專利名稱：一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光子晶體濾波器，特別是涉及一種帶缺陷的一維光子晶體濾波器。
背景技術：
光子晶體作為具備廣闊應用前景的新型光電功能材料，受到越來越廣泛的關注。 相對于二維和三維光子晶體而言，一維光子晶體結構簡單，工藝制備上更容易實現。完全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的光波都不能在光子晶體中進行傳播，即處于光子晶體禁帶范圍的光子頻率以內都無法在光子晶體中存在。許多新型光學器件采用了光子晶體的這一特性，光子晶體濾波器就是其中的研究熱點之一。同時，隨著高精度、大容量光通信技術的持續發展，以及光學精密測量的較高要求，都希望在通帶非常窄的窄帶光濾波器取得突破。這些技術的應用一般是在光子晶體引入各種類型的缺陷，使得一個較寬的完全光子禁帶區內出現一個或幾個非常窄的通帶。由于光子晶體濾波器的濾波效能要遠比普通濾波器優越，因此，利用光子晶體制備極窄帶高品質的高性能濾波器具有十分重要的意義。多腔級聯光子晶體多通道濾波器(CN 101246237 B)報道了在一維光子晶體中有規律地加入多個點缺陷層，形成一維光子晶體的缺陷腔的級聯，其每一缺陷層兩側的一維光子晶體相對于缺陷層都是對稱周期排列。這種濾波器所需缺陷層數較多，制備相對復雜， 其濾波范圍在微米波段且三個濾波通道間隔較小，分離度較低。韓培德等(可見光波段SiA/Cdk —維光子晶體及缺陷模的研究，光子學報，2010， 第39卷第1期)報道了采用SiA/Cdk作為一維光子晶體的介電材料，其缺陷層LiTaO3兩側的一維光子晶體也是呈對稱的周期排列，在其中加入缺陷層LiTaO3后，能達到一定的濾波目的。但在整個可見光波段其濾波范圍較窄，具有一定的局限性。

發明內容
本發明的目的是提供一種一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器，該濾波器為帶有缺陷層的一維光子晶體濾波器，能夠實現可見光范圍內的雙通道濾波，且濾波器的制備簡單，分辨率較高。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而形成缺陷模，光子晶體的完全光子禁帶和完全禁帶中的缺陷模就能實現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光子晶體濾波器。本發明的一維光子晶體雙通道可見光波段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數的一維光子晶體中加入缺陷層組成的。具體的，本發明的濾波器是由A、B、C三種不同的介電材料組成的，其結構組成為[A/B]n[C] [A/B]m，其中，η和m代表一維光子晶體的周期數，周期數η和m在3 40之間變化，且滿足| n-m I ^ 3，此時，整個濾波器結構的總層數為2n + an + 1。本發明的濾波器中，組成一維光子晶體的兩種介電材料A、B的介電常數分別為2. 37和16. 00，且一維光子晶體的晶格常數a保持恒定；缺陷層材料C的介電常數為6. 25，C的厚度式小于晶格常數a，且厚度變化范圍滿足0. 4a ^ i/3 ^ 0. 7&。本發明中由介電材料Α/Β構成的一維光子晶體的晶格常數a保持不變，僅通過調整缺陷層C的厚度即可實現同時產生工作頻率范圍在波長413nm到626nm的不同可見光波段的兩個濾波通道。所述濾波通道的寬度介于Inm到5nm之間。其中，本發明優選的用于構造一維光子晶體的介電材料A和B分別是二氧化硅和鍺，缺陷層材料C則優選了氮化鎵。但是，用于構建本發明濾波器的介電材料不局限于二氧化硅、鍺和氮化鎵，凡是介電常數與其相等或接近的其他各類材料均可以用于構建本發明濾波器。進一步地，本發明的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器中，一維光子晶體的晶格常數a為恒定值130nm，其中構成一維光子晶體的介電材料A的厚度4=0. 8 ，B 的厚度 /2=0· 1&。本發明一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的制備方法是，首先用鍍膜或磁控濺射、低壓氣相化學淀積等方法，在光學基片上依次生長設計厚度的介電材料B和Α， 并按照同樣的方法生長m個周期；然后再生長缺陷層材料C，同時根據不同的濾波需求控制缺陷層C的厚度；之后繼續交替生長η個周期的介電材料B和Α，從而實現一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器。本發明一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器結構簡易，容易制備，其兩個濾波通道的工作頻率范圍為從413nm到626nm的不同可見光波段，所濾波的單色性較好，譜線寬度較窄。本發明濾波器具有濾波分辨率高的特點，可以實現Inm到5nm的窄帶濾波，而且可以達到同時濾去兩種不同顏色可見光的目的。


圖1是本發明一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的結構示意圖。圖中A、B、C為三種不同的介電材料，[A/B]n表示A、B兩種不同的介電材料依次 η個周期排列，[C]表示一維光子晶體中的一個缺陷層介電材料C，[A/B]m表示Α、Β兩種不同的介電材料依次m個周期排列；其中Cll為介電材料A的厚度，d2為介電材料B的厚度， d.+d^a為光子晶體的晶格常數，d,為介電材料C的厚度，ζ方向為光子晶體的周期排列方向。圖2為結構組成為[Si02/GeUGaN] [Si&/Ge]4的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的結構示意圖。圖中第1、3、5、7、10、12、14、16層為二氧化硅層，第 2、4、6、8、11、13、15、17層為鍺層，二氧化硅層厚度J1=IlOnm,鍺層厚度i/2=20nm，第9層為缺陷層氮化鎵層。圖3為濾波范圍493nm 498nm (藍)與512nm 517nm (綠)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。
圖4為濾波范圍495nm 499nm (藍)與519nm 5Mnm (綠)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖5為濾波范圍486nm 489nm (藍)與537nm MOnm (黃)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖6為濾波范圍476nm 478nm (藍)與555nm 558nm (黃)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖7為濾波范圍465nm 467nm (紫)與573nm 575nm (黃)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖8為濾波范圍455nm 456nm (紫)與590nm 593nm (黃)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖9為濾波范圍444nm 446nm (紫)與606nm 609nm (黃)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖10為濾波范圍4；34歷 437nm (紫)與620nm 625nm (橙)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖11為濾波范圍413nm 418nm (紫)與622歷 626歷(橙)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。圖12為濾波范圍474nm 476nm (藍)與566nm 568nm (黃)波段的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器的能帶特性圖。
具體實施例方式實施例1。在一維光子晶體中，如果對其結構參數優化，可以發現在可見光波段出現較大的完全禁帶；根據光子晶體缺陷理論，在一維光子晶體中引入缺陷層后，在原完全帶隙區域中能產生缺陷模。本實施例選用常用的半導體二氧化硅(介電常數2. 37)、鍺(介電常數16. 00)、氮化鎵(介電常數6. 25)三種介電材料，其中以氮化鎵層為中間缺陷層，按照[SiA/Ge]4[GaN]
結構，在缺陷層兩邊分別取4個周期結構，選擇石英片作為光學基片，在光學基片上依次交替沉積17層(n=4，m=4)第1、3、5、7 二氧化硅層，第2、4、6、8鍺層，第9氮化鎵層，第10、12、14、16 二氧化硅層，第11、13、15、17鍺層，即在第9氮化鎵層的兩側分別為 SiA/Ge兩種介質交替排列四個周期的一維光子晶體結構，采用型號為WD. M-450的真空鍍膜機制備出圖2所示的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器。當構造此濾波器的晶格常數a為130nm，二氧化硅層、鍺層的厚度分別為 J1=O. 85a=110nm, /2=0. lfe=20nm，氮化鎵層的厚度 /3=0. 40a=52nm時，制備得到的是濾波范圍為493nm 498nm (藍)與512nm 517nm (綠)的窄帶濾波器，其能帶特性圖如圖3，圖中，縱坐標為歸一化頻率，c為光速，橫坐標為Bloch波矢，圖中虛線表示光子能帶。用鍍膜方法在光學基片上按照表1的順序交替生長二氧化硅、鍺和缺陷層氮化鎵，共17層。首先在光學基片上鍍膜生長第17鍺層，其厚度為20nm，然后在第17鍺層上鍍膜生長厚度為IlOnm的第16 二氧化硅層，得到光子晶體的一個周期，然后采用同樣的方法再生長3個周期后，獲得四個周期的[3^2/66]4層，再換第三種材料氮化鎵繼續鍍膜，氮化鎵缺陷層鍍膜的厚度為90nm，之后繼續采用相同的制備方法，對第8，7，…，2，1層交替鍍膜生長4個周期。這樣在光學基片上按照表1從下至上依次生長所需厚度的二氧化硅、鍺、氮化鎵共17層薄膜，從而制備出濾波范圍為493nm 498nm (藍)與512nm 517nm (綠)的窄帶雙通道濾波器。
表1 一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器各層介電材料及鍍膜
厚度
權利要求
1.一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器，是在有限周期數的一維光子晶體中加入缺陷層組成，其特征是所述的濾波器由A、B、C三種不同的介電材料組成，其結構組成為 [A/B]n[C] [A/B]m，其中η和m代表一維光子晶體的周期數，周期數η和m在3 40之間變化，且滿足I η — m ι彡3;組成一維光子晶體的兩種介電材料A、B的介電常數分別為2. 37 和16. 00，且一維光子晶體的晶格常數a保持恒定；缺陷層材料C的介電常數為6. 25，C的厚度式小于晶格常數a，且厚度變化范圍滿足0.如 < 式< 0. 7fe。
2.根據權利要求1所述的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器，其特征是所述一維光子晶體的晶格常數a為130nm，其中A的厚度J1=O. 85a, B的厚度J2=O. 1&。
3.根據權利要求1或2所述的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器，其特征是所述濾波器產生工作頻率范圍在波長413nm到626nm的不同可見光波段的兩個濾波通道。
4.根據權利要求3所述的一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器，其特征是所述濾波通道的寬度介于Inm到5nm之間。
全文摘要
本發明公開了一種一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器，是在由兩種不同介電材料按照相同的周期交替排列而成的有限周期數的一維光子晶體中加入缺陷層組成，其結構組成為[A/B]n[C][A/B]m，其中，n和m代表一維光子晶體的周期數，周期數n和m在3～40之間變化，且滿足︱n－m∣≤3。本發明的濾波器中由介電材料A/B構成的一維光子晶體的晶格常數a保持不變，僅通過調整缺陷層C的厚度即可實現在可見光波段同時產生兩個濾波通道。該濾波器為帶有缺陷層的一維光子晶體濾波器，缺陷層厚度小于一維光子晶體的晶格常數，能夠實現波長從413nm到626nm可見光波段范圍的雙通道濾波。本發明濾波器的制備簡單，分辨率較高，其濾波通過寬度小于5nm。
文檔編號G02B5/20GK102540309SQ20121000960
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者李維強, 楊慧巖, 楊毅彪, 王偉軍, 薛保平, 鄧霄, 馬清亮, 魏循 申請人:太原理工大學