或组合，均作为本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种导模共振滤波器，其特征在于，包括：

单层均匀分布的全同介质棒，其中，

所述介质棒的介电常数为n，所述介质棒周围介质的介电常数为n_o，n>n_o；

所述介质棒的截面半径为r，所述介质棒的间距为d，将所述单层均匀分布的全同介质棒看作等效波导，所述导模共振滤波器的工作波长λ为：

其中，m＝0，1，2，3为所述导模共振滤波器的等效波导的共振模式数；

β为沿所述等效波导的传播常数；

ρ由所述导模共振滤波器的入射电磁波的方向决定：当所述入射电磁波为横电场入射，即所述横电场方向垂直于入射面时，ρ＝0，当所述入射电磁波为横磁场入射，即所述横磁场方向垂直于所述入射面时，ρ＝1。

2.如权利要求1所述的导模共振滤波器，其特征在于，其中，

所述介质棒分布在空气中，即n_o＝1；

所述介质棒的介电常数n＝2.89，所述介质棒的截面半径r＝105nm，所述介质棒的间距d＝500nm，

所述导模共振滤波器的工作波长λ＝830nm、带宽Δλ＝2.1nm、反射率为100％，所述工作波长两侧边带的反射率低于0.5％。

3.一种导模共振滤波器，其特征在于，包括：

多层介质棒；其中，

所述介质棒的介电常数为n，分布在介电常数为n_o的介质中，n>n_o；

位于同一层的所述介质棒具有相同的截面半径r，且均匀分布，即间距d相同；

位于不同层的所述介质棒的截面半径不同，相邻两层的层间距为h；

将所述多层介质棒中的每一层看作一等效波导，所述导模共振滤波器的工作波长λ为：

其中，m＝0，1，2，3为所述等效波导的共振模式数；

β为沿所述等效波导的传播常数；

ρ由所述导模共振滤波器的入射电磁波的方向决定：当所述入射电磁波为横电场入射，即所述横电场方向垂直于入射面时，ρ＝0，当所述入射电磁波为横磁场入射，即所述横磁场方向垂直于所述入射面时，ρ＝1。

4.如权利要求3所述的导模共振滤波器，其特征在于，其中，

所述介质棒分布在空气中，即n_o＝1，所述介质棒的介电常数n＝2.89；

所述介质棒的层数为2，第一层所述介质棒的截面半径为r₁＝105nm，第二层所述介质棒的截面半径为r₂＝110nm；

每层所述介质棒间的距离d＝500nm，所述相邻两层的层间距为h＝500nm；

所述导模共振滤波器的工作波长λ₁＝800.86nm、λ₂＝829.36nm，带宽Δλ＝2.1nm，所述工作波长的反射率为100％，所述工作波长两侧边带的反射率低于0.5％。

5.如权利要求3所述的导模共振滤波器，其特征在于，其中，

所述介质棒分布在空气中，即n_o＝1，所述介质棒的介电常数n＝2.89；

所述介质棒的层数为3，第一层所述介质棒的截面半径为r₁＝105nm，第二层所述介质棒的截面半径为r₂＝110nm；第三层所述介质棒的截面半径为r₃＝115nm；

每层所述介质棒间的距离d＝500nm，所述相邻两层的层间距为h＝500nm；

所述导模共振滤波器的工作波长为λ₁＝800.97nm，λ₂＝829.36nm，λ₃＝857.52nm，带宽Δλ＝2.3nm，所述工作波长的反射率为100％，所述工作波长两侧边带的反射率低于0.5％。

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