基于啁啾多孔硅光子晶體的多通道濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于啁啾多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)基底材料和光子晶體多層膜構(gòu)成，其中光子晶體多層膜由兩種不同多孔率的多孔硅A、B通過其中一種多孔硅層的物理厚度變化而形成啁啾結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)單元并重復(fù)N個(gè)周期來構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)為[A/B1/A/B2/…/A/Bi]N。對(duì)于不同多孔率的A和B，在每個(gè)周期中，A層物理厚度a不變，B層物理厚度b1,b2,…bi成等差數(shù)列排列。采用電化學(xué)陽極腐蝕法制備多孔硅光子晶體，通過控制電化學(xué)陽極腐蝕的電流密度和腐蝕時(shí)間來實(shí)現(xiàn)啁啾結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與二維、三維光子晶體和傳統(tǒng)濾波器相比，制備工藝簡(jiǎn)單，損耗低，可提供多個(gè)高透射率的濾波通道，在光通信系統(tǒng)和光子器件及系統(tǒng)中可發(fā)揮重要作用。
【專利說明】
基于嗎嗽多孔括光子晶體的多通道濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種光子晶體濾波器，特別是設(shè)及一種基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體的多 通道濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光子晶體是一種折射率在空間周期排列的人工材料。光子晶體獨(dú)特的光子帶隙結(jié) 構(gòu)，能夠控制光子的傳播行為，使得光子晶體成為光子技術(shù)中的基礎(chǔ)性材料之一，而且應(yīng)用 廣泛。
[0003] 目前光子晶體用作濾波器通常是利用光子晶體的禁帶特性，引入缺陷，從而在光 子帶隙中產(chǎn)生缺陷模式，只有頻率和缺陷模式吻合的光波才可W通過光子晶體傳播，光子 禁帶中會(huì)出現(xiàn)高透射窗口，具有特別好的濾波特性，運(yùn)一特性可用來制造高品質(zhì)、高透射率 的單通道濾波器和多通道濾波器。對(duì)于普通介質(zhì)的一維光子晶體，有增加光子晶體周期數(shù) 目和增大構(gòu)成光子晶體的兩種介質(zhì)折射率的比值兩種方法來得到高品質(zhì)的濾波器。但是增 加光子晶體周期數(shù)目將會(huì)增大濾波器的體積，很明顯不利于光子集成回路的實(shí)現(xiàn)，增大兩 種介質(zhì)折射率的比值反而受到材料的限制。
[0004] 通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)查新檢索發(fā)現(xiàn)，陳海波等(兩端對(duì)稱負(fù)折射率缺陷復(fù)合光 子晶體:多通道濾波和光開關(guān)，光學(xué)技術(shù)，2011，第6期)采用傳輸矩陣法對(duì)兩端對(duì)稱負(fù)折射 率缺陷復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)[D(AB)mD]N的透射特性進(jìn)行了研究，引入了負(fù)折射率缺陷層，調(diào) 節(jié)周期和負(fù)折射率能達(dá)到一定的濾波目的。然而其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，光學(xué)性能不易控制，具有 一定的局限性。賀芝宇等(基于光子晶體帶隙特性的反射式多通道濾光片設(shè)計(jì)，光學(xué)學(xué)報(bào)， 2014,第2期)利用含缺陷一維光子晶體獨(dú)特的帶隙特性，依據(jù)其相應(yīng)的能帶理論，設(shè)計(jì)了一 種由金屬和介質(zhì)組成的反射式多通道濾光片。運(yùn)種濾光片通道的工作范圍由光子帶隙理論 計(jì)算得到，通道個(gè)數(shù)由"光子晶體"缺陷的周期數(shù)決定，通道的位置利用等效相位厚度的方 法確立，但是該多通道濾波器使用了金屬材料，金屬材料的損耗比較大，很難避免。李文勝 等(基于含滲雜半導(dǎo)體復(fù)合光子晶體的太赫茲多通道濾波器，人工晶體學(xué)報(bào)，2013,第3期） 通過GaAs和Ti02兩種材料的交替排列形成一定周期數(shù)的光子晶體結(jié)構(gòu)，在透射譜中獲得多 透射峰，從而實(shí)現(xiàn)多通道濾波，進(jìn)而通過兩段相同結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)形成復(fù)合光子晶體來降低各 透射峰的半高全寬。該濾波器受到兩種材料折射率的局限，調(diào)諧范圍小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠靈 活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體的多通道濾波器，該濾波器可 W克服現(xiàn)有光子晶體多通道濾波器中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光學(xué)性能不易控制、損耗高、不可靈活設(shè)計(jì) 等缺點(diǎn)，可W很簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)光通信范圍內(nèi)多通道濾波，并滿足光通信、光存儲(chǔ)及信息處理等 方面的應(yīng)用要求。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種基于多孔娃光子晶體的多通道濾波 器，包括光學(xué)基底材料，還包括多孔娃光子晶體多層膜，所述多孔娃光子晶體多層膜由兩種 不同多孔率的多孔娃A、B通過其中一種多孔娃層的物理厚度變化而形成調(diào)嗽結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)單元 并重復(fù)N個(gè)周期來構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)表示為[A/B1/A/B2/. . ./A/Bi ]N，其中，A表示每個(gè)周期中多孔 娃A層為固定層，Bi，B2…，Bi表示每個(gè)周期中多孔娃B層的物理厚度變化形成的各變化層，i 為結(jié)構(gòu)參數(shù)，N為周期數(shù)，所述多孔娃A、B根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理制備，通過調(diào)節(jié)多孔娃光子晶 體多層膜的物理厚度、結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射角，可獲得需要的多通道濾波器，多通道濾波器的通 道數(shù)可通過改變周期數(shù)N來調(diào)節(jié)。
[0007] 所述每個(gè)周期中多孔娃B的Β1，Β2···Βι層對(duì)應(yīng)的物理厚度bi，b2…，bi成等差數(shù)列排 列。
[0008] 所述多孔娃的多孔率和物理厚度與電化學(xué)陽極腐蝕的電流密度、腐蝕時(shí)間和腐蝕 液濃度相關(guān)，腐蝕液由HF和無水乙醇的混合液組成，體積比為1:1，HF為40 %的水溶液，電流 密度為10~lOOmA/cnf2,腐蝕時(shí)間為1~35s。
[0009] 所述多孔娃A層的多孔率化的范圍為5% <化< 47%。
[0010] 所述多孔娃B層的多孔率pb的范圍為34%含pb含86%。
[0011] 所述多孔娃A層的物理厚度a取值范圍為80nm < a < 200nm。
[001^ 所述多孔娃B的Bi層的物理厚度bi取值范圍為SOnm^l。00皿，公差d的取值范圍 為 lOOnm < d < 260nm。
[OOU] 所述入射角白的取值范圍為0。<白含65.66。。
[0014] 所述多通道濾波器的通道數(shù)等于周期數(shù)N-1。
[0015] 所述多通道濾波器的工作頻率范圍可調(diào)節(jié)到通用光通信頻率為1.67~3.75 X 1014Hz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為800nm~1700nm，滿足光通信的要求。
[0016] 本發(fā)明的原理在于:所提供的基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體的多通道濾波器中，光波 在周期性光子晶體結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)受到折射率周期性的調(diào)制，最終導(dǎo)致某些在其頻率范圍內(nèi) 的光波的傳播受到抑制而無法通過(即光子晶體的帶隙特性），從而在輸出光譜中形成光子 禁帶?？蒞發(fā)現(xiàn)，在透射譜中出現(xiàn)較大的光子禁帶和一個(gè)由一些子透射峰組成高透射窗口。 優(yōu)化處理其結(jié)構(gòu)參數(shù)，透射譜中將具有較高的邊帶抑制和多個(gè)較窄帶隙，可見該濾波器與 普通的濾波器比較性能較好。在該基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體多通道濾波器中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié) 介質(zhì)的厚度參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)i和入射角Θ，可W得到所需要的多通道濾波器，各個(gè)透射峰的透 射率十分接近100%，品質(zhì)因數(shù)也比較高。
[0017] 本發(fā)明的基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體多通道濾波器的制備方法是脈沖電化學(xué)陽極 腐蝕法，具體是用計(jì)算機(jī)編程語言LabVIEW產(chǎn)生控制序列，生成具有一定占空比和脈沖周期 的脈沖信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集通道傳遞給PCI6024數(shù)據(jù)采集卡，所產(chǎn)生的脈沖電壓施加到電化 學(xué)腐蝕槽上，改變計(jì)算機(jī)程序中的控制序列參數(shù)可W精確地控制電化學(xué)陽極腐蝕的電流密 度和有效腐蝕時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)該濾波器的制備。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0019] 1、本發(fā)明的光子晶體多通道濾波器中沒有引入缺陷，利用光子晶體的帶隙特性， 優(yōu)化處理其結(jié)構(gòu)參數(shù)，透射譜中將具有較高的邊帶抑制和多個(gè)高透射窗口，透射峰的透射 率十分接近100%，而且具有較高的品質(zhì)因數(shù)；
[0020] 2、本發(fā)明的光子晶體多通道濾波器中使用的多孔娃材料價(jià)格低廉，光學(xué)性質(zhì)優(yōu) 良，可使用脈沖電化學(xué)陽極腐蝕的方法制備，多孔娃的多孔率完全取決于電化學(xué)陽極腐蝕 的電流密度，多孔娃層的厚度由腐蝕時(shí)間決定，而多孔娃的折射率取決于多孔率，高多孔率 對(duì)應(yīng)著低折射率，低多孔率對(duì)應(yīng)著高折射率，所W折射率的范圍比較大，具有靈活設(shè)計(jì)的特 性；
[0021] 3、該調(diào)嗽多孔娃光子晶體濾波器與二維、Ξ維光子晶體及傳統(tǒng)的濾波器相比，審U 備工藝簡(jiǎn)單，可靠性好，損耗低，可調(diào)諧范圍大。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體多通道濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為i = 2時(shí)，基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體多通道濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3為i = 3時(shí)，基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體多通道濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4為i = 2，N = 10時(shí)的9通道濾波器的透射光譜圖。
[0026] 圖中：1-多孔娃A層，21-多孔娃Bi層，22-多孔娃B2層，2i-多孔娃Bi層，3-入射角目， 23-多孔娃B3層。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0028] 基于調(diào)嗽多孔娃光子晶體的多通道濾波器，其結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)基底材料(光學(xué)基 片）和多孔娃光子晶體多層膜(光子晶體膜)兩部分構(gòu)成。如圖1所示，多孔娃光子晶體多層 膜是由N個(gè)周期的不同孔隙率的多孔娃A、B構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)表示為[A/B1/A/B2/. . ./A/Bi]n，不 同孔隙率的多孔娃A層1和B層的折射率不同，每個(gè)周期中A層的物理厚度a為固定值，而由多 孔娃Bi層21、B2層22、Bi層2i構(gòu)成的B層的物理厚度bi，b2-，bi成等差數(shù)列排列，使用電化學(xué)陽 極腐蝕法制備多孔娃光子晶體，在多孔娃的形成過程中，多孔娃的多孔率和厚度取決于電 化學(xué)陽極腐蝕的電流密度和腐蝕時(shí)間。入射光波W入射角Θ開始傳輸。
[0029] 通過電化學(xué)腐蝕法制備多孔娃:采用P+型單晶娃，電阻率為（1~2)Χ10-2Ω . cm， 厚度為420μπι。電解腐蝕槽為聚四氣乙締單槽結(jié)構(gòu)，娃片為陽極，銅片為陰極。對(duì)經(jīng)過清洗后 的單晶娃片進(jìn)行電化學(xué)腐蝕。腐蝕液由HF和無水乙醇的混合液組成，體積比為1:1，HF為 40 %的水溶液。通過使用計(jì)算機(jī)Labview程序，交替改變電流密度和腐蝕時(shí)間。在室溫條件 下對(duì)單晶娃進(jìn)行腐蝕。首先對(duì)高折射率多孔娃A層進(jìn)行腐蝕，電流密度為40mA/cnf2,腐蝕時(shí) 間為15s，然后對(duì)高折射率多孔娃B層進(jìn)行腐蝕，電流密度為80mA/cnr2，腐蝕速率為1.2μπι/ min,不同物理厚度的Bi層Β2層…扣層構(gòu)成的Β層的腐蝕時(shí)間如表1所示。為保證每一層相對(duì) 均勻，及時(shí)補(bǔ)充氣離子的濃度，在每一層形成后電流停頓3s。其中電化學(xué)腐蝕得到的多孔娃 A、B層的孔隙率化=25%，Pb = 67.6%，分別對(duì)應(yīng)的等效折射率na = 2.8、nb = 1.5，多孔娃A層 對(duì)應(yīng)的厚度為a = 100nm。
[0030] 表1多孔娃B(Bi，B2，B3)層的腐蝕時(shí)間
[0031]
[0032] 實(shí)施例1
[0033] 選取bi = 160nm，公差d=120nm，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)i = 2時(shí)，多孔娃B(Bi，B2)層厚度分別bi = 160nm、b2 = 280nm，入射角白=0。，其結(jié)構(gòu)為[A/Bi/A/B2]n，如圖2所示，當(dāng)N=10時(shí)，可得到9 通道透射光譜圖，如圖4所示。當(dāng)i = 3時(shí)，多孔娃B(Bi，B2，B3)層厚度分別為bi = 160nm、b2 = 280nm和b3 = 400nm，結(jié)構(gòu)為[A/B1/A/B2/A/B3 ] N，如圖3所示。對(duì)得到的不同周期下多通道濾波 器的通道數(shù)和濾波范圍進(jìn)行比較，如表2所示。
[0034] 觀察圖4可發(fā)現(xiàn)，9通道濾波器透射譜中各個(gè)透射峰的透射率均接近100 %，而且分 析表2可知，當(dāng)i相同，周期數(shù)不同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，濾波范圍不變，通道個(gè)數(shù)等于N-1，則可W通過 選擇周期數(shù)，得到所需多通道濾波器；當(dāng)i取值較大時(shí)，濾波范圍變窄，通道間隔變窄，有較 高的品質(zhì)因數(shù)，因此通過可W調(diào)節(jié)i的取值，得到較高品質(zhì)多通道濾波器。多通道濾波器的 濾波范圍滿足光通信對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍（800皿~1700皿），透射率高，符合光通信W及光存儲(chǔ) 和信息處理方面應(yīng)用要求。
[0035] 表2 i取2、3和N不同時(shí)，多通道濾波器的通道數(shù)和濾波范圍
[0036]
[0037] 實(shí)施例2
[003引選取1 = 2,則其結(jié)構(gòu)為[A/Bi/A/化]N，選取周期數(shù)N為10,目=0。。
[0039] 對(duì)于B層，Bi厚度bi為固定值，分別當(dāng)公差d = 120nm、d = 160皿、d = 200皿時(shí)，可得到 透射率接近100%的不同濾波范圍的9通道透射光譜，通道個(gè)數(shù)同樣等于N-1，分析比較d取 不同值時(shí)的濾波范圍，如表3所示?？蒞發(fā)現(xiàn)，bi不變，公差d變大，導(dǎo)致濾波范圍變寬，整體 發(fā)生紅移。
[0040] 對(duì)于B層，公差d為固定值，當(dāng)bi分別為160nm、200nm和240nm時(shí)，將得到不同濾波范 圍的濾波器的透射光譜，分析比較bi取不同值時(shí)的濾波范圍，如表3所示?？砂l(fā)現(xiàn)，d不變，bi 增大，將導(dǎo)致濾波范圍變寬，整體發(fā)生紅移。
[0041] 因此設(shè)計(jì)多通道濾波器時(shí)可W根據(jù)實(shí)際濾波范圍需求調(diào)節(jié)d和bi的取值。
[0042] 表3 bi、d不同時(shí)，多通道濾波器的濾波范圍
[0043]
[0044]
[0045] 實(shí)施例3
[0046] 選取1 = 2時(shí)，其結(jié)構(gòu)為[A/Bi/A/B2]n，周期數(shù)N為10,多孔娃B(Bi，B2)層厚度分別bi = 160nm、b2 = 280nm。入射角Θ取值范圍為0。< Θ < 65.66。，入射角Θ分別為15。、30。、45。和 60%同樣可得到的透射率接近100%的多通道濾波器的透射光譜，其透射光譜的濾波范圍 如表4所示?？蒞發(fā)現(xiàn)，隨著入射角Θ的增大，濾波范圍變窄，通道間隔將變窄，整體將發(fā)生藍(lán) 移。因此可W根據(jù)實(shí)際濾波需求，在0°~65.66°范圍內(nèi)選擇合適的入射角Θ。
[0047] 表4入射角度Θ不同時(shí)，多通道濾波器的濾波范圍 [004引
[0049] W上僅為對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在 不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變 形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，包括光學(xué)基底材料，其特征在于:還 包括多孔硅光子晶體多層膜，所述多孔硅光子晶體多層膜由兩種不同多孔率的多孔硅A、B 通過其中一種多孔硅層的物理厚度變化而形成啁嗽結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)單元并重復(fù)N個(gè)周期來構(gòu)成， 其結(jié)構(gòu)表示為[A/BVA/B2/. . . /A/Bi]N，其中，A表示每個(gè)周期中多孔硅A層為固定層，， 82-31表示每個(gè)周期中多孔硅B層的物理厚度變化形成的各變化層，i為結(jié)構(gòu)參數(shù)，N為周期 數(shù)，所述多孔硅A、B根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理制備，通過調(diào)節(jié)多孔硅光子晶體多層膜的物理厚 度、結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射角Θ，可獲得需要的多通道濾波器，多通道濾波器的通道數(shù)可通過改變 周期數(shù)N來調(diào)節(jié)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述每個(gè)周期中多孔硅B的層對(duì)應(yīng)的物理厚度bi，b 2…，bi成等差數(shù)列排列。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述多孔硅的多孔率和物理厚度與電化學(xué)陽極腐蝕的電流密度、腐蝕時(shí)間和腐蝕液濃度相 關(guān)，腐蝕液由HF和無水乙醇的混合液組成，體積比為1:1，HF為40 %的水溶液，電流密度為10 ~100mA/cm-2，腐蝕時(shí)間為1~35s。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述多孔娃A層的多孔率范圍為5% < pa < 47%。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述多孔硅B層的多孔率Pb的范圍為34% < pb < 86%。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述多孔娃A層的物理厚度a取值范圍為80nm < a < 200nm〇7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述多孔硅郎仙!層的物理厚度h取值范圍為80腦^ 1^ 30011111，公差(1的取值范圍為10011111 < d < 260nm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述入射角Θ的取值范圍為0 < Θ < 65.66°。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其特征在于： 所述多通道濾波器的通道數(shù)等于周期數(shù)N-1。10. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的一種基于啁嗽多孔硅光子晶體的多通道濾波器，其 特征在于：所述多通道濾波器的工作頻率范圍可調(diào)節(jié)到通用光通信頻率為1.67~3.75 X 1014Ηζ，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為800nm~1700nm，滿足光通信的要求。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK105842785SQ201610340016
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】陳穎, 田亞寧, 朱奇光, 趙志勇, 羅佩
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)