CN113671688B - 一种广谱可调超窄带通滤光系统 - Google Patents

一种广谱可调超窄带通滤光系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种广谱可调超窄带通滤光系统。该系统包括具有缺陷模的一维光子晶体、级联光子晶体结构和多通道滤光通路；其中，具有缺陷模的一维光子晶体包括由高折射率介电材料和低折射率介电材料周期堆叠构成的布拉格反射结构、缺陷层和布拉格反射结构的镜像结构依次排列构成；多个具有缺陷模的一维光子晶体通过连接层连接在一起形成级联光子晶体结构；多个级联光子晶体结构分别分装在多通道滤光通路中。本发明基于级联光子晶体结构的超窄带通滤光片，具有结构简单，光子晶体薄膜材料选择丰富等优点，通过优化光子晶体结构参数可实现广谱超窄带通滤光，满足了多种场景下的需求。

Description

一种广谱可调超窄带通滤光系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种广谱可调超窄带通滤光系统。
背景技术
随着光通信技术产业化的不断完善，光学薄膜在红外、可见光、紫外光波段均有极大的发展前景。比如，红外滤光片在基于电荷耦合器(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器制作的成像系统中得到了广泛应用；近年来，随着发光LED技术的不断成熟，不少学者对LED可见光网络通信系统进行研究，可见光滤波片在实现LED电光转换、光信号传输解析及数字信息通信中扮演了重要的角色；而紫外光波段的滤波器在生物医疗检测、水质检测仪器、生化分析仪器以及科研实验仪器等设备上都有广泛的应用。
随着量子理论的发展，基于量子纠缠态的光量子通信逐渐走进人们的视野。量子通信作为一种新型信息传输方式，具有传统通信所不具备的安全特性，在国防安全、金融信息等领域有着巨大的应用价值和前景。在量子通信系统中，需要半高宽低于0.1nm的超窄带通滤光片进行通信系统搭建，而市面上带通滤光片的半高宽大都为10nm左右，难以满足量子通信的需求。随着人们对光子晶体研究的不断深入，利用光子晶体来实现光信号的带通滤波成为热门技术。光子晶体定义为两种以上具有不同介电常数(折射率) 的介质通过周期性排列形成的人工微结构材料，光信号传播过程中，由于布拉格散射(Braggscattering)，特定频率的光信号因相干相消导致无法通过光子晶体，在频谱上形成的带隙类似电子能带结构中的禁带，即“光子禁带”。光子晶体可以分为三大类：一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。其中，一维光子晶体具有结构简单、制作方便、禁带计算容易等特点，因此光子晶体滤波设计和应用更多采用一维结构。通过局部破坏光子晶体的周期性结构(即引入缺陷层) 组成超晶格时，光子会出现强烈的安德森局域(AndersonLocalization)效应，此时带隙中会出现频带极窄的缺陷模通带，进一步改变缺陷模光子晶体结构，优化光子晶体微腔的选频特性，可以实现半高宽低于0.1nm的超窄带通滤光，满足量子通信系统的需求。
基于缺陷模光子晶体结构的光学滤光片具有超窄带通滤光的特性，但由于缺陷模通带谱线在光子带隙中呈洛伦兹线形，导致光谱边缘不够陡峭，带外阻挡效果不理想。此外，基于缺陷模光子晶体的光学滤光片还有通带范围固定、通带内凹陷，中心波长可调范围小等问题，这在滤光片应用的工作环境中产生极大的局限性，通常需要配备额外的滤光片辅助进行操作，提高了实验成本。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种广谱可调超窄带通滤光系统。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种广谱可调超窄带通滤光系统，包括具有缺陷模的一维光子晶体、级联光子晶体结构和多通道滤光通路；所述具有缺陷模的一维光子晶体包括由高折射率介电材料和低折射率介电材料周期堆叠构成的布拉格反射结构、缺陷层和所述布拉格反射结构的镜像结构依次排列构成；多个所述具有缺陷模的一维光子晶体通过连接层连接在一起形成级联光子晶体结构；多个所述级联光子晶体结构分别分装在多通道滤光通路中。
进一步地，所述高折射率介电材料的厚度和低折射率介电材料的厚度均满足四分之一中心波长布拉格条件，所述缺陷层厚度满足二分之一中心波长条件。
进一步地，所述中心波长为所述具有缺陷模的一维光子晶体的光子带隙中频率极窄的缺陷态。
进一步地，所述多通道滤光通路为带有分布式通光孔的光学元件。
进一步地，所述多通道滤光通路通过抽拉或者旋转的方式进行超窄带通滤光片切换。
本发明中广谱可调超窄带通滤光的机理是：一维光子晶体是一种由高低折射率介电材料在空间上按周期性排列的结构，其显著特点是具有光子带隙，频率在带隙内的光波无法传播。通过引入缺陷层破坏光子晶体周期，形成具有缺陷模的一维光子晶体结构。在光子带隙中出现了与缺陷模频率对应的光子通带，通带两边光场强度按指数规律迅速衰减，形成了良好的选频特性。通过改变一维光子晶体中各材料层参数，可以对通带位置进一步调谐。优化级联光子晶体结构中接连层厚度和级联数量，进而改变光子带隙中通带的波形，由洛伦兹线形变为准矩形波形，增强带外阻挡，修复通带顶部平坦或准平坦，提升滤光特性，进而实现广谱可调超窄带通滤光特性。
入射光在光子晶体中的传输机理：根据薄膜光学理论，光(TE波)从第i层介质传到相邻的j层介质，电场和磁场的变化满足：
Figure BDA0003183032440000031
其中，mij就是TE模的光从i层介质传到j层介质的传输矩阵，mij为：
Figure BDA0003183032440000032
其中，θi为第i层介质中光的入射角，θj为第j层介质中光的出射角，ni和nj分别为i层和j层介质的折射率大小。当光以θj的角度通过厚度为dj的薄膜介质时，其传输矩阵为：
Figure BDA0003183032440000033
其中，kj为波矢，其相位变化为
Figure BDA0003183032440000034
光通过由N层介质组成的光子晶体，假设光子晶体外面都是空气，则整个系统满足特征方程：
M＝m01m1m12m2m23…m(N-1)(N)mNmN0
入射空间和出射空间的光波满足：
Figure BDA0003183032440000035
光从空气中入射到光子晶体时，反射系数为：
Figure BDA0003183032440000036
反射率R为：
R＝|r|2
透射率T为：
Figure BDA0003183032440000037
在本发明设计中一维光子晶体结构满足以下布拉格设计条件：
Figure BDA0003183032440000041
其中λ0为光子晶体带隙的中心波长，dH、dL分别代表高折射率介质层和低折射率介质层厚度，nH、nL分别为高折射率介质层和低折射率介质层的折射率值。本发明中缺陷层的厚度dD设计为半波长的光学厚度：
Figure BDA0003183032440000042
其中，nD为缺陷层折射率，缺陷层在光子带隙中引入频率极窄的缺陷态，即通带。改变光子晶体结构参数，形成不同中心波长的通带，实现广谱范围内的可调滤光。
本发明提出的基于级联光子晶体结构的超窄带通滤光片，结构简单，光子晶体薄膜材料选择丰富、涉及的薄膜材料的生长、刻蚀等工艺均是实验室较为成熟的技术，通过优化光子晶体结构参数实现广谱超窄带通滤光，满足了多种场景下的需求。与现有技术相比，本发明具有下列优点和效果：
(1)基于缺陷模光子晶体级联结构的超窄带通滤光系统，通过优化光子晶体微腔的选频特性，可以实现半高宽低于0.1nm的超窄带通滤光，与市面上现有的光学滤光片相比，本发明设计的滤光片具有更窄的带通，在量子通信、精密光学制造等领域具有更大的前景。
(2)优化超窄带通滤光片中光子晶体级联数量和连接层厚度，进而改变光子带隙中通带的波形，由洛伦兹线形变为准矩形波形，增强带外阻挡，修复通带顶部平坦或准平坦，具有更好的滤光特性。
(3)基于分布式多通道滤光通路的超窄带通滤光系统，通过抽拉或旋转等方式可以切换超窄带通滤光片，实现广谱超窄带通滤光。本发明解决了传统滤光片可调范围小的问题，也进一步降低了实验成本。
附图说明
图1是实施例1中广谱可调超窄带通滤光系统制备流程图；
图2是实施例2中单个具有缺陷模的一维光子晶体结构；
图3是实施例2中级联光子晶体滤光片结构；
图4是实施例2中不同级联个数的滤光片的输出波形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员理解本发明技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步清晰、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明技术方案申请的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
参照图1所示，作为基本实施例，本实施例提供了一种广谱可调超窄带通滤光系统，包括具有缺陷模的一维光子晶体106、级联光子晶体滤光片108和带有分布式通光孔的光学元件109。
具有缺陷模的一维光子晶体106由分布式布拉格反射镜103与其镜像结构 105经缺陷层104连接组成。其中，分布式布拉格反射镜103是光学系统中常用的分光滤波结构，通常包括两种折射率不同，光学厚度等于四份之一光波长的周期单元材料，其显著特点是具有光子带隙，频率在带隙中的光则无法透过。在本实施例中，分布式布拉格反射镜103是高折射率介电材料101与低折射率介电材料102交替堆叠的结构，周期数为N，介质层厚度(dH、dL)满足：
Figure BDA0003183032440000051
其中，λ0为光子晶体带隙的中心波长，nH、nL分别为高折射率介电材料101和低折射率介电材料102的折射率。高折射率介电材料101可以为二氧化钛、五氧化二钽、五氧化铌、铌酸锂、二氧化铪等光学薄膜中常用的材料，低折射率介电材料102可以为空气、氧化铝、二氧化硅等介质材料。在周期性光子晶体中引入缺陷层，光子带隙中会出现频率极窄的缺陷态，形成带通滤波，在本实施例中，缺陷层104厚度(dD)满足：
Figure BDA0003183032440000052
其中nD为缺陷层104的折射率，缺陷层104在波长为λ0处引入了缺陷模带通，实现了缺陷模一维光子晶体106的带通滤光。
级联光子晶体滤光片108是(C-1)个连接层107与C个上述缺陷模一维光子晶体106构成的级联结构。这种级联光子晶体进一步增强一维光子晶体缺陷腔模的共振传输，进而改变光子带隙中通带的波形，由洛伦兹线形变为准矩形波形，增强带外阻挡，修复通带顶部平坦或准平坦等。在本实施例中，连接层107的厚度dJ满足：dJ＝dL。通过改变具有缺陷模的一维光子晶体106中的介质层厚度(dH、 dL)、周期数N、级联个数C以及连接层107的厚度dJ，实现不同中心波长的带通滤光，提高级联光子晶体滤光片108的滤光特性。
带有分布式通光孔的光学元件109是由不同中心波长的上述级联光子晶体滤光片108分装而成，通过抽拉、旋转等方式进行超窄带通滤光片切换，实现广谱超窄带通滤光。在本实施例中所示的带有分布式通光孔的光学元件为抽拉式，在工作环境中，可以手动切换将符合实验要求的级联光子晶体滤光片108接入光路，进而实现广谱超窄带通滤光。
实施例2
在本实施例中，设计了基于缺陷模光子晶体级联结构的带通滤光片，中心波长设置为1064nm。参照图2所示为单个缺陷模光子晶体结构示意图，在本实施例中，高折射率介质层201、低折射率介质层202、缺陷层203以及连接层204 分别为铌酸锂(LiNbO3)、空气(Air)、铌酸锂和空气，高、低折射率介质层的周期数N取5，介质层厚度满足上述布拉格条件：
Figure BDA0003183032440000061
Figure BDA0003183032440000062
dJ＝dAir，其中λ0＝1064nm为本实施例中带通滤光片的中心波长。
本实施例中的缺陷模光子晶体制备流程如下：在铌酸锂背景材料表面的高折射率介质层201和缺陷层203处沉积掩膜，通过刻蚀得到低折射率介质层202 和连接层204。将单个缺陷模光子晶体经连接层204连接得到级联结构滤光片。在本实施例中，取级联的个数为C＝3，如图3所示。其中，(HL)ND(LH)N表示具有缺陷模的一维光子晶体结构，H、L、D表示高折射率材料层、低折射率材料层和缺陷层，(HL)N表示周期数为N的布拉格反射结构，(LH)N表示布拉格反射结构镜像结构。
参照图4为缺陷模光子晶体级联的数量为C＝3和C＝1(单个缺陷模光子晶体)时的滤波波形。当C＝1时，即单个缺陷模光子晶体组成的滤光片，其通带波形呈洛伦兹线形，光谱边缘相对平缓，表现出较差的带外阻挡；当C＝3时(3 个缺陷模光子晶体级联)，级联光子晶体滤光片的带通滤光输出波形为准矩形，具体呈现出两侧陡峭，通带顶部准平坦的特征，表现出更优异的滤光特性。
上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及其功能，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人员皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，在所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种广谱可调超窄带通滤光系统，其特征在于，包括具有缺陷模的一维光子晶体、级联光子晶体结构和多通道滤光通路；所述具有缺陷模的一维光子晶体包括由高折射率介电材料和低折射率介电材料周期堆叠构成的布拉格反射结构、缺陷层和所述布拉格反射结构的镜像结构依次排列构成，其中，高折射率介电材料和低折射率介电材料的周期数为5个；3个所述具有缺陷模的一维光子晶体通过2个连接层连接在一起形成级联光子晶体结构；多个所述级联光子晶体结构分别分装在多通道滤光通路中；所述高折射率介电材料的厚度和低折射率介电材料的厚度均满足四分之一中心波长布拉格条件，所述缺陷层厚度满足二分之一中心波长条件；所述连接层为空气，其光学厚度等于所述低折射率介电材料的光学厚度。
2.根据权利要求1所述的一种广谱可调超窄带通滤光系统，其特征在于，所述中心波长为所述具有缺陷模的一维光子晶体的光子带隙中频率极窄的缺陷态。
3.根据权利要求1所述的一种广谱可调超窄带通滤光系统，其特征在于，所述多通道滤光通路为带有分布式通光孔的光学元件。
4.根据权利要求3所述的一种广谱可调超窄带通滤光系统，其特征在于，所述多通道滤光通路通过抽拉或者旋转的方式进行超窄带通滤光片切换。
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Designing a tunable filter on the one-dimensional ternary photonic crystal;Yu Hai Xia等;《Advanced Materials Research》;20131231;第760-762卷;第273-6页 *
Theoretical study of the tunable optical filter properties based on photonic crystals;Mao, HB等;《ACTA PHYSICA SINICA》;20040731;第53卷(第7期);第2201-2205页 *
一维光子晶体窄带滤波器的设计;张逸楠;《《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》》;20190331;第I135-99页 *
缺陷态复周期光子晶体的特性研究;崔应留等;《光子学报》;20040625(第6期);第704-707页 *

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