专利名称：一种基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，具体涉及含缺陷的层状周期结构中的声光相互作用，以及基于这种作用的一种新型的动态可调滤波器。更具体而言，是一种通过声波对含缺陷的层状周期结构的缺陷模式进行调制从而设计出的一种动态可调的单/多波长带通滤波器。
背景技术：
折射率周期性调制结构近年来越来越受到光通讯及传感领域的重视。由于折射率的周期性变化，折射率周期性调制层状周期结构能够形成与变化周期相关的布拉格禁带，在光波的传输过程中起到反射的作用。早在半个世纪前，物理学家就已经知道，晶体(如半导体)中的电子由于受到晶格的周期性位势(periodic potential)散射，部份波段会因破坏性干涉而形成能隙(energy gap),导致电子的色散关系(dispersion relation)呈带状分布，此即众所周知的电子能带结构(electronic band structures)。然而直到1987年，E. Yablonovitch及S. John不约而同地指出，类似的现象也存在于光子系统中在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(Photonic bandstructures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gapsystem,简称PBG系统)，或简称光子晶体(photonic crystals)。层状周期结构正是基于光子晶体的概念发展起来的，近年来基于光纤布拉格光栅的应用迅猛发展更是证明了层状周期结构在光通讯其传感领域的重要性。
在层状周期性结构内引入缺陷，可以在层状周期性结构的禁带内形成缺陷模式，这种位于禁带内部的透射模式的透射率和透射峰的数量随着缺陷的不同而不同，这就为发展不同形式的通信传感器件提供了方便。其中，当半波单缺陷位于层状周期性结构的中心时，可以将缺陷两侧的折射率层状周期结构看作是两个Bragg反射镜，这样，缺陷的模式就在这样一个共振系统中共振增强，并在禁带中央形成一个完美的透射峰。
这种由于缺陷模而形成的禁带内的透射有非常广泛的应用。在光通信领域内的各种单波长或多波长滤波器、激光器等等都可以在层状周期结构的缺陷模的基础上加以设计。但是，这种设计有一个致命的缺点，就是一旦层状周期结构的结构形成就难以加以调控。
为了解决这个问题，各种调制手段近年来层出不穷。声波，作为一种弹性波，为解
4决调制手段的问题提供了很大的方便。作为弹性波，声波在折射率周期性调制层状周期结构内传播的过程可以分为两个基本的部分1、通过弹性力使得结构内部各个区域产生弹性位移；2、通过声光效应在结构内发生不同位移的部分产生不同的折射率变化。综合以上两种调制方式，声波可以对折射率周期性调制层状周期结构的缺陷模式产生微调，并有即插即用的优势，不会对层状周期结构的结构产生大的影响，对于层状周期结构在光通信、传感领域的进一步工业化提供了方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于含缺陷周期性折射率调制层状周期结构的动态可调滤波器。这种滤波器不仅提供了良好的滤波效果，而且在不影响整个层状周期结构的基础上提供了对滤波效果的调制，从而使滤波器的功能获得了很大程度的扩展。
技术方案本发明所述的一种基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器，包括周期性折射率调制的层状周期结构和声源，所述周期性折射率调制的层状周期结构的折射率呈周期性交替变化，每个周期内包含折射率分别为 ， 的两个部分，每个部分的长度分别为^、 ^纳米，则在波长为",《+ ^的附近会形成禁带，并使
《= &;在上述周期性折射率调制的层状周期结构内部插入一个相位延迟等于周期内任意一部分的单元，制成半波缺陷，层状周期结构的折射率调制周期数m在100个以上；所述声源位于带半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构的一端，并与之保持稳定的刚性的低声学阻抗的接触。根据引入缺陷的数量和位置不同，声波波长不同，可分为单缺陷动态可调滤波器、双缺陷非耦合同步调制滤波器、双缺陷耦合同步调制滤波器、双缺陷非耦合90。调制滤波器、双缺陷非耦合180°调制滤波器
其中单缺陷动态可调滤波器，含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为一个，且位于层状周期结构长度的中点处。
双缺陷非耦合同步调制滤波器，含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷的间距约等于缺陷两侧的层状周期结构长度之和，其误差不超过任何一个缺陷外侧的层状周期结构长度的10%，且两缺陷的间距等于声波波长的整数倍。
双缺陷耦合同步调制滤波器，含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷在层状周期结构中的间距小于缺陷两侧的层状周期结构长度之和，且两缺陷的间距等于声波波长的整数倍。
双缺陷非耦合180°调制滤波器，含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷在层状周期结构中的间距约等于缺陷两侧的层状周期结构长度之和，误差不超过任何一个缺陷外侧的层状周期结构长度的10%，两个缺陷的间距为声波波长的"+ l/2倍，W为正整数。
双缺陷非耦合90°调制滤波器，含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷在层状周期结构中的间距约等于缺陷两侧的层状周期结构长度之和，误差不超过任何一个缺陷外侧的层状周期结构长度的10%，两个缺陷的间距为声波波长的w + l/4倍，w为正整数。
声源最好采用高频声源，强度大，可引起层状周期结构内部最大位移在10nni量级，可选用频率范围在1MHz-1GHz之间。
本发明的原理是首先通过在周期性折射率调制层状周期结构内部加入缺陷而引入在禁带内的透射模式从而形成基本的滤波效果，又通过声光相互作用使得周期性折射率调制层状周期结构内的缺陷模式发生微调，从而对这种滤波效果产生调制。对于层状周期结构内部存在双缺陷的情况，在导入声波的同时，通过对两个缺陷形成不同的弹性位移调制，能够在原本的滤波效果的基础上形成单/多波长的脉冲滤波效果。
有益效果本发明与现有技术相比，其显著有点是
(1) 通过周期性折射率调制层状周期结构中加入缺陷来形成滤波效果，整个制造过程简单，系统呈现单片化，为光集成系统的建立提供方便。
(2) 通过超声波来调制周期性折射率调制层状周期结构内的缺陷模式，可以随时加载随时去除，不影响周期性折射率调制层状周期结构本身的结构设计。
(3) 通过在周期性折射率调制层状周期结构加入双缺陷并通过声波调制，可以使
一个声波周期内大部分时间的缺陷透射模式消失，形成单/多波长脉冲滤波效果。
图1本发明的结构示意图。
图2单缺陷动态可调滤波器的滤波特征，滤波谱中心波长随着声波的调制而在中心
波长附近扫频。
图3双缺陷调制滤波器的结构特征iV《2xM时，为非耦合状态；JV〈2xM时，
为耦合状态。
图4双缺陷非耦合调制滤波器的结构特征及滤波特征(a) 180°调制；(b) 90°调制。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的动态可调滤波器，主要包括周期性折射率调制的层状周期结构和声源，其中声源位于带半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构的一端并与之保
6持稳定的刚性的低声学阻抗的接触。结构折射率呈周期性交替变化，每个周期内包含折射率分别为 ， 的两个部分，每个部分的长度分别为《、《纳米，则在波长为
~《+"^^的附近会形成禁带，并设定~《= ^;半波缺陷指在周期性折射率调制的层状周期结构内部插入一个相位延迟等于周期内任意一部分的单元，从而在周期性折射率调制层状周期结构的禁带中央产生一个由于缺陷而形成的透射缺陷模式，从而达到
滤波的作用。根据需要，层状周期结构的折射率调制周期数附在100个以上。采用模板紫外曝光的方法在硅基的平板上形成折射率的差异。
为了保证滤波器工作在1550nm范围，根据曝光形成的折射率差，设置w^G^ — — 387.5w/w 。 w」=1.46， wB =1.465 , c/A — 265.411 wm ， ds = 264.505 w/w 。
单缺陷动态调制滤波器由含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构和声源组成；含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中只有单个半波缺陷，且位于层状周期结构长度的中点处。随着声波的导入，由于半波缺陷而形成的滤波谱的中心透射波长随着声波的周期而产生围绕缺陷模式中心波长的来回移动。移动的周期与声波周期吻合。图2中8个时刻对应着一个声波周期内等时间间距的八个时刻，可以看出，在时刻0到时刻7中心透射峰随着声波的传播而左右移动
双缺陷非耦合同步调制滤波器由含有两个半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构和声源组成；两个缺陷在层状周期结构中的位置如图3所示，其中iV-2xM，两缺陷的间距等于声波波长的整数倍。两缺陷在同一时刻受到同样的声波的调制；并且由于两个缺陷间距较远，缺陷模式之间没有耦合，仍能做到单频扫频滤波。
双缺陷耦合同步调制滤波器由含有两个半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构和声源组成；两个缺陷在层状周期结构中的位置如图3所示，其中iV〈2xM，两缺陷在同一时刻受到同样的声波的调制；并且由于两个缺陷间距较近，缺陷模式之间发生耦合，能做到双频扫频滤波。
双缺陷非耦合180°调制滤波器由含有两个半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构和声源组成；两个缺陷的间距为声波波长的w + l/2倍，w为正整数(图4-a)。两缺陷在同一时刻受到声波的作用效果完全相反，A缺陷处于压縮最大状态，B缺陷处于拉伸最大状态， 一个声波周期范围内，只有两个时刻两个缺陷受到的声波调制效果相同；并且由于两个缺陷间距较远，缺陷模式之间没有耦合，能做到单频脉冲滤波。
双缺陷非耦合90°调制滤波器由含有两个半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构和声源组成；两个缺陷的间距为声波波长的"+ l/4倍，W为正整数(图4-b)。当A缺陷处于压縮最大状态，B缺陷恰好处于不形变的状态，在一个声波周期范围内，只有两个时刻两个缺陷受到的声波调制效果相同；并且由于两个缺陷间距较远，缺陷模式之间没有耦合，能做到双频脉冲滤波。
长方体层状折射率调制周期结构的制备第一步，在硅基材料置于液氢之中5天到一周形成载氢的硅基材料；第二步，使用紫外曝光技术在载氢的硅基材料上形成所需要的周期结构图案；第三步，曝光结束后，将硅基材料放入烤箱中退火3-5小时，退火温度一般在80-100摄氏度之间。紫外曝光所形成周期结构的占空比控制在0.4-0.6之间。曝光完成后，将长方体层状周期结构两通光端面之一斜切5'，并在层状周期性结构的两个通光端面镀上增透膜。
权利要求
1、一种基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器，其特征在于包括周期性折射率调制的层状周期结构和声源，所述周期性折射率调制的层状周期结构的折射率呈周期性交替变化，每个周期内包含折射率分别为nA，nB的两个部分，每个部分的长度分别为dA、dB纳米，则在波长为nAdA+nBdB的附近会形成禁带，并使nAdA＝nBdB；在上述周期性折射率调制的层状周期结构内部插入一个相位延迟等于周期内任意一部分的单元，制成半波缺陷，层状周期结构的折射率调制周期数m在100个以上；所述声源位于带半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构的一端，并与之保持稳定的刚性的低声学阻抗的接触。
2、 根据权利要求1所述的基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器，其 特征在于所述声源采用高频声源，频率范围在1MHz-lGHz之间。
3、 根据权利要求1或2所述的基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器， 其特征在于含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为一个，且位于 层状周期结构长度的中点处。
4、 根据权利要求1或2所述的基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器， 其特征在于含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个 缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷的间距约等于缺陷两侧的层状周期结 构长度之和，其误差不超过任何一个缺陷外侧的层状周期结构长度的10%，且两缺陷的 间距等于声波波长的整数倍。
5、 根据权利要求1或2所述的基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器， 其特征在于含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个 缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷在层状周期结构中的间距小于缺陷两 侧的层状周期结构长度之和，且两缺陷的间距等于声波波长的整数倍。
6、 根据权利要求1或2所述的基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器， 其特征在于含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个 缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷在层状周期结构中的间距约等于缺陷 两侧的层状周期结构长度之和，误差不超过任何一个缺陷外侧的层状周期结构长度的 10%，两个缺陷的间距为声波波长的w + l/2倍，w为正整数。
7、 根据权利要求1或2所述的基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器， 其特征在于含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构中的半波缺陷为两个，这两个 缺陷在层状周期结构中呈中心对称分布，两个缺陷在层状周期结构中的间距约等于缺陷 两侧的层状周期结构长度之和，误差不超过任何一个缺陷外侧的层状周期结构长度的 10%，两个缺陷的间距为声波波长的《 + 1/4倍，w为正整数。
8、 一种含半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构的制备方法，其特征在于首 先制造周期性折射率调制的层状周期结构，该层状周期结构的折射率呈周期性交替变 化，每个周期内包含折射率分别为 ， 的两个部分，每个部分的长度分别为^、《 纳米，则在波长为^《+ ^的附近会形成禁带，并设定 《= ^;在上述周期性 折射率调制的层状周期结构内部插入一个相位延迟等于周期内任意一部分的单元，制成半波缺陷。
9、 根据权利要求8所述的含半波缺陷的长方体周期性折射率调制层状周期结构的 制备方法，其特征在于采用模板紫外曝光的方法使硅基材料形成折射率的差异。第一步， 在硅基材料置乎液氢之中5天到一周形成载氢的硅基材料；第二步，使用紫外曝光技术 在载氢的硅基材料上形成所需要的周期结构图案；第三步，曝光结束后，将硅基材料放 入烤箱中退火3-5小时，退火温度一般在80-100摄氏度之间。紫外曝光所形成周期结构 的占空比控制在0.4-0.6之间。曝光完成后，将长方体层状周期结构两通光端面之一斜 切5'，并可在层状周期性结构的两个通光端面镀上增透膜。
全文摘要
本发明公开了一种基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器，包括周期性折射率调制的层状周期结构和声源，声源位于带半波缺陷的周期性折射率调制层状周期结构的一端，并与之保持稳定的刚性的低声学阻抗的接触。其特点是在有缺陷的折射率周期性调制的层状周期结构中通过不同方式导入一定频率和强度的声波，通过声波强度的变化调制层状周期结构中传播的缺陷模式的波长，通过声波波长的变化达到单波长-多波长输出的效果。本发明设计新颖，制备可行，在光通信、传感领域可有广泛的应用前景。
文档编号G02F1/01GK101477256SQ200910025099
公开日2009年7月8日 申请日期2009年2月18日 优先权日2009年2月18日
发明者卢明辉, 钱小石, 陆延青, 陈延峰 申请人:南京大学