[發明專利]一種采用單一漸變材料光柵實現導模共振濾波的方法

有效

• 申請號: 201611101092.8
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106772741B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 桑田;李俊浪;王睿;周健宇;王躍科;王繼成;王本新
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種采用單一漸變材料光柵結構實現導模共振濾波的方法，屬于光通信與微光機電系統領域。本發明提出在基底上鍍制一層折射率隨厚度遞增的光學薄膜，通過刻蝕該漸變折射率薄膜得到導模共振光柵結構，進而實現導模共振濾波。在此基礎上，通過選擇不同的刻蝕深度，可以調整濾波器的通道位置；維持刻蝕深度不變，降低漸變系數可以實現多通道濾波。本發明提供的導模共振光柵結構的濾波性能對基底折射率大小變化高度不敏感，即便基底折射率高于漸變薄膜折射率的最大值，導模共振濾波性能保持優良，這擺脫了傳統導模共振濾波器中波導層折射率需高于基底折射率的限制，在實際應用中將更有優勢。

技術領域

本發明涉及一種采用單一漸變材料光柵實現導模共振濾波的方法，尤其是一種消除傳統導模共振濾波受制于基底折射率大小的方法，屬于光通信和微光機電領域。

背景技術

導模共振濾波器是一種利用導模共振效應實現共振濾波的光學元件，這類濾波器所需的膜層數少，濾波性能優越，在激光高反系統、偏振系統、光調制器以及生物傳感等方面有著重要的應用價值。傳統的導模共振光柵由多個離散膜層組成的，每個膜層之間的折射率是突變的，這給濾波器性能帶來了很多負面影響：(1)由于高低折射率材料的機械性質不一樣，例如熱膨脹系數、楊氏彈性模量、泊松比的差異，在鍍膜過程中，高低折射率膜層間會產生較大的應力，膜層之間的黏附性也不是很好，這弱化了整個膜系的機械和力學性能，使薄膜的抗劃傷能力和抗磨性能變差。(2)由于高低折射率膜材料在微觀結構上不匹配，膜層之間界面處的粗糙度會被復制放大，增加了散射損失。(3)膜層之間的突變界面處通常會產生很大的電場，減小了光學薄膜的抗激光損傷閾值。(4)傳統多層膜結構導模共振濾波器要求結構中存在波導層，也就是結構中至少有一種膜層的折射率高于基底折射率，若基底折射率高于波導層折射率時，結構的導模共振濾效應將消失，這限制了導模共振濾波器對基底材料的選擇。上述負面影響常常成為限制多層膜導模共振濾波器應用的主要因素。

發明內容

為了彌補傳統多層膜結構膜導模共振濾波器存在的缺陷，本發明提供了一種采用單一漸變材料實現導模共振濾波的方法。

所述方法是在基底上鍍制一層漸變折射率薄膜，通過刻蝕該漸變折射率薄膜得到導模共振光柵結構，進而得到采用單一漸變折射率薄膜的導模共振濾波器。所述方法通過選擇不同的刻蝕深度和漸變系數，調整濾波器通道位置和通道數目，實現單通道和多通道反射濾波功能。

所述漸變折射率薄膜的漸變層沿厚度方向的折射率由式(1)表示，其中n₀為常數，α為漸變系數，d_gra為漸變層的厚度，n_gra為漸變層折射率，y為坐標軸，指向為漸變層厚度增大方向。對于給定的漸變層厚度d_gra，通過調節α可以調節漸變層的折射率取值范圍；反之，對于給定的漸變系數α，通過調節d_gra可以調節漸變層的折射率取值范圍。

n_gra(y)＝n₀+αy(0≤y≤d_gra) 式(1)

在本發明中，對于所述的采用單一漸變折射率薄膜的導模共振濾波器，通過調節濾波器結構參數，比如調節光柵周期、漸變層厚度、刻蝕深度、光柵占空比、漸變系數等可以在任意波段實現TE和TM偏振的導模共振濾波。

在本發明的一種實施方式中，針對可見光波段，選取基底折射率n_s＝2.1，漸變層折射率n_gra∈(1.5,2.1)，n₀＝1.5，漸變層厚度d_gra＝1μm，光柵占空比f＝0.5，刻蝕深度d_g＝0.1μm，光柵周期Λ＝0.32μm，濾波器在通道位置590.4nm處得到一個反射率為100％的共振峰，反射光譜帶寬為2.4nm，旁帶反射率均低于3％，抗反射濾波性能優良。