專利名稱：實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法、結構以及光學器件的制作方法
專利說明實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法、結構以及光學器件 技術領域：
本發(fā)明屬于光通信和激光器技術領域，涉及一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法、結構以及光學器件，具體涉及一種在帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法和實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構以及具有該結構的光學器件。
背景技術：
基于介質(zhì)鏡的法布里-珀羅腔在激光器、光學傳感器、精密測量等方面有廣泛的應用；布拉格分布式反饋諧振腔廣泛應用于半導體激光器中；而缺陷態(tài)光子晶體結構在激光器、濾波器、傳感器、調(diào)制器等方面有廣泛應用。
介質(zhì)鏡法布里-珀羅腔、布拉格分布式反饋諧振腔、缺陷態(tài)光子晶體諧振腔、光子晶體多通道濾波器、梳狀濾波器等光學器件均具有帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構，通過理論分析和數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，這些帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中都存在有缺陷模分布不均勻的問題。當折射率周期分布多層結構中存在缺陷且缺陷光學長度足夠時，在光子禁帶中即會出現(xiàn)多個缺陷模；但各個缺陷模之間的頻率間隔不盡相同。究其原因是折射率周期分布多層結構，如光子晶體，對其中傳播的波有一定的色散，不同波長的波在折射率周期分布多層結構表面上發(fā)生反射時有不同的相移，即存在色散。
缺陷模分布不均勻性會導致器件的性能變差。例如，一組頻率等間隔分布的等幅信號經(jīng)過一個缺陷模分布不均勻分布的多通道濾波器后，輸出信號的幅度會變得不均勻。在密集波分復用系統(tǒng)中，甚至會導致某些缺陷模的丟失。又比如，用于密集波分復用的多波長激光器，其缺陷模分布的不均勻性將影響整個通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量。因此，如何消除缺陷模分布的不均勻性問題實現(xiàn)缺陷模均勻分布是一個重要的課題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中存在的缺陷模不均勻分布的情況，提出了一種實現(xiàn)在上述帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法和實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構以及具有該結構的光學器件。
首先，本發(fā)明采用微擾法，在缺陷層中引入具有一定色散關系的色散介質(zhì)，使各個缺陷模得到不同程度的頻移，最終實現(xiàn)了缺陷模的分布均勻化。
下面以一維光子晶體為例，敘述微擾法的原理 根據(jù)電磁學理論，在非均勻各向同性介質(zhì)中，有
其中ω和
分別為算符
對應的本征頻率和本征場模；c是真空中的光速。在含缺陷的對稱型一維光子晶體中，如圖1所示。設該結構的介電常數(shù)函數(shù)為
其相應的本征頻率和本征場模用ω0和
表示，有
此微分方程的本征值可以寫成如下的積分形式
其中，L代表這個一維光子晶體的長度。
將缺陷層的介質(zhì)的介電常數(shù)換成色散介質(zhì)，記為
表示ε不僅隨著空間位置的不同而不同，還隨著入射光頻率的不同而不同。因為色散量不大，可以將
視為
的微擾。由一階微擾公式可知，本征場模函數(shù)保持不變，本征值發(fā)生變化，此時的本征值可以寫成如下積分式如下
聯(lián)立(3)、(4)兩式可以得到
根據(jù)Maxwell基本方程，可以將上式變換為
為了更好地看出規(guī)律，可以進一步將式(6)轉(zhuǎn)換為
由上式(7)可以很明顯看出，要使本征頻率發(fā)生頻移，可以通過引入與頻移量變化相反方向的介電常數(shù)色散量來實現(xiàn)。因此，對于光子晶體形成的缺陷模，可以通過引入與頻移量變化相反方向的色散補償介質(zhì)作為缺陷層，實現(xiàn)禁帶中的缺陷模均勻分布。
在缺陷層的介質(zhì)中引入色散量，可以使缺陷模獲得與色散量變化反方向的頻移。因此可以設計一種具有一定色散關系的介質(zhì)，使得各個缺陷模進行恰當?shù)念l移，最終實現(xiàn)缺陷模之間的間隔均勻化。因此關鍵問題是找出合適的色散關系。由
可知
因此，可以先確定好實現(xiàn)缺陷模的間隔均勻化的各個缺陷模的頻移量，然后根據(jù)各個缺陷模的頻移量，找出合適的ε(r，ω)，再利用傳輸矩陣法分別進行模擬計算，找出合適的色散關系。
依據(jù)上述原理，本發(fā)明的具體技術方案如下本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，所述缺陷模產(chǎn)生于帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中，該方法包括，將色散介質(zhì)填充于所述中間缺陷層中，調(diào)節(jié)所述中間缺陷層中介質(zhì)的色散量，使該中間缺陷層中的介質(zhì)產(chǎn)生的色散量與缺陷層外的折射率周期分布的多層結構產(chǎn)生的色散量大小相等，符號相反。該方法具體包括 確定實現(xiàn)相鄰的缺陷模頻率間隔相等的每個缺陷模所對應的新頻率； 計算出每個缺陷模的新頻率所對應的缺陷層介質(zhì)的折射率； 通過數(shù)值模擬計算得到缺陷層介質(zhì)折射率與缺陷模新頻率之間的色散關系； 將所述缺陷層介質(zhì)替換成具有該色散關系的色散介質(zhì)。
所述的“確定實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的每個缺陷模所對應的新頻率”的步驟具體包括 獲取帶普通的缺陷層介質(zhì)的折射率周期分布的多層結構中每個缺陷模所對應的原先頻率； 計算原先相鄰的缺陷模頻率之間的頻率間隔； 參考原先相鄰的缺陷模頻率之間的頻率間隔設定相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔； 參考缺陷模所對應的原先頻率確定所有缺陷模中的一個缺陷模的新頻率； 根據(jù)設定缺陷模頻率之間相等的頻率間隔和確定出的一個缺陷模的新頻率計算其他缺陷模所對應的新頻率。
所述的“參考原先相鄰的缺陷模頻率之間的頻率間隔設定相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔”的步驟具體包括 將所有相鄰的缺陷模頻率之間的間隔的平均值作為相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔。
所述的“參考缺陷模所對應的原先頻率確定所有缺陷模中的一個缺陷模的新頻率”的步驟具體包括 確定位于所有缺陷模頻率中間值的一個缺陷模頻率，設定其中的一個缺陷模頻率不變，將該不變的頻率作為該缺陷模的新頻率。
所述的“通過數(shù)值模擬計算得到缺陷層介質(zhì)折射率的色散關系”的步驟具體包括通過傳輸矩陣法分別對所述每個缺陷模的新頻率所對應的缺陷層介質(zhì)的折射率以及每個缺陷模所對應的新頻率進行模擬計算，找出缺陷層介質(zhì)折射率與缺陷模頻率之間的色散關系。
本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構，該結構為帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構，其特征在于，所述中間缺陷層中的介質(zhì)產(chǎn)生的色散量與缺陷層外的折射率周期分布的多層結構產(chǎn)生的色散量大小相等，符號相反。
所述中間缺陷層中的介質(zhì)包括色散介質(zhì)，該色散介質(zhì)為多種具有色散特性的介質(zhì)復合而成，每種色散特性介質(zhì)的折射率對應一個實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的缺陷模所對應的新頻率。
所述實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的缺陷模所對應的新頻率與帶普通的缺陷層介質(zhì)的折射率周期分布的多層結構中每個缺陷模所對應的原先頻率相接近。
本發(fā)明另外還提供一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的光學器件，其特征在于，該光學器件包括如上所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構。
本發(fā)明的有益的技術效果在于 本發(fā)明的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構在原有帶缺陷層的折射率周期分布的多層基礎之上只需要將原來的普通的缺陷層介質(zhì)替換成色散介質(zhì)，無需改變原來的結構，方法簡單實用，而且本發(fā)明的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構也非常簡單而緊湊，適用范圍廣。
圖1為本發(fā)明實施例1的光子晶體多通道濾波器中帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構剖視圖； 圖2為本發(fā)明實施例1中缺陷層為普通非色散介質(zhì)時的光子晶體多通道濾波器的濾波特性示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例1中缺陷層為普通非色散介質(zhì)時各模式之間的頻率間隔示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例1中缺陷層為色散補償介質(zhì)時的光子晶體多通道濾波器的濾波特性示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例1中缺陷層為色散補償介質(zhì)時各模式之間的頻率間隔示意圖； 圖6為本發(fā)明實施例2中缺陷層為普通非色散介質(zhì)時的光子晶體多通道濾波器的濾波特性示意圖； 圖7為本發(fā)明實施例2中的缺陷層為普通非色散介質(zhì)時各模式之間的缺陷模頻率間隔示意圖； 圖8為本發(fā)明實施例2中的缺陷結構下進行色散補償?shù)娜毕輰咏橘|(zhì)的折射率的色散關系曲線圖； 圖9為本發(fā)明實施例2中的缺陷層為色散補償介質(zhì)時的光子晶體多通道濾波器的濾波特性示意圖； 圖10為本發(fā)明實施例2中缺陷層為色散補償介質(zhì)時各模式之間的缺陷模頻率間隔分布圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及一種在帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法和實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構以及具有該結構的光學器件。
下面結合具體實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步的闡述和說明 實施例1 設折射率周期分布多層結構為光子晶體，考察光子晶體缺陷腔多通道濾波器。如圖1所示，光子晶體多通道濾波器由一定周期數(shù)的均勻光子晶體中引入非色散介質(zhì)缺陷組成。包含不同頻率成分的電磁波入射到圖1的光子晶體上，當缺陷層的光學厚度足夠時，透射譜出現(xiàn)的缺陷模數(shù)目可能有多個。例如，一個具體實施方案是，介質(zhì)11采用折射率為2.5的一般正折射率材料，幾何厚度為0.4μm；介質(zhì)12采用折射率為-1.5的負折射率材料，幾何厚度為0.667μm；中間缺陷層13采用折射率為4的一般正折射率材料，幾何厚度為3.75μm，周期數(shù)為7。如圖2所示，其結果禁帶中出現(xiàn)了12個缺陷模，并且各個模式之間頻率間隔不盡相等，其整體規(guī)律是中間缺陷模之間的頻率間隔最小，依次向兩邊變大，且呈對稱分布(如圖3所示)。這種模式分布不均勻性是由于光子晶體本身的色散所引起的。為了補償它，本發(fā)明將普通缺陷介質(zhì)用色散介質(zhì)缺陷層來代替，使得缺陷層在各不同頻率處有不同的折射率，即不同頻率的波感受到的缺陷層的光學厚度不同。這種缺陷層的色散剛好與光子晶體的色散量大小相等，符號相反，從而實現(xiàn)模式分布的均勻化。具體步驟如下 (1)計算光子晶體缺陷腔中所有缺陷模所對應的頻率。因介質(zhì)11采用折射率為2.5的一般正折射率材料，幾何厚度為0.4μm；介質(zhì)12采用折射率為-1.5的負折射率材料，幾何厚度為0.667μm；中間缺陷層13采用折射率為4的一般正折射率材料，幾何厚度為3.75μm，周期數(shù)為7，可以得到以下12個缺陷模的頻率，從小到大依次為f1＝0.25521，f2＝0.34707，f3＝0.43815，f4＝0.52823，f5＝0.61738，f6＝0.70587，f7＝0.79413，f8＝0.88262，f9＝0.97177，f10＝1.06185，f11＝1.15293，f12＝1.24479，單位皆為GHz. (2)計算缺陷模頻率之間的間隔。以上12個缺陷模頻率可以得到11個頻率間隔，例如Δf-5＝f2-f1＝0.09186，Δf-4＝f3-f2＝0.09108，Δf-3＝f4-f3＝0.09008，Δf-2＝f5-f4＝0.08915等等，單位皆為GHz. (3)由于沒有用色散介質(zhì)進行補償前的頻率間隔是不相等的，需要設定一個頻率間隔，讓補償后缺陷模頻率的間隔都等于這個頻率間隔。本實施例選擇將所有相鄰的缺陷模頻率之間的間隔的平均值作為相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔，即 (4)確定位于所有缺陷模頻率中間值的一個缺陷模頻率，設定其中的一個缺陷模頻率不變，將該不變的頻率作為該缺陷模的新頻率；根據(jù)設定缺陷模頻率之間相等的頻率間隔和確定出的一個缺陷模的新頻率計算其他缺陷模所對應的新頻率。則12個缺陷模的新頻率，從小到大依次為f1＝0.25437，f2＝0.34433，f3＝0.43429，f4＝0.52425，f5＝0.61421，f6＝0.70417，f7＝0.79413，f8＝0.88409，f9＝0.97405，f10＝1.06401，f11＝1.15397，f12＝1.24393，單位皆為GHz. (5)計算需要得到新的缺陷模頻率所對應的新的缺陷層的折射率。n(f1)＝4.01637，n(f2)＝4.03828，n(f3)＝4.04210，n(f4)＝4.03557，n(f5)＝4.02392，n(f6)＝4.01106，n(f7)＝4.0000，n(f8)＝3.99264，n(f9)＝3.98982，n(f10)＝3.99129，n(f11)＝3.99617，n(f12)＝4.00293. (6)通過步驟(4)和步驟(5)的結果通過傳輸矩陣法分別對所述每個缺陷模的新頻率所對應的缺陷層介質(zhì)的折射率以及每個缺陷模所對應的新頻率進行模擬計算，可找出缺陷層介質(zhì)折射率與缺陷模頻率之間的色散關系n(f)＝3.70932+2.52252f-7.77713f2+13.25367f3-13.07033f4+3.27058f5+8.82532f6-11.21576f7+5.47996f8-1.00832f9. 補償后的12個缺陷模及其分布分別如圖4和圖5所示。
實施例2 在上述實施例1的基礎之上，選擇其中介質(zhì)11和介質(zhì)22的折射率分別為1和
其對應的幾何厚度均為0.5μm.同時選取缺陷層13的折射率為3，其幾何厚度為7.62μm.該結構在第一禁帶中產(chǎn)生了8個缺陷模，如圖6所示。通過計算，可以得到缺陷模之間的間隔分布如圖7所示，也即它們的間隔不相等。針對上述方法設計出的結構，通過數(shù)值模擬計算得到缺陷層介質(zhì)折射率的色散關系如圖8所示。將缺陷層介質(zhì)替換成具有該色散關系的介質(zhì)，重新計算得到其缺陷模透射譜如圖9所示，其缺陷模間隔分布如圖10所示。可見通過引入色散介質(zhì)，缺陷模的分布變得均勻了。
從上述實施例1和實施例2中可以看出，所述實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的缺陷模所對應的新頻率與帶普通的缺陷層介質(zhì)的折射率周期分布的多層結構中每個缺陷模所對應的原先頻率相接近。
實施例3 本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構，該結構為帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構，如圖1所示，所述的缺陷層介質(zhì)為色散介質(zhì)，所述色散介質(zhì)產(chǎn)生的色散量與缺陷層外的折射率周期分布的多層結構產(chǎn)生的色散量大小相等，符號相反。所述色散介質(zhì)為多種具有色散特性的介質(zhì)復合而成，其合成方法可采取氣體參雜，滲透和鍍膜等方法。每種色散特性介質(zhì)的折射率對應一個實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的缺陷模所對應的新頻率。
實施例4 本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的光學器件，該光學器件包括實施例3中所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構。
需要說明的是上述實施例給出的是一維光子晶體結構，但是本發(fā)明的保護范圍并不限于上述實施例，只要在帶中間缺陷層的帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中用色散介質(zhì)代替普通的中間缺陷層介質(zhì)，消除缺陷模分布的不均勻即符合本發(fā)明的構思范圍，即在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，所述缺陷模產(chǎn)生于帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中，該方法包括，將色散介質(zhì)填充于所述中間缺陷層中，調(diào)節(jié)所述中間缺陷層中介質(zhì)的色散量，使該中間缺陷層中的介質(zhì)產(chǎn)生的色散量與缺陷層外的折射率周期分布的多層結構產(chǎn)生的色散量大小相等，符號相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，其特征在于，該方法具體包括
確定實現(xiàn)相鄰的缺陷模頻率間隔相等的每個缺陷模所對應的新頻率；
計算出每個缺陷模的新頻率所對應的缺陷層介質(zhì)的折射率；
通過數(shù)值模擬計算得到缺陷層介質(zhì)折射率與缺陷模新頻率之間的色散關系；
將所述缺陷層介質(zhì)替換成具有該色散關系的色散介質(zhì)。
3.根據(jù)權利要求2所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，其特征在于，所述的“確定實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的每個缺陷模所對應的新頻率”的步驟具體包括
獲取帶普通缺陷層介質(zhì)的折射率周期分布的多層結構中每個缺陷模所對應的原先頻率；
計算原先相鄰的缺陷模頻率之間的頻率間隔；
參考原先相鄰的缺陷模頻率之間的頻率間隔設定相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔；
參考缺陷模所對應的原先頻率確定所有缺陷模中的一個缺陷模的新頻率；
根據(jù)設定缺陷模頻率之間相等的頻率間隔和確定出的一個缺陷模的新頻率計算其他缺陷模所對應的新頻率。
4.根據(jù)權利要求3所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，其特征在于，所述的“參考原先相鄰的缺陷模頻率之間的頻率間隔設定相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔”的步驟具體包括
將所有相鄰的缺陷模頻率之間的間隔的平均值作為相鄰的缺陷模頻率之間相等的頻率間隔。
5.根據(jù)權利要求3所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，其特征在于，所述的“參考缺陷模所對應的原先頻率確定所有缺陷模中的一個缺陷模的新頻率”的步驟具體包括
確定位于所有缺陷模頻率中間值的一個缺陷模頻率，設定其中的一個缺陷模頻率不變，將該不變的頻率作為該缺陷模的新頻率。
6.根據(jù)權利要求2所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法，其特征在于，所述的“通過數(shù)值模擬計算得到缺陷層介質(zhì)折射率的色散關系”的步驟具體包括通過傳輸矩陣法分別對所述每個缺陷模的新頻率所對應的缺陷層介質(zhì)的折射率以及每個缺陷模所對應的新頻率進行模擬計算，找出缺陷層介質(zhì)折射率與缺陷模頻率之間的色散關系。
7.一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構，該結構為帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構，其特征在于，所述中間缺陷層中的介質(zhì)產(chǎn)生的色散量與缺陷層外的折射率周期分布的多層結構產(chǎn)生的色散量大小相等，符號相反。
8.根據(jù)權利要求7所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構，其特征在于，所述中間缺陷層中的介質(zhì)包括色散介質(zhì)，該色散介質(zhì)為多種具有色散特性的介質(zhì)復合而成，每種色散特性介質(zhì)的折射率對應一個實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的缺陷模所對應的新頻率。
9.根據(jù)權利要求8所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構，其特征在于，所述實現(xiàn)缺陷模頻率間隔相等的缺陷模所對應的新頻率與帶普通的缺陷層介質(zhì)的折射率周期分布的多層結構中每個缺陷模所對應的原先頻率相接近。
10.一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的光學器件，其特征在于，該光學器件包括權利要求7-9任一所述的實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構。
全文摘要
本發(fā)明屬于光通信和激光器技術領域，涉及一種在帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構中實現(xiàn)缺陷模均勻分布的方法和實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構以及具有該結構的光學器件。一種實現(xiàn)缺陷模均勻分布的結構，該結構為帶中間缺陷層的折射率周期分布的多層結構，其特征在于，所述中間缺陷層中的介質(zhì)包括色散介質(zhì)，所述中間缺陷層中的介質(zhì)產(chǎn)生的色散量與缺陷層外的折射率周期分布的多層結構產(chǎn)生的色散量大小相等，符號相反。本發(fā)明的結構簡單而緊湊。
文檔編號G02B6/122GK101699326SQ20091019068
公開日2010年4月28日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者歐陽征標, 林密, 曹恩文 申請人:深圳大學