CN105005107B

CN105005107B - 一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器

Info

Publication number: CN105005107B
Application number: CN201510479980.2A
Authority: CN
Inventors: 张镭; 史倩; 赵洪信
Original assignee: Xi'an Csg Jingxiang Optoelectronic Technology Co Ltd
Current assignee: Xi'an Csg Jingxiang Optoelectronic Technology Co Ltd
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-07-21
Anticipated expiration: 2035-08-07
Also published as: CN105005107A

Abstract

本发明公开了一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器，以使滤波范围突破以往窄带多通道滤波器的规律性滤波。将法布里波罗（Fabry‑Perot）光子晶体滤波器与短波通的光子晶体滤波器进行叠加组合，形成结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)(yC/xD/yC)ⁿ型的光子晶体滤波器，其中，A的折射率高于B，D的折射率高于C，B与B’为厚度不同的同种材料，n为短波通光子晶体滤波器周期数，n 为正整数，x、y均为正数，保持n固定不变，仅通过改变x、y值可实现在可见区同时产生两个不同的滤波通道。本发明结构简单，加工方便，拓宽了通带宽度，可用于制备各透光波段无线性关系的双通道滤波器，平均透过率在90%以上，可有效提高投影***的亮度与色纯度。

Description

一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器

技术领域

本发明涉及一种光子晶体滤波器，特别是涉及一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器。

背景技术

光子晶体是由结构单元按照一定排列规则组合而成的周期结构。按照介质排列方式的不同，可分为一维，二维，三维光子晶体。光子禁带是光子晶体最显著的特征，波长处于禁带范围的光无法传播，这个特性使光子晶体在很多方面有着广泛的应用，例如全方向反射镜，光子晶体波导，光子晶体光纤，偏振片，滤波器等。投影光学***对光源有着严格的要求，光源颜色的纯度决定着投影画面色彩的质量，为了使光源的色纯度更高，需要同时得到两个或者三个波段的光源，如蓝光428nm-449nm及绿光535nm-590nm，像这种波段固定，各带宽之间没有线性关系的滤波区域，使用传统的带通滤波器无法达到要求。目前在可见光区多通带的光子晶体滤波器研究甚少，设计优良的光子晶体滤波器用于光学投影***例如滤色轮和分色镜，能够有效地提高色纯度和亮度。

陈焘等（多光谱带通线性渐变滤光片的研制，光电工程，2007（34），72-75）设计了光谱滤波的多通道滤波器，该种线性滤波器要求中心波长与通道空间位置呈线性关系，对于各通道位置固定且无线性关系的滤波需求无法满足。

顾培夫（用于波分复用***的多峰干涉滤光片，光子学报，2003，32（7）：837～839）实验组制成了用于波分复用***的多峰道干涉滤波器，但是这种Fabry-Perot干涉滤光片的滤波通带很窄，通带边缘的陡直度不好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器，以使滤波范围突破以往窄带多通道滤波器的规律性滤波。

本发明的原理在于：在光子晶体中，如果将长波通光子晶体滤波器与短波通光子晶体滤波器的通带位置相互叠加组合，将会出现一个通带，调节短波通光子晶体滤波器的每层膜厚度，可引起组合后的光子晶体滤波器的通带位置与宽度的改变。如果用一种结构的Fabry-Perot光子晶体滤波器与短波通光子晶体滤波器叠加组合，就将出现两个通带，同样，调节短波通光子晶体滤波器每层膜厚度，可引起组合后的光子晶体滤波器的通带位置与宽度的改变，利用这样的特性可以制备双通道的光子晶体滤波器。

本发明的一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器是由Fabry-Perot光子晶体滤波器和短波通光子晶体滤波器两部分叠加组合而成。具体的，本发明是由结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)的Fabry-Perot光子晶体滤波器与结构为(yC/xD/yC)ⁿ的短波通光子晶体滤波器叠加组成的，叠加组合后的结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)(yC/xD/yC)ⁿ。

其中，A、B、C和D是构成所述多光谱双通道光子晶体滤波器的材料，B’与B为厚度不同的同种材料；n₁、n₂、n₄、n₅分别为材料A、B、C、D的折射率且需满足：n₁＞n₂、n₄＜n₅；d₁、d₂、d₃、d₄、d₅分别为材料A、B、B’、C、D的物理厚度且需满足：d₁=0.1136λ₀／n₁、d₂=0.1136λ₀／n₂、d₃=0.2272λ₀／n₂、d₄=0. 25yλ₀／n₄、d₅=0.125xλ₀／n₅；n为短波通光子晶体滤波器的周期数，周期数n为正整数；λ₀为中心波长；通过调整x、y值可改变D、C的物理厚度；x、y为正数；此时，整个滤波器结构的总层数为13+3n。

当A、B、C、D材料确定，保持周期数n不变，仅通过调整x、y值来改变D、C的物理厚度，即可引起组合光子晶体滤波器的带通位置和带宽的改变，从而实现在可见区同时产生两个不同的滤波通道。

其中，在本发明中优选的用于构造一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器的结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)(yC/xD/yC)ⁿ，但是，用于构建本发明滤波器的结构不仅限于(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)(yC/xD/yC)ⁿ，凡是具有单通道滤波特性的Fabry-Perot光子晶体滤波器和短波通光子晶体滤波器叠加的结构皆可。

本组合光子晶体滤波器的制备方法是：使用镀膜或磁控溅射等方式，在玻璃基底上依次镀上设计厚度的材料A、B、B、A，依照此方法生长2个周期，在此基础上继续镀上设计厚度的材料B’，然后再交替镀上设计厚度的材料A、B、B、A；然后在此基础上继续依次交替镀上n个周期设计厚度的C、D、C，即可实现双通道光子晶体滤波器。

与现有技术相比，本发明创新性的将简单周期的Fabry-Perot光子晶体滤波器和短波通光子晶体滤波器叠加组合，用来设计各透光波段无线性关系的双通道滤波器，使滤波范围突破以往窄带多通道滤波器的规律性滤波，与传统的Fabry-Perot多通道滤波器相比，本发明结构简单，加工方便，拓宽了通带宽度，并且该双通道滤波器平均透过率在90%以上，能够有效提高投影***的亮度与色纯度。

附图说明

图1是(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)型Fabry-Perot光子晶体滤波器的结构示意图。

图中，A、B是两种不同的材料，B’与B是厚度不同的同种材料，d₁、d₂、d₃分别为A、B、B’材料的物理厚度。(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)表示A、B两种材料依照A、B、B、A顺序生长设计厚度的2个周期，在此基础上，将B’生长设计厚度的一个周期，再在此基础上，依照A、B、B、A顺序生长设计厚度的1个周期。

图2是（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）²PMMA（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）型Fabry-Perot光子晶体滤波器的结构示意图。

图中，1、4、5、8、10、13层为 TiO₂，其物理厚度d₁=18nm；2、3、6、7、11、12层为PMMA，其物理厚度d₂=34nm；9层为PMMA，其物理厚度d₃=67nm。

图3是（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）²PMMA（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）型Fabry-Perot光子晶体滤波器的透射曲线图。

图4是（yC/xD/yC）ⁿ型短波通光子晶体滤波器的结构示意图。

图中，C、D是两种不同的材料， d₄、d₅分别是C、D材料的厚度，通过调整x、y值可改变D、C的物理厚度，（yC/xD/yC）ⁿ表示C、D两种不同的材料依次n个周期排列。

图5是（Al₂O₃/ZnS/ Al₂O₃）²⁰型短波通光子晶体滤波器的结构示意图。

图中，1、3、4、6、7、9、10、12、13、15、16、18、19、21、22、24、25、27、28、30、31、33、34、36、37、39、40、42、43、45、46、48、49、51、52、54、55、57、58、60层为Al₂O₃，其物理厚度d₄=70nm；2、5、8、11、14、17、20、23、26、29、32、35、38、41、44、47、50、53、56、59层为ZnS，其物理厚度d₅=27nm。

图6是（Al₂O₃/ZnS/ Al₂O₃）²⁰型短波通光子晶体滤波器的透射曲线图。

图7是结构为 (A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)型和（yC/xD/yC）ⁿ型的光子晶体滤波器叠加后的结构示意图。

图8是（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂)²PMMA（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）（Al₂O₃/ZnS/ Al₂O₃）²⁰型光子晶体滤波器的结构示意图。

图中，1、4、5、8、10、13层为 TiO₂，2、3、6、7、11、12层为PMMA，9层为PMMA，14、16、17、19、20、22、23、25、26、28、29、31、32、34、35、37、38、40、41、43、44、46、47、49、50、52、53、55、56、58、59、61、62、64、65、67、68、70、71、73层为Al₂O₃，15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54、57、60、63、66、69、72层为ZnS。

图9是（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂)²PMMA（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）（Al₂O₃/ZnS/ Al₂O₃）²⁰型光子晶体滤波器的透射曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

利用组合光子晶体滤波器来实现蓝光428nm-449nm及绿光535nm-590nm的双通带光子晶体滤光器，现研究的情况均假设入射光垂直入射光子晶体滤波器表面。

首先，选取Fabry-Perot单通道光子晶体滤波器，优选结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)，如图1。其中，A为优选的高折射率光子晶体材料二氧化钛TiO₂（折射率n₁=2.78），B为优选的低折射率光子晶体材料聚甲基丙烯酸甲酯PMMA（折射率n₂=1.49），B’与B属于厚度不同的同种材料，此结构可表示为（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂）²PMMA（TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂），其结构示意图如图2。

入射介质为空气（折射率为1.00），中心波长λ₀=440nm，以玻璃（折射率为1.52）为基底，使用真空镀膜机在基底上依次交替镀膜13层，1、4、5、8、10、13层为TiO₂，其物理厚度为d₁=18nm；2、3、6、7、11、12层为PMMA，其物理厚度d₂=34nm；第9层为PMMA，其物理厚度d₃=67nm。此时可制备滤波范围为428nm-449nm的蓝光滤波器，其特性曲线如图3，图中横坐标表示波长与中心波长的比值，纵坐标表示光的透过率，通带半宽为21nm。

其次，优选结构为（yC/xD/yC）ⁿ型的短波通光子晶体滤波器结构，如图4。其中，C为优选的低折射率光子晶体材料氧化铝Al₂O₃（折射率为n₄=1.78），D为优选的高折射率光子晶体材料硫化锌ZnS（折射率为n₅=2.29），取n=20时，此结构可表示为（Al₂O₃/ZnS/Al₂O₃）²⁰，其结构示意图如图5。

调整x、y的数值使Al₂O₃、ZnS的物理厚度分别为d₄=70nm、d₅=27nm时，在上述制备的膜系基础上，依次交替镀膜60层，1、3、4、6、7、9、10、12、13、15、16、18、19、21、22、24、25、27、28、30、31、33、34、36、37、39、40、42、43、45、46、48、49、51、52、54、55、57、58、60层为Al₂O₃；2、5、8、11、14、17、20、23、26、29、32、35、38、41、44、47、50、53、56、59层为ZnS。此时可增加一个范围为535nm-590nm的绿光通带，其光谱特性曲线如图6，图中横坐标表示波长与中心波长的比值，纵坐标表示光的透过率，通带半宽为55nm。

这样，就形成了一个可见光区多光谱双通道的(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)(yC/xD/yC)ⁿ型光子晶体滤波器，其结构示意图如图7。具体到本实施例，组合光子晶体滤波器的结构可表示为(TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂)²PMMA(TiO₂/PMMA/PMMA/TiO₂)(Al₂O₃/ZnS/Al₂O₃)²⁰，其结构示意图如图8，1、4、5、8、10、13层为TiO₂，其物理厚度d₁=18nm；2、3、6、7、11、12层为PMMA，其物理厚度d₂=34nm；9层为PMMA，其物理厚度d₃=67nm；14、16、17、19、20、22、23、25、26、28、29、31、32、34、35、37、38、40、41、43、44、46、47、49、50、52、53、55、56、58、59、61、62、64、65、67、68、70、71、73层为Al₂O₃，其物理厚度d₄=70nm；15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54、57、60、63、66、69、72层为ZnS，其物理厚度d₅=27nm。

这样就实现了蓝光428nm-449nm及绿光535nm-590nm的双通带光子晶体滤光，组合光子晶体特性曲线图如图9所示，图中横坐标表示波长与中心波长的比值，纵坐标表示光的透过率。

需要说明的是：在本发明中优选的用于构造一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器的材料A、B、C、D分别为TiO₂、PMMA、Al₂O₃、ZnS，但是，用于构建本发明滤波器的材料不仅限于TiO₂、PMMA、Al₂O₃、ZnS，凡是符合A的折射率高于B的折射率，D的折射率高于C的折射率的材料皆可，并不一定要限定A、B、C、D的折射率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看。均应将实施例看作示范性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应该将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器，其特征在于，所述多光谱双通道光子晶体滤波器由法布里珀罗光子晶体滤波器和短波通光子晶体滤波器叠加而成，所述多光谱双通道光子晶体滤波器的结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)(yC/xD/yC)ⁿ，其中，A、B、C和D是构成所述多光谱双通道光子晶体滤波器的材料，B’与B为厚度不同的同种材料；n₁、n₂、n₄、n₅分别为材料A、B、C、D的折射率，且需满足：n₁＞n₂、n₄＜n₅；d₁、d₂、d₃、d₄、d₅分别为材料A、B、B’、C、D的物理厚度，且需满足：d₁=0.1136λ₀／n₁、d₂=0.1136λ₀／n₂、d₃=0.2272λ₀／n₂、d₄=0. 25yλ₀／n₄、d₅=0.125xλ₀／n₅；n为短波通光子晶体滤波器的周期数，周期数n为正整数；λ₀为中心波长；x、y为正数。

2.根据权利要求1所述的可见光区多光谱双通道光子晶体滤波器，其特征在于，所述法布里珀罗光子晶体滤波器结构为(A/B/B/A)²B’(A/B/B/A)，所述短波通光子晶体滤波器结构为(yC/xD/yC)ⁿ。