一种窄带光滤波器及全光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种窄带光滤波器及全光二极管。窄带光滤波器包括：第一、第二光子晶体平板；其中，第一、第二光子晶体平板均为由厚度均匀的硅层和二氧化硅层交替叠放构成的一维光子晶体；第一、第二光子晶体平板贴合在一起构成满足光学拓扑界面态激发条件的一维光子晶体异质结；光学拓扑界面态的激发表现为在第一、第二光子晶体平板的共同带隙中出现尖锐的透射峰，而两侧边带的透射率仍然为零，从而实现窄带滤波功能；透射峰的中心波长即为光滤波器的工作波长，带宽即为光滤波器的工作带宽。全光二极管包括上述滤波器和平面光栅，平面光栅贴合在光子晶体异质结构的一端。光栅用来基于其对光的衍射而控制拓扑界面态的激发，从而实现光的单向传输。

【技术实现步骤摘要】
一种窄带光滤波器及全光二极管
本专利技术涉及光的滤波技术和单向传输技术，特别涉及窄带光滤波器和全光二极管，属于光通信和光计算领域。
技术介绍
全光二极管是通过采用特殊的光学材料或借助特定的光学效应打破光传输的时间反演对称性，使得光信号在一个方向上通过，而在相反的方向则很少或基本不通过的，类似集成电路中的电二极管，是实现光计算、光互联和超快信息处理的关键元件。目前，基于磁光效应、光学非线性效应、时空调制技术可以实现全光二极管，然而上述应用背景均要求全光二极管在低功率、易于集成的条件下实现，因此依赖强电磁场的磁光效应和光学非线性效应以及需要借助外电场实现调制的时空调制技术均不满足应用要求。鉴于此，在线性非磁光学系统中实现全光二极管便成为本领域亟需实现的目标。本专利技术在线性非磁性光学系统中实现了全光二极管，并同时实现了一种窄带光滤波器。
技术实现思路
为了克服现有技术的局限性，本专利技术利用光学拓扑界面态所拥有的独特的操控光传播行为的优势，基于两种不同结构的一维光子晶体构建了一维光子晶体异质结构，在该结构中实现了光学拓扑界面态的激发，从而实现了窄带光滤波器；同时，本专利技术进一步利用光学拓扑界面态的激发对入射光波矢法向分量的敏感性，引入光栅，实现了光的单向传输，即全光二极管。本专利技术提供的窄带光学滤波器与全光二极管具有结构小巧、不依赖强场、易于集成等优点。本专利技术的技术方案如下：一种窄带光滤波器，其包括：第一光子晶体平板和第二光子晶体平板；其中，第一光子晶体平板和第二光子晶体平板均为由厚度均匀的硅层和二氧化硅层交替叠放而构成的一维光子晶体，且第一光子晶体平板和第二光子晶体平板的结构参数不同；其中，第一光子晶体平板与第二光子晶体平板贴合在一起，构成一维光子晶体异质结构；其中，第一光子晶体平板和第二光子晶体平板的结构设计成具有位于相同频段且拓扑相相反的带隙，由此使一维光子晶体异质结构满足光学拓扑界面态激发的条件，以在第一光子晶体平板和第二光子晶体平板的共同带隙中激发所述光学拓扑界面态；光学拓扑界面态的激发表现为在第一光子晶体平板和第二光子晶体平板的共同带隙中出现尖锐的透射峰，而透射峰两侧边带的透射率仍然为零，从而实现窄带滤波功能；其中，透射峰的中心波长即为窄带光滤波器的工作波长，透射峰的带宽即为窄带光滤波器的工作带宽。优选地，第一光子晶体平板的硅层厚度为0.680μm、二氧化硅层厚度为0.815μm、周期数为5；第二光子晶体平板的硅层厚度为0.685μm、二氧化硅层厚度为1.290μm、周期也为5；硅的折射率为2.82，二氧化硅的折射率为1.46；窄带光滤波器的工作波长为1.53953μm、带宽为0.2nm，工作波长处的透射率为80％。一种全光二极管，其包括：第一光子晶体平板，第二光子晶体平板，以及平面光栅；其中，第一光子晶体平板和第二光子晶体平板均为由厚度均匀的硅层和二氧化硅层交替叠放而构成的一维光子晶体，且第一光子晶体平板和第二光子晶体平板的结构参数不同；其中，第一光子晶体平板与第二光子晶体平板贴合在一起，构成一维光子晶体异质结构；其中，第一光子晶体平板与第二光子晶体平板设计成具有位于相同频段且拓扑相相反的带隙，由此使一维光子晶体异质结构满足光学拓扑界面态激发的条件，以在第一光子晶体平板与第二光子晶体平板的共同带隙中激发光学拓扑界面态；光学拓扑态的激发表现为在第一光子晶体平板与第二光子晶体平板的共同带隙中出现尖锐的透射峰，而透射峰两侧边带的透射率仍然为零；其中，平面光栅是由硅材料构成的一维平面光栅，平面光栅的周期的方向与第一光子晶体平板和第二光子晶体平板的周期方向垂直；其中，平面光栅与第二光子晶体平板贴合在一起，用来基于平面光栅对光的衍射效应而控制拓扑界面态的激发，从而实现光的单向传输。优选地，第一光子晶体平板的硅层厚度为0.680μm、二氧化硅层厚度为0.815μm、周期数为5；第二光子晶体平板的硅层厚度为0.685μm、二氧化硅层厚度为1.290μm、周期数为5；硅的折射率为2.82，二氧化硅的折射率为1.46；平面光栅的光栅周期为1.6μm，栅条的宽度为0.800μm、厚度为0.767μm；从第一光子晶体平板一侧入射时，全光二极管的透射波长为1.53953μm、透射率为90％、带宽为0.2nm；从平面光栅一侧入射时，所述全光二极管的透射率为2％。本专利技术的有益效果是：利用本专利技术可以同时实现微纳尺寸的窄带光滤波器和全光二极管，两者具有结构简单、尺寸小，参数灵活可调、易于集成的优点。附图说明图1是根据本专利技术实施例1的窄带光滤波器的结构示意图；图2是根据本专利技术实施例1的一维光子晶体平板的能带结构图；图3是根据本专利技术实施例1的一维光子晶体平板的透射率谱；图4是根据本专利技术实施例1的一维光子晶体异质结构的透射谱；图5是根据本专利技术实施例1的光子晶体异质结构法向方向的电场强度和电场相对振幅分布；图6是根据本专利技术实施例2的全光二极管的结构示意图；图7是根据本专利技术实施例2的全光二极管正反向入射时的透射谱；图8是根据本专利技术实施例2的全光二极管正反向入射时结构内部的电场分布图；图9是根据本专利技术实施例2的全光二极管正反向入射时法向方向的电场相对振幅分布。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例和附图进一步阐述本专利技术的内容，但本专利技术的内容不局限于下面的实施例。实施例1：如图1所示，本专利技术提出的窄带光滤波器包括：第一光子晶体平板和第二光子晶体平板；其中，第一、第二光子晶体平板均为由厚度均匀的硅层和二氧化硅层交替叠放而构成的一维光子晶体，两者的结构参数设计成使两者能带结构中具有位于相同频段且拓扑相相反的带隙；第一、第二光子晶体平板贴合在一起，构成一维光子晶体异质结构；第一、第二光子晶体平板的上述能带结构使得一维光子晶体异质结构满足光学拓扑界面态激发的条件而在第一、第二光子晶体平板共同带隙中激发光学拓扑界面态，表现为在第一、第二光子晶体共同带隙中出现尖锐的透射峰，而透射峰两侧边带的透射率仍然为零，从而实现窄带滤波功能，透射峰的中心波长即为窄带光滤波器的工作波长，透射峰的带宽即为窄带光滤波器的工作带宽。一维光子晶体的能带结构可基于其色散关系式计算得到。色散关系式为：其中，q是沿硅层与二氧化硅层界面法向方向的布洛赫波矢；Λ是一维光子晶体的周期；ki＝niω/c，di,(i＝1或2)分别是硅层(i＝1)或二氧化硅层(i＝2)的波矢、折射率、厚度、阻抗。由于硅和二氧化硅均为非磁介质，因此式中μi＝0。在本实施例中，第一光子晶体平板的硅层厚度为0.680μm，二氧化硅层厚度为0.815μm，周期数为5；第二光子晶体平板的硅层厚度为0.685μm，二氧化硅层厚度为1.290μm，周期也为5；硅的折射率为2.82，二氧化硅的折射率为1.46。根据上述色散关系式分别计算第一、第二光子晶体平板的能带结构，结果如图2所示。每个能带的Zak相由文献[Phys.Rev.X4(2),021017,2014]中介绍的方法计算得出，计算结果已在图中标出，它们分别为0或π。带隙用数字n(n＝1，2，……)作为序号进行了标记。第n个带隙的拓扑相的符号由第n个带隙以下的所有独立带的Zak相之和决定。图中各个带隙拓扑相的符号已由颜色进行了区分，深色代表拓扑相为正，浅色代表拓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种窄带光滤波器，其特征在于，包括：第一光子晶体平板和第二光子晶体平板；其中，所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板均为由厚度均匀的硅层和二氧化硅层交替叠放而构成的一维光子晶体，且所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的结构参数不同；其中，所述第一光子晶体平板与所述第二光子晶体平板贴合在一起，构成一维光子晶体异质结构；其中，所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的结构设计成具有位于相同频段且拓扑相相反的带隙，由此使所述一维光子晶体异质结构满足光学拓扑界面态激发的条件，以在所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的共同带隙中激发所述光学拓扑界面态；所述光学拓扑界面态的激发表现为在所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的共同带隙中出现尖锐的透射峰，而所述透射峰两侧边带的透射率仍然为零，从而实现窄带滤波功能；其中，所述透射峰的中心波长即为所述窄带光滤波器的工作波长，所述透射峰的带宽即为所述窄带光滤波器的工作带宽。

【技术特征摘要】
1.一种窄带光滤波器，其特征在于，包括：第一光子晶体平板和第二光子晶体平板；其中，所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板均为由厚度均匀的硅层和二氧化硅层交替叠放而构成的一维光子晶体，且所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的结构参数不同；其中，所述第一光子晶体平板与所述第二光子晶体平板贴合在一起，构成一维光子晶体异质结构；其中，所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的结构设计成具有位于相同频段且拓扑相相反的带隙，由此使所述一维光子晶体异质结构满足光学拓扑界面态激发的条件，以在所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的共同带隙中激发所述光学拓扑界面态；所述光学拓扑界面态的激发表现为在所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板的共同带隙中出现尖锐的透射峰，而所述透射峰两侧边带的透射率仍然为零，从而实现窄带滤波功能；其中，所述透射峰的中心波长即为所述窄带光滤波器的工作波长，所述透射峰的带宽即为所述窄带光滤波器的工作带宽。2.如权利要求1所述的窄带光滤波器，其中：所述第一光子晶体平板的硅层厚度为0.680μm、二氧化硅层厚度为0.815μm、周期数为5；所述第二光子晶体平板的硅层厚度为0.685μm、二氧化硅层厚度为1.290μm、周期也为5；硅的折射率为2.82，二氧化硅的折射率为1.46；所述窄带光滤波器的工作波长为1.53953μm、带宽为0.2nm，工作波长处的透射率为80％。3.一种全光二极管，其特征在于，包括：第一光子晶体平板，第二光子晶体平板，以及平面光栅；其中，所述第一光子晶体平板和所述第二光子晶体平板均为由厚度均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：高华，魏果果，董鹏，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11