專利名稱：濾波范圍540～760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光子晶體領域，具體涉及實現對選定頻率単色光高透過的ー維光子晶體光學濾波器及其該濾波器的制作方法。
背景技術：
自1987年E. Yablonovitch在研究如何抑制自發(fā)輻射時和S. John在研究光子局域時分別獨立提出光子晶體的概念以來，光子晶體的結構、制備和量子電動力學特性研究開始備受人們關注并得到廣泛的研究。早期大部分的研究工作都是集中在ニ維和三維光子晶體，直到1998年Fink，Winn，Chigrin等人的工作才開始了ー維光子晶體的研究。一維光子晶體結構簡單，易于制造，同時也具備高維光子晶體的性質，得到了廣泛的應用。光子晶體禁帶形成是因為其折射率嚴格周期性分布，這種嚴格的周期性結構一旦受到破壞，光子晶體的傳輸特性將發(fā)生改變。常見的ー維光子晶體濾波器都是采用摻雜結構的光子晶體，有意地引入特定的摻雜缺陷改變光子晶體嚴格周期結構，由此種光子晶體制成的濾波器結構不穩(wěn)定，濾波器效果不明顯，不能夠廣泛制作，并加以推廣。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決上述技術問題，提供濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器，采用簡單的無摻雜光子晶體結構，只是改變了一次鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據需要透過的単色光頻率選擇合適的光子晶體結構參數，實現単色光透過的濾波器，對選定頻率単色光透過率達到100%的濾波效果。本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器，濾波器包括光子晶體層和鏡頭玻璃，光晶晶體層設置在鏡頭玻璃表面，光子晶體層由10層D介質層和10層E介質層相互交替疊加構成(DE) 5 (ED)5型復合結構，所述的D為硫化鋅，E為氟化鎂，其中(DE) 5表示5層D介質和E介質交替疊加構成的復合介質層，其中D介質層的厚度為67. 34nm,E介質層的厚度為114. 674nm,該復合介質層設置在光子晶體層的內側，并與鏡頭玻璃連接；其中(ED)5表示5層E介質和D介質交替疊加構成的復合介質層，其中D介質層的厚度為67. 34nm,E介質層的厚度為114. 674nm,該復合介質層設置在光子晶體層外側。所述的D介質層的折射率分別是= 2.35, E介質層的折射率為. = 1.38，D介
質層的厚度為な=I/ 4%，E介質層的厚度為■& = H 中心波長取633nm。濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器的制作方法， 步驟一、取一個鏡頭玻璃作為基板，將基板雙面拋光，備用；
步驟ニ、將加工好的基板表面進行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后將基板置于熱板上烘干，溫度65°，時間10分鐘；步驟三、將基板放入真空鍍膜機中，在其ー個表面上進行D介質的鍍膜，硫化鋅折射率% = 2Jd,中心波長取633nm時，其鍍膜厚度為= 1/4 ,即67. 34nm,鍍膜后干燥冷卻30
分鐘，然后在基板鍍有D介質膜層的表面進行E介質的鍍膜，氟化鎂的折射率^1| = 138，中
心波長取633nm時，其鍍膜厚度為■& = I/4 ,即114. 674nm,鍍膜后干燥冷卻30分鐘；
步驟四、按照步驟三的方法交替進行D介質和E介質鍍膜，直至鍍好4層D介質膜層和4層E介質膜層，在基板上形成結構為(DE) 4的光子晶體復合鍍膜層；
步驟五、在光子晶體結構已經鍍膜為(DE) 4的基板結構上繼續(xù)進行D介質硫化鋅的鍍膜，厚度為67. 34nm,干燥冷卻30分鐘，在基板上形成結構為(DE) 4D的光子晶體復合鍍膜層；
步驟六、在基板上光子晶體結構已經鍍膜為(DE) 4D的結構上進行E介質氟化鎂的鍍膜，厚度為229. 348nm，在基板上形成結構為(DE) 5E的光子晶體復合鍍膜層；
步驟七、按照步驟三的方法交替進行D介質和E介質鍍膜，直至鍍好5層D介質膜層和4層E介質膜層，在基板上形成結構為(DE) 5 (ED) 5的光子晶體復合鍍膜層，制得表面設有(DE)5 (ED)5光子晶體結構的濾波器。本發(fā)明的有益效果是
I、采用簡單的無摻雜光子晶體結構，只是改變了一次鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據需要透過的単色光頻率選擇合適的光子晶體結構參數，實現単色光透過的濾波器，對選定頻率単色光透過率達到100%的濾波效果。
2、無摻雜光子晶體結構改變了有意地引入特定的摻雜缺陷改變光子晶體嚴格周期結構，可完全制得光子晶體禁帶變化制作特定頻率的ー維光子晶體濾波器。


圖I為本發(fā)明的結構示意 圖2結構fDfふ)的透過率隨波長變化曲線；
圖3結構的透過率隨波長變化曲線；
圖中1、光子晶體層，2、玻璃鏡頭。具體實施方法
如圖所示，濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器，濾波器包括光子晶體層I和鏡頭玻璃2，光晶晶體層I設置在鏡頭玻璃2表面，光子晶體層I由10層D介質層和10層E介質層相互交替疊加構成(DE) 5 (ED)5型復合結構，所述的D為硫化鋅，E為氟化鎂，其中(DE) 5表示5層D介質和E介質交替疊加構成的復合介質層，其中D介質層的厚度為67. 34nm，E介質層的厚度為114. 674nm，該復合介質層設置在光子晶體層I的內側，并與鏡頭玻璃連接；其中(ED)5表示5層E介質和D介質交替疊加構成的復合介質層，其中D介質層的厚度為67. 34nm,E介質層的厚度為114. 674nm,該復合介質層設置在光子晶體層I外側。濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器，其特征在干所述的D介質層的折射率分別是= 2.35, E介質層的折射率為％ = 1.38, D介質層的厚度為a=Af 4 ，E介質層的厚度為■& = Al 4 ,中心波長取633nm濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器的制作方法,其特征在于 步驟一、取一個鏡頭玻璃作為基板，將基板雙面拋光，備用；
步驟ニ、將加工好的基板表面進行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后將基板置于熱板上烘干，溫度65°，時間10分鐘；
步驟三、將基板放入真空鍍膜機中，在其ー個表面上進行D介質的鍍膜，硫化鋅折射率% = 2J5, 中心波長取633nm時，其鍍膜厚度為fl = 1/4 ,即67. 34nm,鍍膜后干燥冷卻30
分鐘，然后在基板鍍有D介質膜層的表面進行E介質的鍍膜，氟化鎂的折射率^If = 138，中
心波長取633nm時，其鍍膜厚度為■& = I/即114. 674nm,鍍膜后干燥冷卻30分鐘；
步驟四、按照步驟三的方法交替進行D介質和E介質鍍膜，直至鍍好4層D介質膜層和4層E介質膜層，在基板上形成結構為(DE) 4的光子晶體復合鍍膜層；
步驟五、在光子晶體結構已經鍍膜為(DE) 4的基板結構上繼續(xù)進行D介質硫化鋅的鍍膜，厚度為67. 34nm,干燥冷卻30分鐘，在基板上形成結構為(DE) 4D的光子晶體復合鍍膜層；
步驟六、在基板上光子晶體結構已經鍍膜為(DE) 4D的結構上進行E介質氟化鎂的鍍膜，厚度為229. 348nm,即進行兩層厚度的E介質鍍膜，在基板上形成結構為(DE) 5E的光子晶體復合鍍膜層；
步驟七、按照步驟三的方法交替進行D介質和E介質鍍膜，直至鍍好5層D介質膜層和4層E介質膜層，在基板上形成結構為(DE) 5 (ED) 5的光子晶體復合鍍膜層，制得表面設有(DE)5 (ED)5光子晶體結構的濾波器。本發(fā)明的真空鍍膜機采用DM-450型真空鍍膜機，鐘罩尺寸①450 mm X 540mm，極限真空彡6.5X10-4 Pa，抽氣時間真空度達到I. 3 X 10-3 Pa時，t彡50min。本發(fā)明的鍍膜方法可以由現代真空離子鍍法、真空磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、化學氣相沉淀法、溶膠ー凝膠法以及熱壓技術在重鉛X線防護玻璃表層鍍膜實現。本發(fā)明用傳輸矩陣法仿真了ー維光子晶體的傳輸特性曲線，在理論分析的基礎上設計了一種無摻雜結構的光子晶體光學濾波器，該無摻雜結構的光子晶體只是改變了一次鍍膜順序，但對光子晶體的周期結構破壞性ー樣很大，產生了缺陷摸。結構分別為▲和_/冊 I仿真研究這種結構的變化對光子晶體傳輸特性的影響。D為硫化鋅，E為氟化鎂:￡) = Inl J=MgP2,折射率分別是％ = 235,% = 1.38
，光子晶體介質層厚度分別是:d = 1/4 ,! = 1/4 ,中心波長取633nm。仿真結果如附圖所示。從附圖2可明顯看到周期數為10的光子晶體嚴格周期結構揮ふ在 54(T760nm有明顯的光子禁帶，禁帶中頻段的光透過率幾乎為零，禁帶特征非
常明顯。當結構改變一次鍍膜順序變?yōu)閒DEJi(ED)5^,從附圖3可明顯看到光子晶體禁帶
中頻率等于中心波長633nm的位置上出現了缺陷模，透過率從0急劇增大為1，實現了對選定中心波長633nm的単色光濾過。傳輸矩陣法(Transfer Matrix Method, TMM)實質是在空間中把麥克斯韋方程做有限差分，然后將其變成傳輸矩陣的形式。把求解光子晶體帶隙計算轉化為本征值求解問題。對Maxwell方程組做離散化，相鄰兩層空間的場之間的關系可以用ー個傳輸矩陣來表示。傳輸矩陣可以把一個層面上的電場和磁場與緊鄰的另ー個層面上的電場和磁場聯系起來，如此可以將其外推到整個光子晶體空間。從而計算出光子晶體的透射系數和反射系數。對于ー維光子晶體周期性結構，有
權利要求
1.濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器,其特征在于濾波器包括光子晶體層(I)和鏡頭玻璃(2)，光晶晶體層(I)設置在鏡頭玻璃(2)表面，光子晶體層(I)由10層D介質層和10層E介質層相互交替疊加構成(DE)5 (ED)5型復合結構，所述的D為硫化鋅，E為氟化鎂，其中(DE) 5表示5層D介質和E介質交替疊加構成的復合介質層，其中D介質層的厚度為67. 34nm,E介質層的厚度為114. 674nm,該復合介質層設置在光子晶體層(I)的內側，并與鏡頭玻璃連接；其中(ED) 5表示5層E介質和D介質交替疊加構成的復合介質層，其中D介質層的厚度為67. 34nm,E介質層的厚度為114. 674nm,該復合介質層設置在光子晶體層(I)外側。
2.如權利要求I所述的濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器，其特征在干所述的D介質層的折射率分別是於B = 2.35，E介質層的折射率為，D介質層的厚度為￠ = ii/ 4 n，E介質層的厚度為 ,中心波長取633nm。
3.如權利要求I所述的濾波范圍54(T760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器的制作方法，其特征在干 步驟一、取一個鏡頭玻璃作為基板，將基板雙面拋光，備用； 步驟ニ、將加工好的基板表面進行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后將基板置于熱板上烘干，溫度65°，時間10分鐘； 步驟三、將基板放入真空鍍膜機中，在其ー個表面上進行D介質的鍍膜，硫化鋅折射率% = 2.35’中心波長取633nm時，其鍍膜厚度為A = Hkltr即67. 34nm,鍍膜后干燥冷卻30分鐘，然后在基板鍍有D介質膜層的表面進行E介質的鍍膜，氟化鎂的折射率
全文摘要
濾波范圍540~760nm的無摻雜層光子晶體光學濾波器及其制作方法，濾波器包括光子晶體層和鏡頭玻璃，光晶晶體層設置在鏡頭玻璃表面，光子晶體層由10層D介質層和10層E介質層相互交替疊加構成(DE)5(ED)5型復合結構，所述的D為硫化鋅，E為氟化鎂,采用簡單的無摻雜光子晶體結構，只是改變了一次鍍膜順序，大大降低了加工難度和對精度的要求。根據需要透過的單色光頻率選擇合適的光子晶體結構參數，實現單色光透過的濾波器，對選定頻率單色光透過率達到100%的濾波效果。
文檔編號G02B5/20GK102645694SQ20121015791
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權日2012年5月21日
發(fā)明者宋孟丹, 張曉麗, 李萍, 梁高峰, 熊國欣, 羅恩斯, 藺利峰, 雷茂生 申請人:河南科技大學