一种广谱可调超窄带通滤光系统技术方案

本发明专利技术公开了一种广谱可调超窄带通滤光系统。该系统包括具有缺陷模的一维光子晶体、级联光子晶体结构和多通道滤光通路；其中，具有缺陷模的一维光子晶体包括由高折射率介电材料和低折射率介电材料周期堆叠构成的布拉格反射结构、缺陷层和布拉格反射结构的镜像结构依次排列构成；多个具有缺陷模的一维光子晶体通过连接层连接在一起形成级联光子晶体结构；多个级联光子晶体结构分别分装在多通道滤光通路中。本发明专利技术基于级联光子晶体结构的超窄带通滤光片，具有结构简单，光子晶体薄膜材料选择丰富等优点，通过优化光子晶体结构参数可实现广谱超窄带通滤光，满足了多种场景下的需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种广谱可调超窄带通滤光系统


[0001]本专利技术涉及光学
，尤其涉及一种广谱可调超窄带通滤光系统。

技术介绍

[0002]随着光通信技术产业化的不断完善，光学薄膜在红外、可见光、紫外光波段均有极大的发展前景。比如，红外滤光片在基于电荷耦合器(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器制作的成像系统中得到了广泛应用；近年来，随着发光LED技术的不断成熟，不少学者对LED可见光网络通信系统进行研究，可见光滤波片在实现LED电光转换、光信号传输解析及数字信息通信中扮演了重要的角色；而紫外光波段的滤波器在生物医疗检测、水质检测仪器、生化分析仪器以及科研实验仪器等设备上都有广泛的应用。
[0003]随着量子理论的发展，基于量子纠缠态的光量子通信逐渐走进人们的视野。量子通信作为一种新型信息传输方式，具有传统通信所不具备的安全特性，在国防安全、金融信息等领域有着巨大的应用价值和前景。在量子通信系统中，需要半高宽低于0.1nm的超窄带通滤光片进行通信系统搭建，而市面上带通滤光片的半高宽大都为10nm左右，难以满足量子通信的需求。随着人们对光子晶体研究的不断深入，利用光子晶体来实现光信号的带通滤波成为热门技术。光子晶体定义为两种以上具有不同介电常数(折射率) 的介质通过周期性排列形成的人工微结构材料，光信号传播过程中，由于布拉格散射(Bragg scattering)，特定频率的光信号因相干相消导致无法通过光子晶体，在频谱上形成的带隙类似电子能带结构中的禁带，即“光子禁带”。光子晶体可以分为三大类：一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。其中，一维光子晶体具有结构简单、制作方便、禁带计算容易等特点，因此光子晶体滤波设计和应用更多采用一维结构。通过局部破坏光子晶体的周期性结构(即引入缺陷层) 组成超晶格时，光子会出现强烈的安德森局域(Anderson Localization)效应，此时带隙中会出现频带极窄的缺陷模通带，进一步改变缺陷模光子晶体结构，优化光子晶体微腔的选频特性，可以实现半高宽低于0.1nm的超窄带通滤光，满足量子通信系统的需求。
[0004]基于缺陷模光子晶体结构的光学滤光片具有超窄带通滤光的特性，但由于缺陷模通带谱线在光子带隙中呈洛伦兹线形，导致光谱边缘不够陡峭，带外阻挡效果不理想。此外，基于缺陷模光子晶体的光学滤光片还有通带范围固定、通带内凹陷，中心波长可调范围小等问题，这在滤光片应用的工作环境中产生极大的局限性，通常需要配备额外的滤光片辅助进行操作，提高了实验成本。

技术实现思路

[0005]针对以上现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种广谱可调超窄带通滤光系统。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]一种广谱可调超窄带通滤光系统，包括具有缺陷模的一维光子晶体、级联光子晶
体结构和多通道滤光通路；所述具有缺陷模的一维光子晶体包括由高折射率介电材料和低折射率介电材料周期堆叠构成的布拉格反射结构、缺陷层和所述布拉格反射结构的镜像结构依次排列构成；多个所述具有缺陷模的一维光子晶体通过连接层连接在一起形成级联光子晶体结构；多个所述级联光子晶体结构分别分装在多通道滤光通路中。
[0008]进一步地，所述高折射率介电材料的厚度和低折射率介电材料的厚度均满足四分之一中心波长布拉格条件，所述缺陷层厚度满足二分之一中心波长条件。
[0009]进一步地，所述中心波长为所述具有缺陷模的一维光子晶体的光子带隙中频率极窄的缺陷态。
[0010]进一步地，所述多通道滤光通路为带有分布式通光孔的光学元件。
[0011]进一步地，所述多通道滤光通路通过抽拉或者旋转的方式进行超窄带通滤光片切换。
[0012]本专利技术中广谱可调超窄带通滤光的机理是：一维光子晶体是一种由高低折射率介电材料在空间上按周期性排列的结构，其显著特点是具有光子带隙，频率在带隙内的光波无法传播。通过引入缺陷层破坏光子晶体周期，形成具有缺陷模的一维光子晶体结构。在光子带隙中出现了与缺陷模频率对应的光子通带，通带两边光场强度按指数规律迅速衰减，形成了良好的选频特性。通过改变一维光子晶体中各材料层参数，可以对通带位置进一步调谐。优化级联光子晶体结构中接连层厚度和级联数量，进而改变光子带隙中通带的波形，由洛伦兹线形变为准矩形波形，增强带外阻挡，修复通带顶部平坦或准平坦，提升滤光特性，进而实现广谱可调超窄带通滤光特性。
[0013]入射光在光子晶体中的传输机理：根据薄膜光学理论，光(TE波)从第i层介质传到相邻的j层介质，电场和磁场的变化满足：
[0014][0015]其中，m
ij
就是TE模的光从i层介质传到j层介质的传输矩阵，m
ij
为：
[0016][0017]其中，θ
i
为第i层介质中光的入射角，θ
j
为第j层介质中光的出射角，n
i
和n
j
分别为 i层和j层介质的折射率大小。当光以θ
j
的角度通过厚度为d
j
的薄膜介质时，其传输矩阵为：
[0018][0019]其中，k
j
为波矢，其相位变化为光通过由N层介质组成的光子晶体，假设光子晶体外面都是空气，则整个系统满足特征方程：
[0020]M＝m
01
m1m
12
m2m
23
…
m
(N
‑
1)(N)
m
N
m
N0
[0021]入射空间和出射空间的光波满足：
[0022][0023]光从空气中入射到光子晶体时，反射系数为：
[0024][0025]反射率R为：
[0026]R＝|r|2[0027]透射率T为：
[0028][0029]在本专利技术设计中一维光子晶体结构满足以下布拉格设计条件：
[0030][0031]其中λ0为光子晶体带隙的中心波长，d
H
、d
L
分别代表高折射率介质层和低折射率介质层厚度，n
H
、n
L
分别为高折射率介质层和低折射率介质层的折射率值。本专利技术中缺陷层的厚度d
D
设计为半波长的光学厚度：
[0032][0033]其中，n
D
为缺陷层折射率，缺陷层在光子带隙中引入频率极窄的缺陷态，即通带。改变光子晶体结构参数，形成不同中心波长的通带，实现广谱范围内的可调滤光。
[0034]本专利技术提出的基于级联光子晶体结构的超窄带通滤光片，结构简单，光子晶体薄膜材料选择丰富、涉及的薄膜材料的生长、刻蚀等工艺均是实验室较为成熟的技术，通过优化光子晶体结构参数实现广谱超窄带通滤光，满足了多种场景下的需求。与现有技术相比，本专利技术具有下列优点和效果：
[0035](1)基于缺陷模光子晶体级联结构的超窄带通滤光系统，通过优化光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种广谱可调超窄带通滤光系统，其特征在于，包括具有缺陷模的一维光子晶体、级联光子晶体结构和多通道滤光通路；所述具有缺陷模的一维光子晶体包括由高折射率介电材料和低折射率介电材料周期堆叠构成的布拉格反射结构、缺陷层和所述布拉格反射结构的镜像结构依次排列构成；多个所述具有缺陷模的一维光子晶体通过连接层连接在一起形成级联光子晶体结构；多个所述级联光子晶体结构分别分装在多通道滤光通路中。2.根据权利要求1所述的一种广谱可调超窄带通滤光系统，其特征在于，所述高折射率介电材料的厚度和低折射...

【专利技术属性】
技术研发人员：任芳芳，刘泽森，石娅婷，刘兴华，陆海，徐尉宗，周东，王宜望，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：