[发明专利]一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体滤波器，特别是涉及一种带缺陷的一维光子晶体滤波器。

背景技术

光子晶体作为具备广阔应用前景的新型光电功能材料，受到越来越广泛的关注。相对于二维和三维光子晶体而言，一维光子晶体结构简单，工艺制备上更容易实现。完全光子禁带是光子晶体的主要特性之一，对于具有完全光子禁带的光子晶体而言，处于完全禁带频率范围的光波都不能在光子晶体中进行传播，即处于光子晶体禁带范围的光子频率以内都无法在光子晶体中存在。许多新型光学器件采用了光子晶体的这一特性，光子晶体滤波器就是其中的研究热点之一。同时，随着高精度、大容量光通信技术的持续发展，以及光学精密测量的较高要求，都希望在通带非常窄的窄带光滤波器取得突破。这些技术的应用一般是在光子晶体引入各种类型的缺陷，使得一个较宽的完全光子禁带区内出现一个或几个非常窄的通带。由于光子晶体滤波器的滤波效能要远比普通滤波器优越，因此，利用光子晶体制备极窄带高品质的高性能滤波器具有十分重要的意义。

多腔级联光子晶体多通道滤波器（CN 101246237 B）报道了在一维光子晶体中有规律地加入多个点缺陷层，形成一维光子晶体的缺陷腔的级联，其每一缺陷层两侧的一维光子晶体相对于缺陷层都是对称周期排列。这种滤波器所需缺陷层数较多，制备相对复杂，其滤波范围在微米波段且三个滤波通道间隔较小，分离度较低。

韩培德等（可见光波段SiO₂/CdSe一维光子晶体及缺陷模的研究，光子学报，2010，第39卷第1期）报道了采用SiO₂/CdSe作为一维光子晶体的介电材料，其缺陷层LiTaO₃两侧的一维光子晶体也是呈对称的周期排列，在其中加入缺陷层LiTaO₃后，能达到一定的滤波目的。但在整个可见光波段其滤波范围较窄，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器，该滤波器为带有缺陷层的一维光子晶体滤波器，能够实现可见光范围内的双通道滤波，且滤波器的制备简单，分辨率较高。

本发明的原理在于：在光子晶体中，如果对其结构参数进行优化，可以发现在某些频率范围出现较大的完全光子禁带，当在光子晶体中引入特定的缺陷层，完全光子禁带中就会出现较高品质因子的缺陷态而形成缺陷模，光子晶体的完全光子禁带和完全禁带中的缺陷模就能实现禁止或允许一定频率的光子通过，如果缺陷模的频率范围很小，则允许通过的光波频率很窄，利用这一特性可以制备高分辨率的光子晶体滤波器。

本发明的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器是在由两种不同的介电材料按照相同的周期交替排列而成的有限周期数的一维光子晶体中加入缺陷层组成的。具体的，本发明的滤波器是由A、B、C三种不同的介电材料组成的，其结构组成为[A/B]_n[C][A/B]_m，其中，n和m代表一维光子晶体的周期数，周期数n和m在3～40之间变化，且满足︱n－m∣≤3，此时，整个滤波器结构的总层数为2n＋2m＋1。本发明的滤波器中，组成一维光子晶体的两种介电材料A、B的介电常数分别为2.37和16.00，且一维光子晶体的晶格常数a保持恒定；缺陷层材料C的介电常数为6.25，C的厚度d₃小于晶格常数a，且厚度变化范围满足0.4a≤d₃≤0.75a。

本发明中由介电材料A/B构成的一维光子晶体的晶格常数a保持不变，仅通过调整缺陷层C的厚度即可实现同时产生工作频率范围在波长413nm到626nm的不同可见光波段的两个滤波通道。所述滤波通道的宽度介于1nm到5nm之间。

其中，本发明优选的用于构造一维光子晶体的介电材料A和B分别是二氧化硅和锗，缺陷层材料C则优选了氮化镓。但是，用于构建本发明滤波器的介电材料不局限于二氧化硅、锗和氮化镓，凡是介电常数与其相等或接近的其他各类材料均可以用于构建本发明滤波器。

进一步地，本发明的一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器中，一维光子晶体的晶格常数a为恒定值130nm，其中构成一维光子晶体的介电材料A的厚度d₁=0.85a，B的厚度d₂=0.15a。