CN110673248B - 一种近红外可调谐窄带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳光学器件与光通信技术领域，具体是一种近红外可调谐窄带滤波器。本发明滤波器包括：衬底层，位于衬底层上依次叠合的薄膜层和光栅层；其中衬底为低折射率电介质材料，薄膜层和光栅层为高折射率电介质材料；光栅层的衍射效应产生的衍射波，一定条件下可以在薄膜层内形成导模共振。结合时域有限差分(FDTD)仿真和电磁多极展开分析表明，窄线宽反射是由于光栅层与入射光相互作用时，电偶极、磁偶极与电四极共振模式耦合造成的。改变光栅的周期以及薄膜层的厚度，可有效调谐峰值波长。本发明具有结构简单、峰值反射率高、峰值波长调谐简单、偏振不敏感，加工误差容忍度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学器件与光通信技术领域，具体涉及一种近红外可调谐窄带滤波器。
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。其中导模共振效应是指亚波长介质光栅在特定的结构参数和入射条件下出现的一种特殊衍射现象。当由周期结构所产生的某一衍射波与波导所支持的某一泄漏模位相匹配时，外部传播的衍射场与受调制波导的泄漏波之间发生耦合，会产生共振异常现象，其优点在于反射波与透射波在非常窄的共振波长范围内以极高的衍射效率发生有效能量交换。由于其优异的滤波性能，导模共振结构广泛应用于高性能反射或透射滤波器，在偏振系统、光学成像系统、生物传感器、激光高反系统以及波分复用器等光学系统中起到重要作用。
传统的导模共振滤波器是由多种不同材料组成，每种材料之间的折射率是突变的，这会给滤波器性能造成很多负面影响。此外，导模共振滤光器的共振效应对它的结构参数十分敏感。一般而言，导模共振滤波器的各项结构参数的变化都会引起共振波长、线宽以及旁带等参数的变化。因此在传统的导模共振滤波器中，对共振波长的调谐往往需要同时调整多个结构参数才能达到理想的效果，这使得调谐难度大大增加，并且结构参数的敏感性要求加工精确度高，增加了加工难度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种结构简单、峰值反射率高、峰值波长调谐简单、偏振不敏感，加工方便的近红外可调谐窄带滤波器，
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种近红外可调谐窄带滤波器，包括：衬底层，依次位于衬底层上的薄膜层和光栅层；其中，衬底层为低折射率电介质材料，薄膜层和光栅层为高折射率电介质材料。这里的低折射率、高折射率，是两者相对而言的；光栅层的衍射效应产生的衍射波，可以在薄膜层内形成导模共振；结合时域有限差分(FDTD)仿真和电磁多极展开分析表明，光栅层与入射光相互作用时，由电偶极、磁偶极与电四极共振模式耦合造成窄线宽反射。其中：
光栅层与入射光的相互作用通过电磁多极展开进行分析，电磁多极展开是将周期光栅的散射截面Csca表示为各多极矩贡献的和：
这里，
分别为电多极、磁多极系数，可通过感应电流密度
直接计算。其中，ω0和k分别为入射平面波的角频率和
波数；ε0为真空介电常数；εr(r)为以周期光栅单元中心为原点的任意坐标r处的介电常数；
为监控器记录的电场，包括入射场和散射场。所述滤波器在共振波长处实现电偶极、
磁偶极与电四极共振耦合，引起窄线宽反射。
进一步地，所述薄膜层和光栅层的材料相同，以减少折射率突变带来的负面影响。
进一步地，所述薄膜层的厚度可根据具体应用需要的峰值波长进行调节；薄膜层厚度范围（可调节）为180-220nm。
进一步地，所述光栅层为二维纳米环阵列，使得滤波器对入射光的偏振状态不敏感,而且滤波器峰值波长以及线宽对阵列单元的尺寸不敏感。
进一步地，所述高折射率电介质材料为硅，低折射率电介质材料为二氧化硅。
进一步地，所述滤波器可以通过调节纳米环的宽度（即纳米环外半径-内半径的值）来满足具体应用需要的的反射峰线宽。
进一步地，所述滤波器的峰值波长可通过调节纳米环阵列的周期实现近线性调谐；纳米环阵列的周期范围（可调节）为600-800nm。
进一步地，所述的厚度可调的薄膜层厚度为180-220nm。
进一步地，所述的纳米环阵列单元为外半径160-210nm，内半径120-170nm，高度150-230nm的纳米环。
进一步地，所述的纳米环阵列的周期为600-800nm。
本发明的优点在于：结构简单、峰值反射率高、峰值波长调谐简单、偏振不敏感，加工误差容忍度高等特点。
附图说明
图1为本发明近红外可调谐窄带滤波器的结构示意图。其中，a为近红外可调谐窄带滤波器的剖面图，b为其中光栅层（为纳米环阵列）图示。
图2为使用本发明近红外可调谐窄带滤波器的反射光谱图。
图3为纳米圆环阵列的总散射截面及其各多极随波长的变化图。
图4为使用本发明近红外可调谐窄带滤波器在不同纳米环宽度下的反射光谱曲线。
图5为使用本发明近红外可调谐窄带滤波器在不同纳米环尺寸下的反射光谱曲线。其中，a为高度h的变化情形，b为外半径变化情形。
图6为使用本发明近红外可调谐窄带滤波器在不同阵列周期下的反射光谱曲线。
图7为使用本发明近红外可调谐窄带滤波器在不同薄膜层厚度下的反射光谱曲线。
图中标号：1为衬底层，2为薄膜层，3为光栅层。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
实施例1
本发明提出的近红外可调谐窄带滤波器，结构示意图如图1所示，包括有衬底层1，位于衬底层上设置有薄膜层2作为波导，为了确保导模共振效应发生，薄膜层的折射率必须高于衬底层的折射率，位于薄膜层上设置有光栅层3，光栅层的结构为纳米环阵列。其中，薄膜层和光栅层的材料相同，均为高折射率电介质材料。记t为薄膜层厚度，h为阵列单元中纳米环的高度，r为阵列单元中纳米环的内半径，R为阵列单元中纳米环的外半径，w为阵列单元中纳米环的宽度（即w=R-r），p为纳米环阵列的周期（即两邻两纳米环中心的距离）。
入射平面横电（TE）或横磁（TM）偏振电磁波由光栅层向衬底层方向垂直入射，由于光栅层的衍射效应，产生的衍射波在薄膜层内形成导模共振，在共振波长处有接近100％的反射峰值和极窄的线宽。根据需要设计不同的上述参数：t、h、r、R、p、w，可以得到不同的导模共振波长。
首先，选取低折射率电介质材料二氧化硅作为滤波器的衬底层材料；然后在衬底层上选取高折射率电介质材料硅作为薄膜层的材料，其厚度t=205nm；接着在薄膜层上使用纳米环阵列作为光栅层，并选用和薄膜层相同的高折射率电介质材料硅，纳米环阵列的周期为p=700nm，阵列的每个单元中环的高度为h=170nm，外半径为R=175nm，内半径r=135 nm，即w=40nm。最后TE平面波由空气正入射到光栅层。
采用FDTD（时域有限差分法）仿真软件计算得到该结构的反射光谱图，如图2所示。该结构的反射峰值波长为1429.1nm，反射率为100%，线宽为4.3nm，旁带反射率低，滤波特性优良。
使用电磁多极展开分析法得到圆环阵列的总散射截面及其各多极随波长的变化，如图3所示。其中，ED、MD、EQ、MQ分别表示电偶极、磁偶极、电四极、磁四极。总散射截面主要来源于电偶极（ED）的贡献，即反射峰主要受电偶极共振模式的影响；电偶极（ED）、磁偶极（MD）、电四极（EQ）的共振峰位均在滤波器峰值波长附近，它们之间的耦合引起了滤波器的窄线宽反射。
实施例2
基于实施例1的结构参数，在维持其他参数不变的条件下，可以通过选择不同的纳米环宽度来实现反射峰线宽的选择，比如纳米环宽度w分别为取30nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm。
采用FDTD仿真软件计算得到反射光谱图，如图4所示。当纳米环宽度w不断增大时，滤波器峰值波长向长波方向轻微移动，峰值波长处反射率均为100％，同时线宽也逐渐增大。当w从30nm增大到70nm时，线宽从2.1nm增大到16.6nm，旁带反射率低，滤波特性优良。由此可见，该结构可以通过调节纳米环的宽度实现滤波器线宽的选择。
实施例3
基于实施例1的结构参数，在维持其他参数不变的条件下，选择不同的纳米环尺寸，包括分别改变内外半径和高度。首先选取外半径R分别为170nm，180nm，190nm，200nm，210nm，采用FDTD仿真软件计算得到反射光谱图，如图5(a)所示，可以看到当内外半径同步增大时，峰值波长只有很轻微的移动，并且线宽几乎保持约5nm不变；然后选取高度h分别为150nm，170nm，190nm，210nm，230nm，采用FDTD仿真软件计算得到反射光谱图，如图5(b)所示，当高度h从150nm增大到230nm时，峰值波长仅红移了约9nm，线宽增大约2nm。
由此可见，该结构摆脱了传统导模共振滤波器对光栅层结构参数敏感的制约，即便纳米环尺寸有几十纳米的改变，对滤波器的性能的影响也很微小，大大提高了工艺误差的容忍度。
实施例4
基于实施例1的结构参数，在维持其他参数不变的条件下，可以通过选择不同的阵列周期来实现峰值波长的调谐。选取的纳米环阵列的周期p分别为600nm、650nm、700nm 、750nm及 800nm。
采用FDTD仿真软件计算得到反射光谱图，如图6所示，可以看到，当阵列周期p不断增大时，滤波器峰值波长逐渐向长波方向移动，峰值波长处反射率均约为100％。当p从600nm增大到800nm时，滤波器峰值波长从1330.1nm调谐到1519.0nm，反射光谱线宽均小于5nm，旁带反射率低，滤波特性优良。由此可见，该结构可以通过调节纳米环阵列的周期简单有效地实现滤波器峰值波长的调谐。
实施例5
基于实施例1的结构参数，在维持其他参数不变的条件下，可以通过选择不同的薄膜层厚度来实现峰值波长的调谐。选取的薄膜层厚度t分别为180nm、190nm、200nm 、210nm及220nm。
采用FDTD仿真软件计算得到反射光谱图，如图7所示，可以看到，当薄膜层厚度t不断增大时，滤波器峰值波长逐渐向长波方向移动，峰值波长处反射率均约为100％。当t从180nm增大到220nm时，滤波器峰值波长从1346.2nm调谐到1476.5nm，反射光谱线宽均小于6.6nm，旁带反射率低，滤波特性优良。由此可见，该结构可以通过调节薄膜层厚度实现滤波器峰值波长的调谐。
Claims (2)
1.一种近红外可调谐窄带滤波器，其特性在于，包括衬底层，位于衬底层上的依次叠合薄膜层和光栅层；其中，衬底层为低折射率电介质材料，薄膜层和光栅层为高折射率电介质材料；所述光栅层的衍射效应产生的衍射波，在薄膜层内形成导模共振；光栅层与入射光相互作用时，由电偶极、磁偶极与电四极共振模式耦合造成窄线宽反射；
其中，所述薄膜层和光栅层的材料相同，并且所述薄膜层的厚度根据具体应用需要的反射峰值波长进行调节，所述薄膜层厚度调节范围为180-220nm；
所述光栅层为周期排列的二维纳米环阵列，使得滤波器对入射光的偏振状态不敏感,而且滤波器峰值波长以及线宽对阵列单元的尺寸不敏感；并且，所述滤波器通过调节纳米环的宽度来满足具体应用需要的反射峰线宽，所述的纳米环阵列单元为外半径160-210nm，内半径120-170nm，高度150-230nm的纳米环；所述滤波器的峰值波长通过调节纳米环阵列的周期实现近线性调谐；所述纳米环阵列的周期调节范围为600-800nm。
2.根据权利要求1所述的近红外可调谐窄带滤波器，其特征在于，所述高折射率电介质材料为硅，低折射率电介质材料为二氧化硅。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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