[发明专利]一种采用单一渐变材料光栅实现导模共振滤波的方法

说明书

本发明公开了一种采用单一渐变材料光栅结构实现导模共振滤波的方法，属于光通信与微光机电系统领域。本发明提出在基底上镀制一层折射率随厚度递增的光学薄膜，通过刻蚀该渐变折射率薄膜得到导模共振光栅结构，进而实现导模共振滤波。在此基础上，通过选择不同的刻蚀深度，可以调整滤波器的通道位置；维持刻蚀深度不变，降低渐变系数可以实现多通道滤波。本发明提供的导模共振光栅结构的滤波性能对基底折射率大小变化高度不敏感，即便基底折射率高于渐变薄膜折射率的最大值，导模共振滤波性能保持优良，这摆脱了传统导模共振滤波器中波导层折射率需高于基底折射率的限制，在实际应用中将更有优势。

技术领域

本发明涉及一种采用单一渐变材料光栅实现导模共振滤波的方法，尤其是一种消除传统导模共振滤波受制于基底折射率大小的方法，属于光通信和微光机电领域。

背景技术

导模共振滤波器是一种利用导模共振效应实现共振滤波的光学元件，这类滤波器所需的膜层数少，滤波性能优越，在激光高反系统、偏振系统、光调制器以及生物传感等方面有着重要的应用价值。传统的导模共振光栅由多个离散膜层组成的，每个膜层之间的折射率是突变的，这给滤波器性能带来了很多负面影响：(1)由于高低折射率材料的机械性质不一样，例如热膨胀系数、杨氏弹性模量、泊松比的差异，在镀膜过程中，高低折射率膜层间会产生较大的应力，膜层之间的黏附性也不是很好，这弱化了整个膜系的机械和力学性能，使薄膜的抗划伤能力和抗磨性能变差。(2)由于高低折射率膜材料在微观结构上不匹配，膜层之间界面处的粗糙度会被复制放大，增加了散射损失。(3)膜层之间的突变界面处通常会产生很大的电场，减小了光学薄膜的抗激光损伤阈值。(4)传统多层膜结构导模共振滤波器要求结构中存在波导层，也就是结构中至少有一种膜层的折射率高于基底折射率，若基底折射率高于波导层折射率时，结构的导模共振滤效应将消失，这限制了导模共振滤波器对基底材料的选择。上述负面影响常常成为限制多层膜导模共振滤波器应用的主要因素。

发明内容

为了弥补传统多层膜结构膜导模共振滤波器存在的缺陷，本发明提供了一种采用单一渐变材料实现导模共振滤波的方法。

所述方法是在基底上镀制一层渐变折射率薄膜，通过刻蚀该渐变折射率薄膜得到导模共振光栅结构，进而得到采用单一渐变折射率薄膜的导模共振滤波器。所述方法通过选择不同的刻蚀深度和渐变系数，调整滤波器通道位置和通道数目，实现单通道和多通道反射滤波功能。

所述渐变折射率薄膜的渐变层沿厚度方向的折射率由式(1)表示，其中n₀为常数，α为渐变系数，d_gra为渐变层的厚度，n_gra为渐变层折射率，y为坐标轴，指向为渐变层厚度增大方向。对于给定的渐变层厚度d_gra，通过调节α可以调节渐变层的折射率取值范围；反之，对于给定的渐变系数α，通过调节d_gra可以调节渐变层的折射率取值范围。

n_gra(y)＝n₀+αy(0≤y≤d_gra) 式(1)

在本发明中，对于所述的采用单一渐变折射率薄膜的导模共振滤波器，通过调节滤波器结构参数，比如调节光栅周期、渐变层厚度、刻蚀深度、光栅占空比、渐变系数等可以在任意波段实现TE和TM偏振的导模共振滤波。

在本发明的一种实施方式中，针对可见光波段，选取基底折射率n_s＝2.1，渐变层折射率n_gra∈(1.5,2.1)，n₀＝1.5，渐变层厚度d_gra＝1μm，光栅占空比f＝0.5，刻蚀深度d_g＝0.1μm，光栅周期Λ＝0.32μm，滤波器在通道位置590.4nm处得到一个反射率为100％的共振峰，反射光谱带宽为2.4nm，旁带反射率均低于3％，抗反射滤波性能优良。