CN114740640A - 一种基于相变材料的多通道中红外光学滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，包括光子晶体层和光栅层，在基底上至少设有2层所述光子晶体层，相邻所述光子晶体层之间设有光栅层；所述光子晶体层沿光路方向由交替分布的Ge层和ZnS层构成；所述光栅层沿垂直于光路方向由若干相变材料层间隔周期分布，相邻所述相变材料层之间设有空隙；通过使相变材料层从无定型态转变为晶态，用于调控光谱透射特性。本发明能够在中红外波段范围内产生多通道的超窄谱带完美透射峰，形成多通道中红外光学滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及中红外光学滤波器领域，具体涉及一种基于相变材料的多通道中红外光学滤波器。
背景技术
实现高效且超窄谱带的光学滤波器在基础研究和光学器件应用中是必不可少的，光学滤波器在NDIR气体传感器、光谱仪、数码相机、可视电话等领域有着广泛应用，研究人员在利用法布里-珀罗共振、电偶极子共振或磁偶极子共振、连续与束缚态等模式实现中红外光学滤波器领域做了大量的工作。以往的光学滤波微纳结构大多需要复杂的亚波长尺度结构设计或引入二维材料，这将不可避免地带来加工难度，大大增加制造成本。此外，与单通道光学滤波器相比，多通道光学滤波器因可实现多波段窄带透射而得到广泛关注，且多通道光学滤波器在光谱选择性传感器和光学检测等设备中具有巨大的应用前景，因此实现多通道光学滤波器极有必要。
此外，为了实现光学滤波器的主动可调谐性，改变滤波微纳结构的结构参数和改变电磁波的入射角度是以往最常用的方法。但是在实际应用中重新制造新结构具有成本高、耗时长的缺陷。因此，需要解决结构设计极限所带来的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，利用相变材料Ge2Sb2Te5经过热、电、激光等外界刺激发生从无定型态向晶态相变而导致其光学特性变化的特点，通过对滤波微纳结构优化设计，能够在中红外(2-5μm)波段范围内产生多通道的超窄谱带完美透射峰，形成多通道中红外光学滤波器，因而尤其适用于电磁波应用场合。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，包括光子晶体层和光栅层，在基底上至少设有2层所述光子晶体层，相邻所述光子晶体层之间设有光栅层；所述光子晶体层沿光路方向由交替分布的Ge层和ZnS层构成；所述光栅层沿垂直于光路方向由若干相变材料层间隔周期分布，相邻所述相变材料层之间设有空隙；通过使相变材料层从无定型态转变为晶态，用于调控光谱透射特性。
进一步，位于光栅层一侧的是光子晶体层中的Ge层或ZnS层。
进一步，所述光子晶体层中Ge层的厚度为140nm～260nm，ZnS层的厚度为260nm～460nm。
进一步，当所述光子晶体层大于等于3层时，两层所述光栅层之间的光子晶体层中包含的Ge层和ZnS层的总层数小于等于其他光子晶体层中包含的Ge层和ZnS层的总层数。
进一步，所述相变材料层的材料为Ge2Sb2Te5。
进一步，相邻所述相变材料层之间的间隔周期为400nm～800nm。
进一步，所述相变材料层的脊背宽度与间隔周期比值为0.25～0.5。
进一步，所述相变材料层的脊背高度为300nm～600nm。
进一步，所述基底材料为SiO2。
进一步，电磁波垂直与光子晶体层入射，电磁波在光子晶体层和光栅层中形成多次反射和透射，用于在中红外波段范围内产生多通道的超窄谱带透射峰；通过相变材料层从无定型态转变为晶态，使多通道内的光谱透射率改变，用于实现光谱透射率的主动调谐。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，相邻所述光子晶体层之间设有光栅层，所述光栅层沿垂直于光路方向由若干相变材料层间隔分布，相邻所述相变材料层之间设有空隙，由于空隙的存在会激发导模共振模式，同时光栅层会激发缺陷模式，电磁波在滤波器中会发生多次反射和透射，有效提高滤波器在中红外波段的光谱选择性，实现了多通道超窄谱带完美透射，具有制造成本低、效率高的优势。
2.本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，为保证基于相变材料的多通道光学滤波器在中红外波段具有优异的光谱透射性能，对光学滤波器中各参数的影响进行研究，相应优化了一维光子晶体中高折射率材料和低折射率材料的厚度，一维光栅的周期、脊背宽度和高度，通过上述参数的相互作用，能够在中红外波段实现多通道的超窄谱带完美透射。
3.本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，通过添加相变材料Ge2Sb2Te5，并改变相变材料Ge2Sb2Te5的相态可实现主动的中红外光学滤波调谐。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器结构示意图。
图2为本发明实施例1的相变材料层Ge2Sb2Te5处于无定型态的多通道中红外光学滤波器在法向入射时的光谱透射率。
图3为本发明实施例1相变材料层Ge2Sb2Te5处于晶态的多通道中红外光学滤波器在法向入射时的光谱透射率。
图4为本发明实施例2的相变材料层Ge2Sb2Te5处于无定型态的多通道中红外光学滤波器在法向入射时的光谱透射率。
图5为本发明实施例2相变材料层Ge2Sb2Te5处于晶态的多通道中红外光学滤波器在法向入射时的光谱透射率。
图中：
1-上层一维光子晶体；2-上层一维光栅；3-中层一维光子晶体；4-下层一维光栅；5-下层一维光子晶体；6-基底；7-Ge层；8-ZnS层；9-相变材料层。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，包括光子晶体层和光栅层，在基底6上至少设有2层所述光子晶体层，所述基底6材料为SiO2，相邻所述光子晶体层之间设有光栅层，由于光栅层会激发缺陷模式；所述光子晶体层沿光路方向由交替分布的Ge层7和ZnS层8构成；所述光栅层沿垂直于光路方向由若干相变材料层9间隔分布，相邻所述相变材料层9之间设有空隙，由于空隙的存在会激发导模共振模式；通过外部施加电或热或激光等外界刺激使相变材料层9从无定型态转变为晶态，用于调控光谱透射特性。当电磁波垂直与光子晶体层入射，从基底6底部射出，电磁波在光学滤波器中会发生多次反射和透射，从而在中红外波段范围内产生多通道的超窄谱带透射峰；通过相变材料层9从无定型态转变为晶态，使多通道内的光谱透射率改变，用于实现光谱透射率的主动调谐。
位于光栅层任意一侧的是光子晶体层中的Ge层7或ZnS层8，但是靠近光栅层两侧的均为ZnS层8时，调节效果最好。所述光子晶体层中Ge层7的厚度为140nm～260nm，ZnS层8的厚度为260nm～460nm。采用Ge层7和ZnS层8作为光子晶体层中交替组合材料的主要原因是其在相变材料层9发生相变时可保持其固有光学特性；
当所述光子晶体层大于等于3层时，两层所述光栅层之间的光子晶体层中包含的Ge层7和ZnS层8的总层数小于等于其他光子晶体层中包含的Ge层7和ZnS层8的总层数。
所述相变材料层9的材料为Ge2Sb2Te5。相比于其他的电介质材料或者金属材料，相变材料Ge2Sb2Te5经过热、电、激光等外界刺激发生从无定型态向晶态相变，借助Ge2Sb2Te5相变前后光学参数不同的特点，通过使用相变材料Ge2Sb2Te5制成光栅层时，可以实现主动的光谱透射特性调控，进而实现主动可调谐的多通道中红外光学滤波器。相邻所述相变材料层9之间的间隔周期为400nm～800nm。所述相变材料层9的脊背宽度与间隔周期比值为0.25～0.5。所述相变材料层9的脊背高度为300nm～600nm。
本发明实施例1，本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，包括光子晶体层和光栅层，所述光子晶体层包括上层一维光子晶体1、中层一维光子晶体3和下层一维光子晶体5，所述光栅层包括上层一维光栅2和下层一维光栅4；所述中红外光学滤波器沿光路方向从上至下依次设置上层一维光子晶体1、上层一维光栅2、中层一维光子晶体3、下层一维光栅4、下层一维光子晶体5和基底6，所述上层一维光子晶体1、中层一维光子晶体3和下层一维光子晶体5均由交替分布的Ge层7和ZnS层8构成。实施例1中，上层一维光子晶体1共8层，沿光路方向从上至下依次为Ge层7、ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7和ZnS层8；中层一维光子晶体3共5层，沿光路方向从上至下依次为ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7和ZnS层8；下层一维光子晶体5共8层，沿光路方向从上至下依次为ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7、ZnS层8和Ge层7。所述Ge层7的厚度dH为＝250nm，所述ZnS层8的厚度dL为440nm。
上层一维光栅2和下层一维光栅4结构相同，上层一维光栅2的脊背高度dg1和下层一维光栅4的脊背高度均为600nm。所述上层一维光栅2沿垂直于光路方向由若干相变材料层9间隔分布，相邻所述相变材料层9之间设有空隙，相邻所述相变材料层9之间的间隔周期Λ1为600nm。所述相变材料层9的脊背宽度b1为200nm，所述相变材料层9的脊背宽度与间隔周期比值b1/Λ1为1/3。
工作原理：
在本发明所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器中，当上层一维光栅2和下层一维光栅4中相变材料Ge2Sb2Te5处于无定型态时，所述滤波器结构可以表述为(Ge/ZnS2)4/Ge2Sb2Te5/ZnS2(Ge/ZnS2)2/Ge2Sb2Te5/(ZnS2/Ge)4，表达式中的指数表示为重复的次数或交替的周期；如图2所示，此时在3-5μm的波长范围内形成四通道的透射峰，其对应的四个透射峰的位置为3.325μm、3.557μm、4.272μm和4.689μm，其峰值透射率为0.90、0.97、0.92和0.99，相应峰值波长处的半波全宽分别为18nm、7nm、9nm和11nm。
当上层一维光栅2和下层一维光栅4中相变材料Ge2Sb2Te5发生相变，从无定型态Ge2Sb2Te5转变为晶态Ge2Sb2Te5时，如图3所示，所述滤波器结构会产生对应的四个透射峰，其峰值波长位置为3.370μm、3.598μm、4.297μm和4.717μm，对应的峰值透射率为0.31、0.16、0.46和0.54，相应峰值波长处的半波全宽分别为25nm、18nm、15nm和17nm。以上数据表明，在不改变滤波器结构参数的基础上，通过使Ge2Sb2Te5发生相变便可以实现滤波器光谱透射率的主动调谐。
实施例2，在实施例1的基础上改变上层一维光子晶体1、中层一维光子晶体3和下层一维光子晶体5中Ge层7和ZnS层8交替分布的层数，如图1所示，具体为上层一维光子晶体1共6层，沿光路方向从上至下依次为Ge层7、ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7和ZnS层8；中层一维光子晶体3共5层，沿光路方向从上至下依次为ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7和ZnS层8；下层一维光子晶体5共6层，沿光路方向从上至下依次为ZnS层8、Ge层7、ZnS层8、Ge层7、ZnS层8和Ge层7。当上层一维光栅2和下层一维光栅4中相变材料Ge2Sb2Te5处于无定型态时，所述滤波器结构可以表述为(Ge/ZnS2)3/Ge2Sb2Te5/ZnS2(Ge/ZnS2)2/Ge2Sb2Te5/(ZnS2/Ge)3，如图4所示，此时在3-5μm的波长范围内形成四通道的透射峰，其对应的四个透射峰的位置为3.310μm、3.550μm、4.283μm和4.705μm，其峰值透射率为0.89、0.99、0.93和0.99，相应峰值波长处的半波全宽分别为32nm、18nm、30nm和29nm。
当上层一维光栅2和下层一维光栅4中相变材料Ge2Sb2Te5发生相变，从无定型态Ge2Sb2Te5转变为晶态Ge2Sb2Te5时，如图5所示，所述滤波器结构会产生对应的四个透射峰，其峰值波长位置为3.360μm、3.592μm、4.302μm和4.735μm，对应的峰值透射率为0.45、0.40、0.72和0.73，相应峰值波长处的半波全宽分别为35nm、25nm、32nm和36nm。以上数据表明，在不改变滤波器结构参数的基础上，通过使Ge2Sb2Te5发生相变便可以实现滤波器光谱透射率的主动调谐。
除此之外，在实施例1或2的基础上继续以相同的思路增加或减少光子晶体层和光栅层的组合，可以继续增加或减少滤波器的通道数，设计适合特殊用途的光学滤波器。实施例3，在实施例1的基础上，在基底6上设有2层所述光子晶体层，相邻所述光子晶体层之间设有1个光栅层。2层所述光子晶体层中由交替分布的Ge层7和ZnS层8构成，且2层所述光子晶体层的总层数可以相同或不相同，实施例2滤波器的通道数为2个。
实施例4，在实施例1的基础上，在基座6上设有4层所述光子晶体层，相邻所述光子晶体层之间设有光栅层，所述光栅层共有3层。实施例3滤波器的通道数为6个。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，包括光子晶体层和光栅层，在基底(6)上至少设有2层所述光子晶体层，相邻所述光子晶体层之间设有光栅层；所述光子晶体层沿光路方向由交替分布的Ge层(7)和ZnS层(8)构成；所述光栅层沿垂直于光路方向由若干相变材料层(9)间隔周期分布，相邻所述相变材料层(9)之间设有空隙；通过使相变材料层(9)从无定型态转变为晶态，用于调控光谱透射特性。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，位于光栅层一侧的是光子晶体层中的Ge层(7)或ZnS层(8)。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，所述光子晶体层中Ge层(7)的厚度为140nm～260nm，ZnS层(8)的厚度为260nm～460nm。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，当所述光子晶体层大于等于3层时，两层所述光栅层之间的光子晶体层中包含的Ge层(7)和ZnS层(8)的总层数小于等于其他光子晶体层中包含的Ge层(7)和ZnS层(8)的总层数。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，所述相变材料层(9)的材料为Ge2Sb2Te5。
6.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，相邻所述相变材料层(9)之间的间隔周期为400nm～800nm。
7.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，所述相变材料层(9)的脊背宽度与间隔周期比值为0.25～0.5。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，所述相变材料层(9)的脊背高度为300nm～600nm。
9.根据权利要求1所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，所述基底(6)材料为SiO2。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于相变材料的多通道中红外光学滤波器，其特征在于，电磁波垂直与光子晶体层入射，电磁波在光子晶体层和光栅层中形成多次反射和透射，用于在中红外波段范围内产生多通道的超窄谱带透射峰；通过相变材料层(9)从无定型态转变为晶态，使多通道内的光谱透射率改变，用于实现光谱透射率的主动调谐。
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