CN1308244A - 一维光子晶体多频道滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种一维光子晶体多频道滤波器。目前尚无利用光子晶体特性制作的多频道滤波器。本发明用两种不同的一维光子晶体构成光子晶体量子阱结构。选择适当的结构参数和介电常数配比,使量子阱即中间光子晶体的光子能带正好落在势垒区即两端光子晶体的光子能隙中。由于量子限制效应,光波能级会发生量子化,通过改变量子阱区光子晶体的周期数目得到多频道滤波器。
Description
本发明是一种利用光子晶体特性制作的多频道滤波器。
本发明内容基于光子晶体理论。光子晶体是八十年代末提出来的新概念和新材料(Phys.Rev.Lett.58,p.2059,1987)，其基本思想是：同半导体中的电子一样，光波或电磁波在周期性的介电结构中传播时，由于周期结构带来的影响，也会形成能带结构，即光子能带；带与带之间可能存在带隙。如果光波的频率正好处在带隙中，具有这种频率的光是无法在该种结构中传播。光子晶体最大的特点是能够控制光波或电磁波的流动，由此可以带来许许多多新的应用。由于其具有的特殊性能，科学家近年来一直在研究其新结构和特性。如何利用光子晶体的特殊性能来制作高性能和新型光子器件、光通讯器件是世界学术界和产业界的热点之一。
本发明的目的是寻求一种透光率高、工作频率范围广的多频道滤波器。
本发明基于一维光子晶体量子阱结构，由两种不同的一维光子晶体嵌段排列而成，如按A/B/A排列，则是单量子阱结构，如图1所示；如按A/B/A/B/A排列，则是双量子阱结构；或在光子晶体A中嵌段排列多个光子晶体B，则得到多量子阱结构。如果适当选择光子晶体的结构和介电常数配比，使光子能带结构成如图2所示，即光子晶体B的一个或多个光子能带正好落在光子晶体A的光子带隙中。具体的光子能带结构与维度、结构、介电常数比值和占空比有关。要知道某种光子晶体的光子能带结构，没有一个简单的公式，必须通过理论计算解麦克斯韦尔方程而得(Photoniccrystals,Princeton University Press,Princeton,1995)。
一维光子晶体由两种不同的介电材料按照一维周期排列而成，如图3所示。组成一维光子晶体两种材料的介电常数之比是1.2～20，占空比是0.05～0.95。
势垒区即光子晶体A的周期数目来一般要多于2个，可以在2～50之间变化。而量子阱区即光子晶体B的周期数目根据所需的滤波频道数目选取，可以在1～50之间变化。
光子晶体B的能带正好落在光子晶体A的光子带隙内，由量子限制效应可知，量子阱区即光子晶体B的光子能级不再是连续的，在光子晶体A的光子能隙范围，光子能级量子化成为分离的能级。每个能级即对应为一个滤波频道。因此，改变量子阱区即光子晶体B的周期数目，可以相应改变光子能级量子化的数目。例如，量子阱区光子晶体B有一条光子能带正好在光子晶体A的光子带隙内，若光子晶体B长度为一个周期为，则量子化的光子能级数目为1；若周期为2，则量子化的光子能级数目为2；如果量子阱区的周期为N，则量子化的光子能级数目为N，即滤波频道数目为N个。量子阱区周期为1的单频道滤波的透射谱如图4所示。量子阱区周期为6的6频道滤波的透射谱如图5所示。如果光子晶体B有两条光子能带正好在光子晶体A的光子带隙内，光子晶体B的周期为N，则量子化的光子能级数目为2N，即滤波频道数目为2N个。因此，可以通过改变量子阱区的周期数目来实现所需的多频道滤波器。具有量子化的光子能级的光波通过光子晶体量子阱结构靠的是隧穿，因此穿透率很高。这样的光子晶体多频道滤波器具有高透射率的优良特性。另外，这些量子化的光子能级宽度非常窄，频率选择性非常好。还可以调节构成光子晶体B的两种介电材料的介电常数比、占空比使这些频道之间的间距相同。
这种光子晶体量子阱结构还有一个特点：可以调节光子晶体的周期结构长度即晶格常数，使光子晶体量子阱的工作范围覆盖紫外、可见光、红外、中红外、远红外、微波等波段。如周期长度可以从0.1微米到米之间变化。当周期长度在0.1微米到3微米之间变化时，光子晶体量子阱的能隙约在紫外和可见光；当周期长度在3微米到300微米之间变化时，光子晶体量子阱的能隙约在红外波段；当周期长度在300微米到3米之间变化时，光子晶体量子阱的能隙约在微波或微波以上波段。
组成光子晶体量子阱结构的光子晶体可以由介电材料、半导体材料、金属材料、磁性材料、无机材料和有机材料。
本发明滤波器制备时是将两种不同介电常数的材料用镀膜或蒸度方法周期生长得到光子晶体A，然后再用不同介电常数比和占空比的上述材料周期镀膜或蒸度得到光子晶体B，最后生长光子晶体A，得到单量子阱结构；或继续交替生长光子晶体A和B，得到多量子阱结构。两种介电常数材料的重复周期可根据实际需要而定，制成产品时再作适当的成型装配，即成为一维光子晶体多频道滤波器。
图1是光子晶体单量子阱结构示意图，由两种不同的光子晶体构成。图2是组成光子晶体量子阱的两种光子晶体的光子能带结构示意图。图3是一维光子晶体示意图(侧面)，由不同介电常数材料按一维周期排列而成。图4是量子阱区即光子晶体B的周期为1的单频道滤波器的透射谱。用两种材料聚苯乙烯和碲来构成光子晶体A、B；在光子晶体A中，聚苯乙烯和碲的厚度分别为0.667a和0.333a；在光子晶体B中，聚苯乙烯和碲的厚度分别为0.333a和0.667a。光子晶体A的周期为5，B为1个周期。频率为约化单位，其中a为周期长度，c为光速。图5是量子阱区即光子晶体B的周期为6的6频道滤波器的透射谱。用两种材料聚苯乙烯和碲来构成光子晶体A、B；在光子晶体A中，聚苯乙烯和碲的厚度分别为0.667a和0.333a；在光子晶体B中，聚苯乙烯 和碲的厚度分别为0.333a和0.667a。光子晶体A的周期为5，B为6个周期。频率为约化单位，其中a为周期长度，c为光速。图6是三频道滤波器的透射谱，频率为约化单位，其中a为周期长度，c为光速。
实施例：三频道滤波器
选用两种介电材料：聚苯乙烯(介电常数为2.56)和碲(介电常数为21.16)。用度膜方法交替生长聚苯乙烯和碲，生长10个周期。聚苯乙烯和碲的厚度分别为0.667a和0.333a，得到光子晶体A。然后在此基础上，同样用度膜方法交替生长聚苯乙烯和碲，生长3个周期。聚苯乙烯和碲的厚度分别为0.333a和0.667a，得到光子晶体B。最后生长10个周期的光子晶体A。这样就制作出一维光子晶体单量子阱三频道滤波器，其透射谱由图6给出。
Claims (6)
1．一种一维光子晶体多频道滤波器，由两种不同的一维光子晶体组成，其特征是用两种一维光子晶体A、B组成一维光子晶体量子阱结构；若按照A/B/A排列，是单量子阱结构；若按A/B/A/B/A排列，则是双量子阱结构；或在光子晶体A中嵌入多个B，则形成多量子阱结构，其量子阱即中间光子晶体B的一个或多个光子能带正好落在势垒区即两端光子晶体A的光子带隙内。
2．根据权利要求1所述的一维光子晶体多频道滤波器，其特征是光子晶体是两种介电材料按一维周期排列的；组成一维光子晶体两种材料的介电常数之比是1.2～20，占空比是0.05～0.95。
3．根据权利要求1所述的一维光子晶体多频道滤波器，其特征是势垒区光子晶体A的周期数是2～50之间，量子阱即中间光子晶体B的数目是1～50之间。
4．根据权利要求1所述的一维光子晶体多频道滤波器，其特征是改变光子晶体B的周期数目来实现单频道至多频道的滤波器。
5．根据权利要求1所述的一维光子晶体多频道滤波器，其特征是该滤波器的工作范围可以从紫外到微波。
6．根据权利要求1所述的一维光子晶体多频道滤波器的制备方法，其特征是用镀膜或蒸度的方法用两种不同介电常数的材料根据不同的介电常数比和占空比得到两种光子晶体A、B，两种光子晶体按嵌段排列制成单或多量子阱结构，从而得到多频道滤波器。
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