[發明專利]一維光子晶體全可見光波段單通道超窄帶濾波器

有效

• 申請號: 201210186163.4
• 申請日: 2012-06-07
• 公開（公告）號: CN102681069A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 楊毅彪;張琳;韓昌盛;魏循;李祥霞;田東康
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所 14108
• 代理人: 李毅

技術領域

本發明涉及一種光子晶體濾波器，特別是涉及一種一維光子晶體單通道超窄帶濾波器。

背景技術

光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質結構，因其具備理想的光電功能和廣闊的應用前景，目前已成為學術界的研究熱點之一。光子禁帶是光子晶體的主要特性之一，對于具有完全光子禁帶的光子晶體而言，處于完全禁帶頻率范圍內的光波都不能在光子晶體中進行傳播；光子晶體的另一特性是具有光子局域，光子局域是指在光子晶體中引入一定程度的缺陷或雜質，那么與缺陷態頻率相吻合的光子就會被局域在缺陷位置，一旦離開這個缺陷位置以后光的強度就會迅速衰減。光子晶體濾波器正是采用了光子晶體的以上特性。高精度、大容量光通信技術的持續發展，以及光學精密測量要求的不斷提高，對超窄帶濾波器的研究與設計提出更高要求。光子晶體超窄帶濾波器的設計是在光子晶體中引入各種類型的缺陷，使得在一個較寬的完全光子禁帶區內出現一個或幾個非常窄的導帶。由于光子晶體濾波器的阻帶區對透過光的抑制很強，且光子晶體濾波器的帶阻邊沿極易做到很陡峭，因此光子晶體濾波器的濾波性能要遠比普通濾波器優越。可見，利用光子晶體制備高性能的超窄帶濾波器具有十分重要的意義。?

鄭慧茹等（超窄帶和梳狀多通道光子晶體濾波器設計，強激光與粒子束，2006年第18卷第11期）提出了采用ZnS/MgF₂周期排列并引入GaAs作為缺陷設計的超窄帶濾波器，該濾波器可在紅外一定波長范圍實現超窄帶濾波。但即便改變晶格常數，也只能使該種結構實現一定可見光范圍內的濾波，仍無法覆蓋全可見光范圍。

周梅等（THz波段的F-P光子晶體濾波器，物理學報，2006年第55卷第7期）介紹了采用硅和空氣組成的非周期結構實現超窄帶濾波。但該結構主要用于微米波段超窄帶濾波，并且該結構設計復雜，對制備過程要求嚴格。

韓培德等（可見光波段SiO₂/CdSe一維光子晶體及缺陷模的研究，光子學報，2010年第39卷第1期）報道了采用SiO₂/CdSe周期排列并引入LiTaO₃作為缺陷設計的可見光范圍內的濾波器。但其存在濾波精度低以及不能覆蓋全可見光范圍的局限。

一種一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器（CN?101431109A）提出對傳統一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器進行改進，以消除原有一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器在1.5μm附近的高反射波峰。但其主要用途為提高銻化鎵電池特征波長附近的透射率，并沒有覆蓋全可見光范圍，且由于該光子晶體沒有引入缺陷，所以無法實現大禁帶內的超窄帶濾波。

一種高分辨率的光子晶體濾波器（CN?101162282A）提出通過在二維光子晶體上引入特定輸入波導、輸出波導以及點缺陷的方法，實現高濾波效率的雙波長精細濾波。但該設計禁帶稍窄，依舊無法覆蓋全可見光范圍，并且結構相對復雜。

發明內容

本發明的目的是提供一種簡單可行的一維光子晶體全可見光波段單通道超窄帶濾波器，該濾波器為帶有缺陷層的一維光子晶體濾波器，能夠實現覆蓋全可見光范圍的單通道超窄帶濾波。

本發明的原理在于：在光子晶體中，如果對其結構參數進行優化，可以發現在某些頻率范圍出現較大的完全光子禁帶；當在光子晶體中引入特定的缺陷層，完全光子禁帶中就會出現較高品質因子的缺陷態，從而形成缺陷模，光子晶體中的完全光子禁帶和完全禁帶中的缺陷模可以禁止或允許一定頻率的光子通過，如果缺陷模的頻率范圍很小，則允許通過的光波頻率很窄，利用這一特性可以制備高分辨率的超窄帶光子晶體濾波器。

本發明的一維光子晶體全可見光波段單通道超窄帶濾波器是在由兩種不同的介電材料按照相同的周期交替排列而成的有限周期的一維光子晶體[A/B]中加入缺陷層C組成的，其結構組成為[A/B]_m[C][A/B]_n，其中m和n代表缺陷層C兩側一維光子晶體的周期數，周期數m和n分別為3或4；組成一維光子晶體[A/B]的介電材料A、B的介電常數分別為1.96和16.00，一維光子晶體[A/B]的晶格常數a=d₁+d₂=126nm，其中A的厚度d₁=93nm，B的厚度d₂=33nm，缺陷層材料C的介電常數為5.76，缺陷層厚度d₃=159nm。