專利名稱：異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子 晶體結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
Yablonovitch E. Inhabited spontaneous emission in solid-state physics and electronics. / 齡.Ze". ， 1987， 58(20): 2059-2062
在研究抑制自發(fā)輻射時(shí)，提出了光子晶體的概念。幾乎同時(shí)，JohnS. Strong localization of photons in certain disordered dielectric s叩er-lattices. / 尸力ys,紐Ze"., 1987， 58 (23): 2486-2489; Yablonovitch E. Gmitter T. Phot6nic band structure: the face-centered-cubic case employing nonspherical atoms.,尸力j^s, vfer. Ze".， 1991， 67: 2295-2298在討論光子局域時(shí)也獨(dú)立地提出了這個(gè)概念。 所謂光子晶體就是一種由介電常數(shù)不同的介質(zhì)材料在空間上周期性變化的 人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于介質(zhì)對(duì)光的折射率呈周期性分布，光波在其中傳播時(shí) 會(huì)受到調(diào)制，其色散關(guān)系呈帶狀分布，出現(xiàn)不連續(xù)的光子能帶，能帶的間 隙為光子禁帶或帶隙(簡(jiǎn)稱PBG)。光子晶體從空間結(jié)構(gòu)上可分為一維、二維 和三維光子晶體。 一維光子晶體是最簡(jiǎn)單的一種結(jié)構(gòu)，它是由具有不同折 射率的單層膜經(jīng)交替變化而組成的光學(xué)多層薄膜，頻率處于光子帶隙范圍 內(nèi)的電磁波不能在其中傳播。特別是，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的一維光子晶體結(jié)構(gòu) 可具有全向能隙性質(zhì)(Fink， Winn J N, Fan Setal. A dielectric omnidirectional reflector. 5Ycj'e/ ce, 1998, 282(5398): 1679-1682),這使得一維光子晶體的應(yīng)用前景更為廣闊，因而成為當(dāng)前的 熱點(diǎn)研究課題之一。
傳統(tǒng)的一維介電光子晶體的帶隙不寬、帶內(nèi)反射不強(qiáng)，特別是禁帶受 角度、極化的影響很大。為了獲得更寬的光子帶隙，人們嘗試了多種結(jié)構(gòu)， 如一維二元和三元結(jié)構(gòu)、圓形分布、準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)、非關(guān)聯(lián)無(wú)序結(jié)構(gòu)、金屬/ 介質(zhì)結(jié)構(gòu)等(寧學(xué)峰，榮垂才,閆珂柱.介質(zhì)折射率對(duì)一維三元光子晶體帶隙 的影響.量子光學(xué)學(xué)報(bào)，2006， 12(1): 53-57;寧學(xué)峰，閆珂柱.對(duì)一維光 子晶體帶隙變化規(guī)律的研究.激光雜志，2004， 25(4): 43-45;王利，王占 山，吳永剛，王少偉，陳玲燕.具有禁帶展寬特性的一維光子晶體.光子學(xué)報(bào)， 2004， 33(2): 229-231;蔣美萍，王旭東，巢小剛.準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)一維光子晶體的帶隙特性與濾波特性.量子電子學(xué)報(bào)，2005， 22(6): 884-888;謝應(yīng)茂.一 維光子晶體中厚度無(wú)序?qū)鈧鬏斕匦缘挠绊?贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005， 3: 12-14;高強(qiáng)，閆敦豹，袁乃昌. 一維金屬一介質(zhì)光子晶體的特性.國(guó)防科技 大學(xué)學(xué)報(bào)，2005， 27(4): 45-47)，并進(jìn)行了大量的帶隙拓寬研究。比如， 將具有不同周期的一維光子晶體組合形成所謂一維"異質(zhì)結(jié)構(gòu)"光子晶 體，可獲得超寬的光子帶隙(X Wang. Enlargement of omnidirectional total reflection frequency range in one dimensional photonic crystals by using photonic hetreostructures. Ze".,
2002， 80 (23) : 1-4293; Wang Li， Wang Zhan-shan " a丄Enlargement of the Nontransmission Frequency Range of Multiple—channeled Filters by the Use of Heterostructures. /粉丄尸/ 7s. Ze"., 2004， 95(2): 424-426; Q Qin et al. Resonance transmission modes in dual-periodical dielectric multilayer films. /粉丄2003， 82: 4654; 鄧立兒，王永生,徐征，王東棟，張春秀，韓笑.寬頻帶一維三元光子晶體異質(zhì) 結(jié)構(gòu)全方向反射鏡.光電技術(shù)與系統(tǒng)文選，2005: 21-25)。另一方面，受 半導(dǎo)體摻雜效應(yīng)的啟發(fā)，在周期性多層膜中夾雜一層或多層，構(gòu)成缺陷層， 導(dǎo)致帶隙內(nèi)出現(xiàn)缺陷模，可用于濾波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化由缺陷結(jié)構(gòu)和周期結(jié)構(gòu)組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)， 從而獲得寬帶隙的一維光子晶體，在保持光子帶隙性能幾乎不受影響的情 況下，可大大減少疊加結(jié)構(gòu)的總層數(shù)，這對(duì)于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、節(jié)約制備成 本具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的提供一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其特征在 于由缺陷結(jié)構(gòu)和周期結(jié)構(gòu)組成。
所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其特征在于以折射率為％^=1.51的 玻璃作為基體材料，以光學(xué)厚度為V4的Ti02和Si02薄膜為組份單元，分 別用H和L表示，各組份薄膜的物理厚度是以^=550nm為參考波長(zhǎng)確定， 周期結(jié)構(gòu)由Ti02和Si02介質(zhì)有規(guī)則地交替排列組成，含有48個(gè)組份單元， 即(LHfS缺陷結(jié)構(gòu)是以周期結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)造的，將其均分為二，再將第 二部分首尾倒置后重新放在一起，于是兩個(gè)相同H單元在中間形成一個(gè)厚 度為V2的缺陷層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明以Si02和Ti(V薄膜為組份，制備異質(zhì)結(jié)構(gòu) 子晶體樣品并測(cè)試了其光學(xué)性能，對(duì)帶隙拓寬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
將周期結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)組合成"異質(zhì)結(jié)構(gòu)"，利用周期結(jié)構(gòu)的光子帶隙 彌補(bǔ)缺陷模態(tài)，可獲得寬帶隙。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保持光子帶隙性能幾乎 不受影響的情況下，可大大減少疊加結(jié)構(gòu)的總層數(shù)，這對(duì)于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、 節(jié)約制備成本具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。


圖l是本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體結(jié)構(gòu)組成框圖。 圖2是本發(fā)明異質(zhì)結(jié)構(gòu)、周期結(jié)構(gòu)光子晶體反射譜圖。
圖3是不同周期數(shù)周期結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射譜。 圖4實(shí)驗(yàn)測(cè)試的缺陷結(jié)構(gòu)(a)、周期結(jié)構(gòu)(b)光子晶體的反射譜 圖5異質(zhì)結(jié)構(gòu)反射譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比。 附圖符號(hào)說(shuō)明
圖1中介質(zhì)L介質(zhì)H 周期結(jié)構(gòu)M 缺陷結(jié)構(gòu)N 圖2中(a)為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)果，(b)圖為周期結(jié)構(gòu)的結(jié)果 圖3中(a) (d)中的周期數(shù)分別是24， 12， 6和3 圖4中實(shí)驗(yàn)測(cè)試的缺陷結(jié)構(gòu)(a)、周期結(jié)構(gòu)(b)光子晶體的反射譜 圖5中實(shí)心方塊連線為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，空心三角連線為計(jì)算結(jié)果。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體樣品
本發(fā)明的解決方案以實(shí)驗(yàn)制備的Si02、 Ti02薄膜性能參數(shù)為依據(jù)，通過(guò)
傳輸矩陣方法對(duì)由二者構(gòu)成的一維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) 在結(jié)構(gòu)里引入缺陷層，帶隙內(nèi)出現(xiàn)缺陷模，而且原帶隙的頻率范圍擴(kuò)大。 據(jù)此，若通過(guò)帶隙疊加方法將缺陷模消除，有望得到增寬的光子帶隙。這 為打破一維光子晶體的帶隙寬度受材料折射率對(duì)比度的限制提供了新的思 路。
1結(jié)構(gòu)模型及研究方法簡(jiǎn)介
光子晶體以光學(xué)厚度為入/4的Ti02和Si02薄膜為組份單元，分別用H 和L表示，入為參考波長(zhǎng)。周期結(jié)構(gòu)由Ti02和Si02介質(zhì)有規(guī)則地交替排列 組成，含有48個(gè)組份單元[g卩[(LH)24]。缺陷結(jié)構(gòu)是以周期結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái) 構(gòu)造的。比如，將其均分為二，再將第二部分首尾倒置后重新放在一起， 于是兩個(gè)相同H單元在中間形成一個(gè)厚度為入/2的缺陷層。若將周期結(jié)構(gòu) 繼續(xù)等分，再按類似方法，可以構(gòu)造出不同缺陷數(shù)目的結(jié)構(gòu)。我們將周期結(jié)構(gòu)和缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組合，得到所謂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其結(jié)構(gòu) 模型如圖l所示。
懶正矩陣可以表示為
卩 cos(A)v,s,) 刷/0、 0
cos⑧00
00
、o.0
(1)
由光學(xué)傳輸矩陣?yán)碚揫15]可知，整個(gè)光子晶體的特征矩陣可以表示為
尸=:r力恭斧
卩尸 化《P、
尸23《4
、《1r斜乂
(2)
進(jìn)一步可得其反射矩陣和透射矩陣元素-
1
」
、「r
_伊
(3)
Z二
4《也
、,H、
力《《4+te+fe
A c乂
(4)
其中，a!，2-iii(ntPu-cos Y tP22)±cos Y i (ntPu-cos Y tP21); 、2= (niP22±cos Y jP21)/ nt;
a3，4=(ntP13-cos Y tP23) ± rijcos Y i(ntP!4-cos Y tP24);
b3,(P23Tn'cos"P24)/nt; .
a5,6=ni(ntcos Y tP32- P42)±cos Y i (ntcos Y tP31- P41) ; b5，6= niP32±cos Ya7,8= (ntcos Y tP33- P43)±niCOS Y i (ntcos Y tP14- P44); b78= 1^32 Tcos;^P34 在垂直入射條件下，反射率和透射率為 '
R= I rss I 2= I rpp i 2 (5)
T= I tss I 2= hPP I 2 (6)
考慮到一維光子晶體(多層膜)通常附于基體，我們選玻璃作為基體 材料，其折射率為nglass=1.51。通過(guò)射頻磁控濺射方法制備了 Ti02和Si02 薄膜，領(lǐng)B式了它們的透射光譜和折射率?？紤]到介質(zhì)的色散性，
通過(guò)擬合獲得Ti02和Si02的折射率n,、 &分別為
A—413.65141
% (義)二 1.40765 - 0.01624 /(1 + e 53馬)
一義 —;l
AW = 2.02115 + 0.91558 x ^， + 0.91558 x 一6扁
+ 0.91558 xe16656275
本文研究光波垂直于光子晶體表面入射的情況。各組份薄膜的物
理厚度是以^=550nm為參考波長(zhǎng)，并結(jié)合薄膜在此處的實(shí)際折射率來(lái)確定 的。
2結(jié)果與討論 . 2.1帶隙拓寬
通過(guò)將兩種不同厚度周期的光子晶體的本征帶隙進(jìn)行疊加，是獲得超 寬帶隙及全方向能隙的一種有效方法。那末，將其中一個(gè)周期結(jié)構(gòu)改為含 缺陷的結(jié)構(gòu)，是否也能獲得寬帶隙呢？我們對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果 表明，答案是肯定的。將周期結(jié)構(gòu)a勸27glass與含7個(gè)缺陷模的結(jié)構(gòu) [U勸30^)3]7glass(二者的總層數(shù)均相當(dāng)于48個(gè)組份單元)復(fù)合得到異質(zhì) 結(jié)構(gòu)(具有96個(gè)組份單元)，并對(duì)垂直入射光的反射譜進(jìn)行了理論計(jì)算， 結(jié)果見圖2(a)。為了便于對(duì)比，周期結(jié)構(gòu)反射譜也一起置于圖中(圖2(b))。由圖可見，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子帶隙寬度約為273nm，而周期結(jié)構(gòu)的帶寬僅為 134mn，前者是后者的二倍多?？梢钥闯觯愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的帶隙寬度明顯寬于周 期結(jié)構(gòu)的帶隙寬度。也就是說(shuō)，復(fù)合而得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶隙寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周 期結(jié)構(gòu)的，說(shuō)明通過(guò)這種結(jié)構(gòu)復(fù)合可以使帶隙拓寬。
事實(shí)上，將其它含有不同缺陷數(shù)目(小于7)的缺陷結(jié)構(gòu)與周期結(jié)構(gòu)相 結(jié)合，也可以獲得類似的結(jié)果，只是帶隙拓寬的程度相應(yīng)小一些。這種帶 隙拓寬的原理是利用缺陷模態(tài)使原光子帶隙邊沿向兩邊擴(kuò)展，同時(shí)用周期 結(jié)構(gòu)的帶隙去彌補(bǔ)這些缺陷模態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)帶隙的增寬。由于缺 陷模態(tài)的波長(zhǎng)范圍隨缺陷數(shù)量的增大而增寬，因此，在疊加時(shí)應(yīng)該注意缺 陷模態(tài)的波長(zhǎng)范圍須小于周期結(jié)構(gòu)帶隙的寬度。 2.2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
利用結(jié)構(gòu)疊加使帶隙增寬這種方法也存在一個(gè)問(wèn)題，那就是兩種結(jié)構(gòu) 疊加會(huì)使總的結(jié)構(gòu)厚度增倍，這會(huì)大大增加生產(chǎn)成本和難度。所以有必要 對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
在疊加結(jié)構(gòu)中，保持含7個(gè)缺陷層的結(jié)構(gòu)不變，而將周期結(jié)構(gòu)的層數(shù) 從24對(duì)逐漸減少到3對(duì)，其反射譜如圖3。從該圖可以看出，周期數(shù)從24 減到12時(shí)，帶隙的寬度和高反射率幾乎不受影響(如圖中(b))。當(dāng)周期 結(jié)構(gòu)的層數(shù)減少到6對(duì)時(shí)(如圖中(c))，光子帶隙內(nèi)出現(xiàn)了 7個(gè)小凹溝， 它們與缺陷結(jié)構(gòu)的缺陷模相對(duì)應(yīng)，這是由于周期結(jié)構(gòu)減少到一定程度時(shí)， 對(duì)缺陷模的補(bǔ)償不夠而產(chǎn)生的。繼續(xù)減少周期結(jié)構(gòu)的層數(shù)到3對(duì)，這種補(bǔ) 償不足的現(xiàn)象更明顯，表現(xiàn)為更深的凹溝，如(d)圖。這些結(jié)果說(shuō)明，周期 結(jié)構(gòu)的層數(shù)也不能無(wú)限制地減少。但我們可以根據(jù)需要，適當(dāng)減少異質(zhì)結(jié) 構(gòu)中周期結(jié)構(gòu)的周期數(shù)，通過(guò)優(yōu)化使整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度得以減少，這對(duì)于光 子器件的實(shí)際制備和應(yīng)用是非常有利的。 2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在周期結(jié)構(gòu)數(shù)目減少而仍然能獲得帶隙的拓寬，我們 分別制備了(LHr周期結(jié)構(gòu)、[(LH)2(HL)T缺陷結(jié)構(gòu)、由它們組合而成的異 質(zhì)結(jié)構(gòu)(LH"[(LH)2(HUT樣品，并測(cè)試了它們的反射譜。圖4給出了周期 結(jié)構(gòu)和缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，圖5是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射譜結(jié)果，為便于 比較，我們?cè)趫D5中也同時(shí)給出了理論計(jì)算結(jié)果。
圖5中高反射區(qū)(光子帶隙區(qū)域)內(nèi)，有一些向下凹的小溝，這是由 于實(shí)際制備的結(jié)構(gòu)周期數(shù)較少，對(duì)光的干涉不夠而引起的。不過(guò)這些凹溝 處仍然保持高的反射率，所以它們并不影響帶隙的寬度。由圖4、 5可知， 周期結(jié)構(gòu)光子晶體的帶隙寬度只有147nm，而異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體的帶隙范圍為413nm 829nm，寬度為416nm，很明顯帶隙寬度增大了兩倍多?？梢?， 將周期結(jié)構(gòu)和缺陷結(jié)構(gòu)組合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)增大光子帶隙的寬度，是可行的， 這是一種簡(jiǎn)單、易行、有效的增寬光子帶隙的方法。實(shí)驗(yàn)獲得的反射譜與 計(jì)算結(jié)果基本吻合，這不但從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以拓寬光子晶體的性 能，而且在保持帶寬基本不變的情況下，允許減少結(jié)構(gòu)的總厚度。這樣可 以大大減小寬帶隙光子晶體的制備難度、降低制備成本，對(duì)于其實(shí)際生產(chǎn) 和應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。 3. 結(jié)論
將周期結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)組合成"異質(zhì)結(jié)構(gòu)"，利用周期結(jié)構(gòu)的光子帶 隙彌補(bǔ)缺陷模態(tài)，能獲得寬帶隙。由24對(duì)Si02和Ti02薄膜組成的周期結(jié)構(gòu) 與含7個(gè)缺陷層的結(jié)構(gòu)組合后，帶隙寬度從134nm增大到273nm。在保持光 子帶隙性能幾乎不受影響的情況下，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)可大大減少結(jié)構(gòu)的總層 數(shù)。但當(dāng)周期結(jié)構(gòu)層數(shù)繼續(xù)減小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致對(duì)光的干涉不足，可根據(jù)實(shí)際 需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將"異質(zhì)結(jié)構(gòu)"中周期結(jié)構(gòu)的層數(shù) 減半，基本不影響光子帶隙的寬度。這對(duì)于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、節(jié)約制備成本 具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
權(quán)利要求
1、一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其特征在于由缺陷結(jié)構(gòu)和周期結(jié)構(gòu)組成。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其特征在 于以折射率為nglass=1.51的玻璃作為基體材料，以光學(xué)厚度為X/4的 Ti02和Si02薄膜為組份單元，分別用H和L表示，各組份薄膜的物 理厚度是以 wr550nm為參考波長(zhǎng)來(lái)確定的，周期結(jié)構(gòu)由Ti02和Si02 介質(zhì)有規(guī)則地交替排列組成，含有48個(gè)組份單元，即(LH,;缺陷 結(jié)構(gòu)是以周期結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)造的，將其均分為二，再將第二部分 首尾倒置后重新放在一起，于是兩個(gè)相同H單元在中間形成一個(gè)厚 度為A72的缺陷層。 '
全文摘要
本發(fā)明公開一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，由缺陷結(jié)構(gòu)和周期結(jié)構(gòu)組成，玻璃作為基體材料，以光學(xué)厚度為λ/4的TiO₂和SiO₂薄膜為組份單元，分別用H和L表示，各組份薄膜的物理厚度是以λ₀＝550nm為波長(zhǎng)，周期結(jié)構(gòu)由TiO₂和SiO₂介質(zhì)有規(guī)則地交替排列組成，含有48個(gè)組份單元，即(LH)²⁴；缺陷結(jié)構(gòu)是以周期結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)造的，將其均分為二，再將第二部分首尾倒置后重新放在一起，于是兩個(gè)相同H單元在中間形成一個(gè)厚度為λ/2的缺陷層。通過(guò)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保持光子帶隙性能幾乎不受影響的情況下，可大大減少疊加結(jié)構(gòu)的總層數(shù)，這對(duì)于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、節(jié)約制備成本具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
文檔編號(hào)C30B29/22GK101597799SQ20091006947
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者侯興剛, 吉亞萍, 清 徐, 楓 王, 王明霞, 杰 趙, 黃美東 申請(qǐng)人:天津師范大學(xué)