本發(fā)明涉及一種采用單一漸變材料光柵實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模共振濾波的方法，尤其是一種消除傳統(tǒng)導(dǎo)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(jī)電領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

導(dǎo)模共振濾波器是一種利用導(dǎo)模共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)共振濾波的光學(xué)元件，這類濾波器所需的膜層數(shù)少，濾波性能優(yōu)越，在激光高反系統(tǒng)、偏振系統(tǒng)、光調(diào)制器以及生物傳感等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的導(dǎo)模共振光柵由多個(gè)離散膜層組成的，每個(gè)膜層之間的折射率是突變的，這給濾波器性能帶來(lái)了很多負(fù)面影響：(1)由于高低折射率材料的機(jī)械性質(zhì)不一樣，例如熱膨脹系數(shù)、楊氏彈性模量、泊松比的差異，在鍍膜過(guò)程中，高低折射率膜層間會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，膜層之間的黏附性也不是很好，這弱化了整個(gè)膜系的機(jī)械和力學(xué)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(jié)構(gòu)上不匹配，膜層之間界面處的粗糙度會(huì)被復(fù)制放大，增加了散射損失。(3)膜層之間的突變界面處通常會(huì)產(chǎn)生很大的電場(chǎng)，減小了光學(xué)薄膜的抗激光損傷閾值。(4)傳統(tǒng)多層膜結(jié)構(gòu)導(dǎo)模共振濾波器要求結(jié)構(gòu)中存在波導(dǎo)層，也就是結(jié)構(gòu)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(dǎo)層折射率時(shí)，結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模共振濾效應(yīng)將消失，這限制了導(dǎo)模共振濾波器對(duì)基底材料的選擇。上述負(fù)面影響常常成為限制多層膜導(dǎo)模共振濾波器應(yīng)用的主要因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)多層膜結(jié)構(gòu)膜導(dǎo)模共振濾波器存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種采用單一漸變材料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(guò)刻蝕該漸變折射率薄膜得到導(dǎo)模共振光柵結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到采用單一漸變折射率薄膜的導(dǎo)模共振濾波器。所述方法通過(guò)選擇不同的刻蝕深度和漸變系數(shù)，調(diào)整濾波器通道位置和通道數(shù)目，實(shí)現(xiàn)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(shù)，α為漸變系數(shù)，d_gra為漸變層的厚度，n_gra為漸變層折射率，y為坐標(biāo)軸，指向?yàn)闈u變層厚度增大方向。對(duì)于給定的漸變層厚度d_gra，通過(guò)調(diào)節(jié)α可以調(diào)節(jié)漸變層的折射率取值范圍；反之，對(duì)于給定的漸變系數(shù)α，通過(guò)調(diào)節(jié)d_gra可以調(diào)節(jié)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(fā)明中，對(duì)于所述的采用單一漸變折射率薄膜的導(dǎo)模共振濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如調(diào)節(jié)光柵周期、漸變層厚度、刻蝕深度、光柵占空比、漸變系數(shù)等可以在任意波段實(shí)現(xiàn)TE和TM偏振的導(dǎo)模共振濾波。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，針對(duì)可見(jiàn)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(wàn)＝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(gè)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(yōu)良。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，針對(duì)可見(jiàn)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(wàn)＝0.5，光柵周期Λ＝0.32μm，通過(guò)調(diào)節(jié)刻蝕深度在d_g＝50-150nm內(nèi)變化，使濾波器的通道位置在581.8-598.7nm范圍內(nèi)變化，反射光譜帶寬從1.1nm變化到2.8nm。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，通過(guò)調(diào)節(jié)漸變系數(shù)α選擇導(dǎo)模共振濾波的通道數(shù)目。

在本發(fā)明中，由于漸變層折射率沿厚度方向遞增，也就是漸變層上方折射率高，導(dǎo)模的電磁場(chǎng)能量主要被局域在漸變層上方，因此導(dǎo)模共振濾波受基底折射率的影響幾乎可以忽略。因而，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，選取不同的基底材料，無(wú)論基底折射率低于或高于漸變層折射率的最大值，導(dǎo)模共振濾波器通道位置保持不變，旁帶反射率低，濾波性能優(yōu)良。這表明對(duì)于單一材料漸變折射率導(dǎo)模共振濾波器，在實(shí)際應(yīng)用中可以忽略基底折射率大小對(duì)導(dǎo)模共振的影響，任意選擇基底折射率，濾波器濾波通道位置不變，濾波器濾波性能優(yōu)良。漸變折射率導(dǎo)模共振濾波器對(duì)基底折射率高度不敏感的特征，可以消除傳統(tǒng)導(dǎo)模共振濾波器中波導(dǎo)層折射率需高于基底折射率的限制，這在實(shí)際應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明提供的一種利用單一漸變材料光柵設(shè)計(jì)導(dǎo)模共振濾波器的方法，可以設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良抗反射特性的導(dǎo)模共振濾波器。通過(guò)選擇不同的刻蝕深度d_g，可以選擇不同的通道位置；維持刻蝕深度d_g不變，降低漸變系數(shù)α可以增加濾波器的通道數(shù)目，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模共振多通道濾波。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，導(dǎo)模共振濾波性能還可以得到進(jìn)一步提高。這類單一漸變材料光柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模共振效應(yīng)不受基底折射率大小影響，導(dǎo)模共振抗反射濾波性能優(yōu)良。在微光機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)儀器、光學(xué)測(cè)量、通訊濾波等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用的漸變折射率薄膜的機(jī)械性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)在縱向上是連續(xù)變化的，沒(méi)有突變的界面，它其實(shí)就是一個(gè)復(fù)雜的單層膜。應(yīng)力在整個(gè)膜層內(nèi)是均勻分布的，這提高了薄膜材料之間以及薄膜與基片之間的附著力，改善了薄膜的機(jī)械性能、力學(xué)性能，相對(duì)減小了薄膜的散射損失，提高了薄膜的抗激光損傷閾值，基于漸變折射率薄膜設(shè)計(jì)的導(dǎo)模共振濾波器可以消除基底折射率大小對(duì)導(dǎo)模共振濾波的限制。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式中單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器結(jié)構(gòu)示意圖，Λ為光柵的周期，f為光柵的占空比，n_gra為漸變層的折射率，d_gra為漸變層厚度，d_g為刻蝕深度，n_c和n_s分別為入射媒質(zhì)和基底的折射率。

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式中單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器在d_gra＝1μm時(shí)實(shí)現(xiàn)的濾波光譜曲線。

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式中單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器在不同刻蝕深度下的濾波光譜曲線。

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式中單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器在不同漸變系數(shù)下的多通道濾波光譜曲線。

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式中單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器在不同折射率基底下的濾波光譜曲線。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1采用單一漸變材料光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)模共振濾波器

在本實(shí)施例中，我們選取TM偏振光正入射，漸變層折射率n_gra∈(1.5,2.1)，也就是n_gra的大小在1.5-2.1的范圍內(nèi)線性變化，n₀＝1.5，基底的折射率n_s＝2.1。當(dāng)α＝0.6，由式(1)，可知漸變層厚度d_gra＝1μm，選取光柵周期Λ＝0.32μm，刻蝕深度d_g＝0.1μm，光柵占空比f(wàn)＝0.5，采用光柵矢量衍射理論計(jì)算，可以在通道位置為590.4nm處實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模共振濾波，峰值波長(zhǎng)反射率達(dá)100％，光譜帶寬為2.4nm，濾波器旁帶反射率低于3％，濾波器濾波性能優(yōu)越，如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，濾波器的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)和材料可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選取，可以選用TE或TM偏振光入射，在正入射或斜入射條件均可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模共振濾波。漸變折射率薄膜可以采用電子束共蒸，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積(PECVD)，單靶濺射和雙靶共濺射方法等實(shí)現(xiàn)；漸變折射率層的刻蝕可以采用電子束刻蝕、離子束輔助刻蝕、或納米壓印等方法實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例2改變刻蝕深度選擇單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器的通道位置

基于實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在維持其他參數(shù)不變的條件下，可以通過(guò)選擇不同的刻蝕深度來(lái)實(shí)現(xiàn)通道位置的選擇。

比如d_g分別取50nm，75nm，100nm，125nm，150nm，采用矢量衍射理論計(jì)算，得到圖3的光譜，可以看到，當(dāng)d_g不斷增大時(shí)，濾波器通道位置向短波方向移動(dòng)，峰值波長(zhǎng)處反射率均達(dá)100％。當(dāng)d_g從50nm增大到150nm時(shí)，濾波器通道位置從598.7nm移動(dòng)到581.8nm，反射光譜帶寬由1.1nm增大至2.8nm，濾波器旁帶反射率低，濾波器窄帶抗反射濾波特性優(yōu)良。因此，維持其他參數(shù)不變，通過(guò)選擇不同的刻蝕深度可以選擇濾波器的通道位置。

實(shí)施例3調(diào)節(jié)漸變系數(shù)α實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模共振多通道濾波

在實(shí)施例1的參數(shù)下，維持其他參數(shù)不變，通過(guò)調(diào)節(jié)漸變系數(shù)α來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)漸變層厚度的控制。當(dāng)漸變層的厚度越大，由于導(dǎo)模共振的多模共振效應(yīng)，結(jié)構(gòu)中支持的導(dǎo)模模式數(shù)將越多，導(dǎo)模共振濾波器的通道數(shù)目也就越多。因此，通過(guò)控制漸變系數(shù)α，可以控制導(dǎo)模共振的通道數(shù)量。也就是，降低漸變系數(shù)α，漸變折射率膜層厚度增加，導(dǎo)模共振濾波器的通道數(shù)目將增多。

本例中我們分別選取α＝0.75，α＝0.5和α＝0.4三個(gè)不同參數(shù)，采用矢量衍射理論計(jì)算濾波器的光譜曲線，得到圖3，分別實(shí)現(xiàn)單通道、雙通道和三通道導(dǎo)模共振濾波。

實(shí)施例4實(shí)現(xiàn)對(duì)基底折射率不敏感的導(dǎo)模共振濾波

在實(shí)施例1的參數(shù)下，維持其它參數(shù)不變，選取不同折射率基底，比如n_s分別為1.5，1.8，2.1，2.4，采用矢量衍射理論計(jì)算導(dǎo)模共振濾波器光譜曲線，可以看到不同折射率基底對(duì)通道位置沒(méi)有影響，即便基底折射率大于漸變層折射率的最大值2.1，導(dǎo)模共振的通道均出現(xiàn)在590.4nm處，濾波器峰值反射率高，旁帶反射率整體偏低，導(dǎo)模共振濾波性能優(yōu)良。因此，單一漸變材料導(dǎo)模共振濾波器擺脫了傳統(tǒng)導(dǎo)模共振濾波器受基底折射率大小的制約，即便在高折射率基底上依然具有優(yōu)越的濾波性能。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動(dòng)與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。