專利名稱：一維光子晶體多頻道濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用光子晶體特性制作的多頻道濾波器。
本

發(fā)明內(nèi)容
基于光子晶體理論。光子晶體是八十年代末提出來(lái)的新概念和新材料(Phys.Rev.Lett.58,p.2059,1987)，其基本思想是同半導(dǎo)體中的電子一樣，光波或電磁波在周期性的介電結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，由于周期結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，也會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，即光子能帶；帶與帶之間可能存在帶隙。如果光波的頻率正好處在帶隙中，具有這種頻率的光是無(wú)法在該種結(jié)構(gòu)中傳播。光子晶體最大的特點(diǎn)是能夠控制光波或電磁波的流動(dòng)，由此可以帶來(lái)許許多多新的應(yīng)用。由于其具有的特殊性能，科學(xué)家近年來(lái)一直在研究其新結(jié)構(gòu)和特性。如何利用光子晶體的特殊性能來(lái)制作高性能和新型光子器件、光通訊器件是世界學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)之一。
本發(fā)明的目的是尋求一種透光率高、工作頻率范圍廣的多頻道濾波器。
本發(fā)明基于一維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)，由兩種不同的一維光子晶體嵌段排列而成，如按A/B/A排列，則是單量子阱結(jié)構(gòu)，如

圖1所示；如按A/B/A/B/A排列，則是雙量子阱結(jié)構(gòu)；或在光子晶體A中嵌段排列多個(gè)光子晶體B，則得到多量子阱結(jié)構(gòu)。如果適當(dāng)選擇光子晶體的結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)配比，使光子能帶結(jié)構(gòu)成如圖2所示，即光子晶體B的一個(gè)或多個(gè)光子能帶正好落在光子晶體A的光子帶隙中。具體的光子能帶結(jié)構(gòu)與維度、結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)比值和占空比有關(guān)。要知道某種光子晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，必須通過(guò)理論計(jì)算解麥克斯韋爾方程而得(Photoniccrystals,Princeton University Press,Princeton,1995)。
一維光子晶體由兩種不同的介電材料按照一維周期排列而成，如圖3所示。組成一維光子晶體兩種材料的介電常數(shù)之比是1.2～20，占空比是0.05～0.95。
勢(shì)壘區(qū)即光子晶體A的周期數(shù)目來(lái)一般要多于2個(gè)，可以在2～50之間變化。而量子阱區(qū)即光子晶體B的周期數(shù)目根據(jù)所需的濾波頻道數(shù)目選取，可以在1～50之間變化。
光子晶體B的能帶正好落在光子晶體A的光子帶隙內(nèi)，由量子限制效應(yīng)可知，量子阱區(qū)即光子晶體B的光子能級(jí)不再是連續(xù)的，在光子晶體A的光子能隙范圍，光子能級(jí)量子化成為分離的能級(jí)。每個(gè)能級(jí)即對(duì)應(yīng)為一個(gè)濾波頻道。因此，改變量子阱區(qū)即光子晶體B的周期數(shù)目，可以相應(yīng)改變光子能級(jí)量子化的數(shù)目。例如，量子阱區(qū)光子晶體B有一條光子能帶正好在光子晶體A的光子帶隙內(nèi)，若光子晶體B長(zhǎng)度為一個(gè)周期為，則量子化的光子能級(jí)數(shù)目為1；若周期為2，則量子化的光子能級(jí)數(shù)目為2；如果量子阱區(qū)的周期為N，則量子化的光子能級(jí)數(shù)目為N，即濾波頻道數(shù)目為N個(gè)。量子阱區(qū)周期為1的單頻道濾波的透射譜如圖4所示。量子阱區(qū)周期為6的6頻道濾波的透射譜如圖5所示。如果光子晶體B有兩條光子能帶正好在光子晶體A的光子帶隙內(nèi)，光子晶體B的周期為N，則量子化的光子能級(jí)數(shù)目為2N，即濾波頻道數(shù)目為2N個(gè)。因此，可以通過(guò)改變量子阱區(qū)的周期數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的多頻道濾波器。具有量子化的光子能級(jí)的光波通過(guò)光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)靠的是隧穿，因此穿透率很高。這樣的光子晶體多頻道濾波器具有高透射率的優(yōu)良特性。另外，這些量子化的光子能級(jí)寬度非常窄，頻率選擇性非常好。還可以調(diào)節(jié)構(gòu)成光子晶體B的兩種介電材料的介電常數(shù)比、占空比使這些頻道之間的間距相同。
這種光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)還有一個(gè)特點(diǎn)可以調(diào)節(jié)光子晶體的周期結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度即晶格常數(shù)，使光子晶體量子阱的工作范圍覆蓋紫外、可見(jiàn)光、紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、微波等波段。如周期長(zhǎng)度可以從0.1微米到米之間變化。當(dāng)周期長(zhǎng)度在0.1微米到3微米之間變化時(shí)，光子晶體量子阱的能隙約在紫外和可見(jiàn)光；當(dāng)周期長(zhǎng)度在3微米到300微米之間變化時(shí)，光子晶體量子阱的能隙約在紅外波段；當(dāng)周期長(zhǎng)度在300微米到3米之間變化時(shí)，光子晶體量子阱的能隙約在微波或微波以上波段。
組成光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)的光子晶體可以由介電材料、半導(dǎo)體材料、金屬材料、磁性材料、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料。
本發(fā)明濾波器制備時(shí)是將兩種不同介電常數(shù)的材料用鍍膜或蒸度方法周期生長(zhǎng)得到光子晶體A，然后再用不同介電常數(shù)比和占空比的上述材料周期鍍膜或蒸度得到光子晶體B，最后生長(zhǎng)光子晶體A，得到單量子阱結(jié)構(gòu)；或繼續(xù)交替生長(zhǎng)光子晶體A和B，得到多量子阱結(jié)構(gòu)。兩種介電常數(shù)材料的重復(fù)周期可根據(jù)實(shí)際需要而定，制成產(chǎn)品時(shí)再作適當(dāng)?shù)某尚脱b配，即成為一維光子晶體多頻道濾波器。
權(quán)利要求
1．一種一維光子晶體多頻道濾波器，由兩種不同的一維光子晶體組成，其特征是用兩種一維光子晶體A、B組成一維光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)；若按照A/B/A排列，是單量子阱結(jié)構(gòu)；若按A/B/A/B/A排列，則是雙量子阱結(jié)構(gòu)；或在光子晶體A中嵌入多個(gè)B，則形成多量子阱結(jié)構(gòu)，其量子阱即中間光子晶體B的一個(gè)或多個(gè)光子能帶正好落在勢(shì)壘區(qū)即兩端光子晶體A的光子帶隙內(nèi)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體多頻道濾波器，其特征是光子晶體是兩種介電材料按一維周期排列的；組成一維光子晶體兩種材料的介電常數(shù)之比是1.2～20，占空比是0.05～0.95。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體多頻道濾波器，其特征是勢(shì)壘區(qū)光子晶體A的周期數(shù)是2～50之間，量子阱即中間光子晶體B的數(shù)目是1～50之間。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體多頻道濾波器，其特征是改變光子晶體B的周期數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)單頻道至多頻道的濾波器。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體多頻道濾波器，其特征是該濾波器的工作范圍可以從紫外到微波。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體多頻道濾波器的制備方法，其特征是用鍍膜或蒸度的方法用兩種不同介電常數(shù)的材料根據(jù)不同的介電常數(shù)比和占空比得到兩種光子晶體A、B，兩種光子晶體按嵌段排列制成單或多量子阱結(jié)構(gòu)，從而得到多頻道濾波器。
全文摘要
本發(fā)明是一種一維光子晶體多頻道濾波器。目前尚無(wú)利用光子晶體特性制作的多頻道濾波器。本發(fā)明用兩種不同的一維光子晶體構(gòu)成光子晶體量子阱結(jié)構(gòu)。選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)和介電常數(shù)配比,使量子阱即中間光子晶體的光子能帶正好落在勢(shì)壘區(qū)即兩端光子晶體的光子能隙中。由于量子限制效應(yīng),光波能級(jí)會(huì)發(fā)生量子化,通過(guò)改變量子阱區(qū)光子晶體的周期數(shù)目得到多頻道濾波器。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1308244SQ0110510
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期2001年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月4日
發(fā)明者資劍, 喬峰, 張淳, 萬(wàn)鈞, 胡新華, 韓得專, 李乙洲, 傅利民, 王昕 , 許春, 吳穎灝, 高霞, 王國(guó)忠 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)