一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器的製作方法
2023-07-20 08:43:36 1
專利名稱：一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種一維光子晶體色散分離器，對多波長電磁波具有頻率分離特性，並形成超精細的光譜結構。
背景技術：
傳統的離散光學器件系統由於組裝和調整困難、器件體積和重量大、穩定性差等缺點已不能適應現代信息光電子技術發展的需要，一些器件新的原理、新的概念、新的結構設計相繼提出，如光子晶體、微諧振腔、微腔雷射器、納米量子線導光、等離子體基元表面波等。近年來，大量研究表明光子晶體具有廣闊的應用前景，特別是在光通信、光學信息處理領域中，利用光子晶體可以研製多種光通信器件，如光子晶體波導、光子晶體光纖、光子晶體微腔、光子晶體濾波器、光子晶體光開關、光子晶體雷射器、光子晶體偏振器、光子晶體LED和光子晶體超稜鏡等。分光器件是光子技術的基本元件之一，在光通信和光學信息處理·方面有著廣泛的應用，分光器件的發展經歷了從色散稜鏡到衍射光柵再到採用幹涉調製元件和信息變換技術的演化，常見分光器件主要有3類(I)色散稜鏡。包括等邊三稜鏡、科爾鈕稜鏡、立特羅稜鏡、恆偏向角稜鏡等；(2)光柵。按照製作方法不同又可分為刻劃光柵、複製光柵、全息光柵等；按照光柵的形狀不同可分為平面光柵和凹面光柵；按照光柵的通透性不同可分為透射式光柵和反射式光柵等；(3) F- P標準具。此外，還有聲光可調諧濾光器、雙折射濾波片、二元菲涅耳透鏡等一系列分光元件。光子晶體是一種利用高低折射率材料交替周期性排列的人工合成材料，電磁波在這種具有周期性結構的材料中傳播時會受到由電介質構成的周期勢場的調製，從而形成類似於半導體能帶結構的光子能帶(photonic band),光子能帶之間可能會出現帶隙，即光子帶隙；兩種由不同介電常數材料薄介質層交替排列可構成一維周期性結構，一維光子晶體相當於不同介質組成的多膜材料，例如光學中常見的布拉格反射鏡就是一種簡單的一維光子晶體。由於一維光子晶體結構簡單、可靠性好、容易製備、便於集成等優點，因此利用一維光子晶體來實現對光信號的處理越來越引起人們的關注，如在完整的一維光子晶體中引入缺陷層，光子禁帶中會出現缺陷模，通常用來實現窄帶濾波。發明專利「波長選擇性雷射分束器」(中國專利，專利申請號02143518. 9)提供了提供一種用於分離雷射束的分束裝置，通過一有波長選擇性的波片即光學延遲器，不同波長偏振態不同，經過軸離晶體將不同偏振的子光束按角度分開，實現子光束空間分離。本發明採用雙稜鏡缺陷層的一維光子晶體實現波譜分離，具有分光功能。
發明內容
本發明的目的是提供一種一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器系統。通過缺陷層結構的設計，輸入特定多波長電磁波，在器件不同位置輸出不同的波長，即器件位置和輸出的波長是一一對應的關係，達到波譜分離的目的，並且有很高的解析度。本發明所採用的技術方案是，採用特徵矩陣方法研究由雙稜鏡構成缺陷層的一維光子晶體的傳輸特性，研究雙稜鏡構成缺陷層的結構參數對一維光子晶體的傳輸特性的影響，達到同時讓多波長電磁波入射一維光子晶體一個側面，在另外一個側面不同位置輸出，實現波譜分離。光子晶體理論研究的方法有很多種，如特徵矩陣方法、多重散射法和時域有限差分方法(FDTD)、光束傳播法、有限元法等等，本發明研究方法採用特徵矩陣方法，它的重要意義在於把薄膜的兩個界面的場聯繫了起來，而它本身包含了薄膜的一切特徵參數，即從電磁場的邊值關係尋求薄膜兩界面上的場之間的關係。本發明提出的基於一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器的設計主要包括以下內容。本發明包括周期數為12，即24層高低折射率層一維光子晶體和雙稜鏡缺陷層結構，整個結構為鏡像對稱分布的特定模型。設置為介質層A的折射率為na= 1.38(MgF2),厚度da=328.6nm，介質層B折射率為nb = 2. 35 (ZnS)，db=193nm，晶格周期為d=da+db=521. 6 nm, 一維光子晶體光子禁帶中心波長入。=2 ( na da+ nb db) =1814. 2nm,背景材料為空氣。·本發明，由雙稜鏡構成一維光子晶體缺陷層，同時讓多波長電磁波入射一維光子晶體一個側面，不同在另外一個側面不同位置輸出，實現波譜分離。光子晶體理論研究的方法有很多種，如特徵矩陣方法、多重散射法和時域有限差分方法(FDTD)、光束傳播法、有限元法等等。本發明研究方法採用特徵矩陣方法，它的重要意義在於把薄膜的兩個界面的場聯繫了起來，而它本身包含了薄膜的一切特徵參數，即從電磁場的邊值關係尋求薄膜兩界面上的場之間的關係。本發明，對電介質作如下假設
電介質是各向同性的，於是介電常數。可以被看成標量；
電介質是無磁性的，並且其中沒有電流或電荷；
不考慮電介質的電損耗，即介電常數是一個純實數；
對一維光子晶體其它二個方向大小作歸一化處理；
假設平面電磁波垂直入射薄膜表面。基於以上假設很容易得到適合於一維光子晶體膜系的透射係數
算得雙稜鏡缺陷層一維光子晶體膜系的透射譜，n。、
Ei 氣氣仏.[+氣
n^為空氣和襯底材料的波阻抗，A、B、C、D為薄膜特徵矩陣的矩陣元。本發明相對同類現有研究，具有以下優點本發明對多電磁波波長具有頻率分離特性；本發明具有良好可塑性。通過改變雙稜鏡缺陷層的屬性，可以對其他波段進行頻率分離，具有良好的可塑性；本發明可與其它器件集成化，採用薄膜製備工藝，製備技術成熟；本發明具有很高的空間解析度，0-0127Jlw。
本發明具體實施的結構框圖及
如下。圖I 一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器系統示意圖。
圖2雙稜鏡缺陷層一維光子晶體光路傳輸不意圖。圖3雙稜鏡缺陷層光路傳輸不意圖。圖4 一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器傳輸譜與輸出位置的關係曲線。圖中，I.聚焦透鏡2.擴束鏡3.高低折射率層4.雙稜鏡缺陷層5.高低折射率層6.探測器。
具體實施例方式圖I為一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器系統示意圖。多波長入射光束經過聚焦稜鏡I聚焦後，通過共焦擴束稜鏡2擴束後投射一維光子晶體表面，經過帶有雙稜鏡缺陷層4的高低折射率周期介質層3、5，實現缺陷濾波，不同位置只允許某一波長通過，使不同波長A1 A2 AfAlri入 的波在空間分離，投射到探測器6上形成精細的光譜結構。·對一維光子晶體進行建模，設置模型參數，具體實施為在完整的一維光子晶體中設置雙稜鏡結構形成具有雙稜鏡缺陷層一維光子晶體，設計了一種新型一維光子晶體色散分離器，如圖2所示，設置介質層A的折射率為/ 3= I. 38 (MgF2)，厚度式=328. 6nm,介質層B折射率為& = 2. 35 (ZnS), ^=193nm,晶格周期為(1=式+ db=521. 6 nm,背景材料為空氣，一維光子晶體光子禁帶中心波長^￠=2( /7/4+ /7/4) =1814. 2nm。模型仿真，採用特徵矩陣法，在不同入射歸一化位置輸入一定頻率範圍的電磁波譜，只有對應的缺陷模的波長能透過，其它頻率的光波不能透過，圖3為雙稜鏡缺陷層光路傳輸示意圖，研究缺陷層C、D的結構參數對透射特性的影響。通過改變雙稜鏡屬性，如缺陷層折射率、光學厚度等因素，優化設計最佳結構參數，本發明採用將缺陷結構參數優化為Hc=L 57，nd=2. 8，ncdc=^ c/3，其傳輸譜特性如圖4所示，透射譜與輸出位置的關係為如圖4所示，橫坐標為歸一化入射位置/，縱坐標為歸一化輸出波長X/X ^，不同波長從對應的不同位置輸出。這種特性可以用來設計一種新型色散分離器，色散分離器的帶寬大約為218nm，空間解析度值可高達0-0127
權利要求
1.一種一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器，其特徵在於，入射光束經過聚焦稜鏡(I)聚焦後，通過共焦擴束稜鏡(2)擴束後投射一維光子晶體表面，經過高低折射率周期介質層(3)、雙稜鏡缺陷層(4)和高低折射率周期介質層(5)色散分離後，投射到探測器(6)上形成精細的光譜結構。
2.根據權利要求I所述的一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器，其特徵在於，該晶體的結構是一個膜系，膜系中各膜層排列如下(AB)nCD(BA)n 其中，A為低折射率膜層，B為高折射率膜層，A和B的光學厚度為一維光子晶體光子禁帶中心波長的四分之一，N為高低折射率周期介質層的周期數，C、D為雙稜鏡缺陷層。
3.根據權利要求I或2所述的一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器，其特徵在於，其特徵是膜系中的A的折射率用na=l. 38 (MgF2),厚度用^=328. 6nm，B的折射率用nb=2. 35 (ZnS)，厚度用式=193鹽，高低折射率周期介質層的周期數N=6。
4.根據權利要求I或2所述的一維光子晶體雙稜鏡缺陷色散分離器，其特徵在於，缺陷層採用雙稜鏡C、D缺陷層，C、D的幾何結構相同，最大厚度為385. 2nm稜鏡頂角為a =O. lrad, C 的折射率 ηε=1. 57，D 的折射率 nd=2. 8。
全文摘要
本發明公開了一種缺陷一維光子晶體對多波長信號色散分離的方法，涉及光譜測量領域。本發明基於一維光子晶體光子帶隙和缺陷濾波特性，通過在完美一維光子晶體引入雙稜鏡缺陷層，使缺陷層光學厚度能連續變化，這樣不同位置對應不同的缺陷結構，使輸出譜線與輸入、輸出位置有一一對應的關係，對多波長電磁波具有頻率分離特性，並形成超精細的光譜結構。本發明有非常高的光譜解析度，可用於分波器、光譜儀等器件上，同時本發明採用薄膜製備工藝可與其它器件集成化，製備技術成熟。
文檔編號G02B6/122GK102789054SQ201210267768
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者任乃飛, 劉紅玉, 周明, 王正嶺, 許孝芳, 高永鋒 申請人:江蘇大學