含单空气缺陷腔的一维光子晶体可调谐滤波特性研究

The tunable optical filters have comprehensive potential applications in many fields like: optical measurement, optical sensing and optical-communication. The resonant tunneling characteristic of photonic crystals is the most effective method to realize the low absorption and wide tuning range of the narrow-band filtering. Several methods have been reported to realize the tunability of the filter, such as magneto-optical effect, electro-optic effect, thermo-optical effect and photorefractive effect. However, these methods have narrow tunable range. In the project, we propose a new idea that modulates the single air cavity in the one-dimensional photonic crystals through micro mechanical system to realize tunable filtering in a ultra-wide range with quick response. Furthermore, we study the effect of structure parameters and defect layer thickness on the frequency of the resonant mode to obtain different channels. In this project, the one-dimensional photonic crystal filter mentioned above will be prepared through a magnetron sputtering process. In order to make the preparation process easier and control the thickness uniformity of the films effectively, we design a structure with a bandgap moving to the low frequency to reduce the thickness of the photonic crystals. The study satisfies the future requirements of the optical-communications and high density photonic integration, and it has unique significance in promoting the development and application of the photonic crystal devices.

可调谐滤波器在光学测量、光传感及光通信领域中具有广泛的应用前景，光子晶体缺陷结构的共振隧穿特性是实现低吸收、宽调谐范围窄带滤波的有效手段。目前调谐光子晶体禁带中缺陷模频率的方法主要利用磁光效应、电光效应、热光效应和光折变效应等来改变材料的光学参量，但存在滤波调谐范围比较小的问题。本项目提出了利用单空气缺陷腔实现一维光子晶体全可见光波段可调谐滤波的设计思路，建立微机械方式调节缺陷模共振频率方案，可以实现超宽调谐范围窄带快速滤波。研究调节结构参量和缺陷层厚度对共振模频率位置和带宽的影响，以满足不同的滤波要求。通过设计受膜层厚度微扰影响最小且大禁带整体向低频区移动的光子晶体结构，使磁控溅射方法在工艺上更容易实现大规模制备并能有效控制膜层厚度均匀性。项目的研究适应未来光通信和高密度光路集成对器件的要求，对推动光子晶体全光器件的发展和应用具有重要意义和实用价值。

本项目提出利用单空气缺陷腔实现一维光子晶体全可见光波段超宽可调谐范围窄带快速滤波的设计思路:构建了禁带覆盖全可见光的的一维光子晶体反射器；在此基础上引入空气缺陷层设计了在可见光区和光通信C波段可调谐滤波的一维光子晶体滤波器；建立了基于光子晶体日盲波段紫外滤波和量子点光致发光原理的高分辨率日盲紫外成像方案；进一步研究了二维光子晶体禁带特性。. 我们按研究计划开展了研究，并取得了以下进展和成果：1.设计了用于LED的一维光子晶体反射器，可高效反射紫光、蓝光和绿光波段电磁波，有效提高了LED外量子效率，解决光能耗散问题；建立了光子带隙覆盖全可见光波段的一维光子晶体反射器，入射光角度在0-85°范围内变化时，完全光子带隙范围315-830nm；采用磁控溅射镀膜装置制备一维光子晶体反射器样品，实验测试发现溅射功率、工作电压、气体流速对镀膜速率的影响，寻找溅射速率最稳定，成膜最均匀条件。2.引入单空气缺陷腔，分别设计了禁带覆盖全可见光的一维光子晶体可调谐滤波器，通过改变空气层厚度，实现可见光区416.1-667.3nm的大范围连续可调滤波；改变结构参数，利用超微马达设计了用于光网络检测（OPM）的含单空气缺陷腔的一维光子晶体可调谐滤波器，完全光子禁带范围1200-2200nm，在近红外通信C波段可实现精度为±0.1pm的连续高精度滤波，探索了结构周期变化及膜厚微扰对滤波器能带特性的影响。3.建立基于光子晶体日盲波段紫外滤波和量子点光致发光原理的高分辨率日盲紫外成像方案，直接实现光-光转换且无需附加高压电源，使整个成像装置体积缩且装置成像分辨率可随未来CMOS像元面积的减小而进一步提高。4.研究了二维介质柱型Archimedes(4,82)复式晶格光子晶体禁带特性，发现禁带宽度随折射率和填充比的变化出现两个最大完全光子禁带峰值。