专利名称：实现缺陷模均匀分布的方法、结构以及光学器件的制作方法
专利说明实现缺陷模均匀分布的方法、结构以及光学器件 技术领域：
本发明属于光通信和激光器技术领域，涉及一种实现缺陷模均匀分布的方法、结构以及光学器件，具体涉及一种在带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中实现缺陷模均匀分布的方法和实现缺陷模均匀分布的结构以及具有该结构的光学器件。
背景技术：
基于介质镜的法布里-珀罗腔在激光器、光学传感器、精密测量等方面有广泛的应用；布拉格分布式反馈谐振腔广泛应用于半导体激光器中；而缺陷态光子晶体结构在激光器、滤波器、传感器、调制器等方面有广泛应用。
介质镜法布里-珀罗腔、布拉格分布式反馈谐振腔、缺陷态光子晶体谐振腔、光子晶体多通道滤波器、梳状滤波器等光学器件均具有带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构，通过理论分析和数值模拟可以发现，这些带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中都存在有缺陷模分布不均匀的问题。当折射率周期分布多层结构中存在缺陷且缺陷光学长度足够时，在光子禁带中即会出现多个缺陷模；但各个缺陷模之间的频率间隔不尽相同。究其原因是折射率周期分布多层结构，如光子晶体，对其中传播的波有一定的色散，不同波长的波在折射率周期分布多层结构表面上发生反射时有不同的相移，即存在色散。
缺陷模分布不均匀性会导致器件的性能变差。例如，一组频率等间隔分布的等幅信号经过一个缺陷模分布不均匀分布的多通道滤波器后，输出信号的幅度会变得不均匀。在密集波分复用系统中，甚至会导致某些缺陷模的丢失。又比如，用于密集波分复用的多波长激光器，其缺陷模分布的不均匀性将影响整个通信系统的工作质量。因此，如何消除缺陷模分布的不均匀性问题实现缺陷模均匀分布是一个重要的课题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中存在的缺陷模不均匀分布的情况，提出了一种实现在上述带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中实现缺陷模均匀分布的方法和实现缺陷模均匀分布的结构以及具有该结构的光学器件。
首先，本发明采用微扰法，在缺陷层中引入具有一定色散关系的色散介质，使各个缺陷模得到不同程度的频移，最终实现了缺陷模的分布均匀化。
下面以一维光子晶体为例，叙述微扰法的原理 根据电磁学理论，在非均匀各向同性介质中，有
其中ω和
分别为算符
对应的本征频率和本征场模；c是真空中的光速。在含缺陷的对称型一维光子晶体中，如图1所示。设该结构的介电常数函数为
其相应的本征频率和本征场模用ω0和
表示，有
此微分方程的本征值可以写成如下的积分形式
其中，L代表这个一维光子晶体的长度。
将缺陷层的介质的介电常数换成色散介质，记为
表示ε不仅随着空间位置的不同而不同，还随着入射光频率的不同而不同。因为色散量不大，可以将
视为
的微扰。由一阶微扰公式可知，本征场模函数保持不变，本征值发生变化，此时的本征值可以写成如下积分式如下
联立(3)、(4)两式可以得到
根据Maxwell基本方程，可以将上式变换为
为了更好地看出规律，可以进一步将式(6)转换为
由上式(7)可以很明显看出，要使本征频率发生频移，可以通过引入与频移量变化相反方向的介电常数色散量来实现。因此，对于光子晶体形成的缺陷模，可以通过引入与频移量变化相反方向的色散补偿介质作为缺陷层，实现禁带中的缺陷模均匀分布。
在缺陷层的介质中引入色散量，可以使缺陷模获得与色散量变化反方向的频移。因此可以设计一种具有一定色散关系的介质，使得各个缺陷模进行恰当的频移，最终实现缺陷模之间的间隔均匀化。因此关键问题是找出合适的色散关系。由
可知
因此，可以先确定好实现缺陷模的间隔均匀化的各个缺陷模的频移量，然后根据各个缺陷模的频移量，找出合适的ε(r，ω)，再利用传输矩阵法分别进行模拟计算，找出合适的色散关系。
依据上述原理，本发明的具体技术方案如下本发明提供了一种实现缺陷模均匀分布的方法，所述缺陷模产生于带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中，该方法包括，将色散介质填充于所述中间缺陷层中，调节所述中间缺陷层中介质的色散量，使该中间缺陷层中的介质产生的色散量与缺陷层外的折射率周期分布的多层结构产生的色散量大小相等，符号相反。该方法具体包括 确定实现相邻的缺陷模频率间隔相等的每个缺陷模所对应的新频率； 计算出每个缺陷模的新频率所对应的缺陷层介质的折射率； 通过数值模拟计算得到缺陷层介质折射率与缺陷模新频率之间的色散关系； 将所述缺陷层介质替换成具有该色散关系的色散介质。
所述的“确定实现缺陷模频率间隔相等的每个缺陷模所对应的新频率”的步骤具体包括 获取带普通的缺陷层介质的折射率周期分布的多层结构中每个缺陷模所对应的原先频率； 计算原先相邻的缺陷模频率之间的频率间隔； 参考原先相邻的缺陷模频率之间的频率间隔设定相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔； 参考缺陷模所对应的原先频率确定所有缺陷模中的一个缺陷模的新频率； 根据设定缺陷模频率之间相等的频率间隔和确定出的一个缺陷模的新频率计算其他缺陷模所对应的新频率。
所述的“参考原先相邻的缺陷模频率之间的频率间隔设定相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔”的步骤具体包括 将所有相邻的缺陷模频率之间的间隔的平均值作为相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔。
所述的“参考缺陷模所对应的原先频率确定所有缺陷模中的一个缺陷模的新频率”的步骤具体包括 确定位于所有缺陷模频率中间值的一个缺陷模频率，设定其中的一个缺陷模频率不变，将该不变的频率作为该缺陷模的新频率。
所述的“通过数值模拟计算得到缺陷层介质折射率的色散关系”的步骤具体包括通过传输矩阵法分别对所述每个缺陷模的新频率所对应的缺陷层介质的折射率以及每个缺陷模所对应的新频率进行模拟计算，找出缺陷层介质折射率与缺陷模频率之间的色散关系。
本发明还提供一种实现缺陷模均匀分布的结构，该结构为带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构，其特征在于，所述中间缺陷层中的介质产生的色散量与缺陷层外的折射率周期分布的多层结构产生的色散量大小相等，符号相反。
所述中间缺陷层中的介质包括色散介质，该色散介质为多种具有色散特性的介质复合而成，每种色散特性介质的折射率对应一个实现缺陷模频率间隔相等的缺陷模所对应的新频率。
所述实现缺陷模频率间隔相等的缺陷模所对应的新频率与带普通的缺陷层介质的折射率周期分布的多层结构中每个缺陷模所对应的原先频率相接近。
本发明另外还提供一种实现缺陷模均匀分布的光学器件，其特征在于，该光学器件包括如上所述的实现缺陷模均匀分布的结构。
本发明的有益的技术效果在于 本发明的实现缺陷模均匀分布的结构在原有带缺陷层的折射率周期分布的多层基础之上只需要将原来的普通的缺陷层介质替换成色散介质，无需改变原来的结构，方法简单实用，而且本发明的实现缺陷模均匀分布的结构也非常简单而紧凑，适用范围广。
图1为本发明实施例1的光子晶体多通道滤波器中带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构剖视图； 图2为本发明实施例1中缺陷层为普通非色散介质时的光子晶体多通道滤波器的滤波特性示意图； 图3为本发明实施例1中缺陷层为普通非色散介质时各模式之间的频率间隔示意图； 图4为本发明实施例1中缺陷层为色散补偿介质时的光子晶体多通道滤波器的滤波特性示意图； 图5为本发明实施例1中缺陷层为色散补偿介质时各模式之间的频率间隔示意图； 图6为本发明实施例2中缺陷层为普通非色散介质时的光子晶体多通道滤波器的滤波特性示意图； 图7为本发明实施例2中的缺陷层为普通非色散介质时各模式之间的缺陷模频率间隔示意图； 图8为本发明实施例2中的缺陷结构下进行色散补偿的缺陷层介质的折射率的色散关系曲线图； 图9为本发明实施例2中的缺陷层为色散补偿介质时的光子晶体多通道滤波器的滤波特性示意图； 图10为本发明实施例2中缺陷层为色散补偿介质时各模式之间的缺陷模频率间隔分布图。
具体实施方式
本发明涉及一种在带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中实现缺陷模均匀分布的方法和实现缺陷模均匀分布的结构以及具有该结构的光学器件。
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步的阐述和说明 实施例1 设折射率周期分布多层结构为光子晶体，考察光子晶体缺陷腔多通道滤波器。如图1所示，光子晶体多通道滤波器由一定周期数的均匀光子晶体中引入非色散介质缺陷组成。包含不同频率成分的电磁波入射到图1的光子晶体上，当缺陷层的光学厚度足够时，透射谱出现的缺陷模数目可能有多个。例如，一个具体实施方案是，介质11采用折射率为2.5的一般正折射率材料，几何厚度为0.4μm；介质12采用折射率为-1.5的负折射率材料，几何厚度为0.667μm；中间缺陷层13采用折射率为4的一般正折射率材料，几何厚度为3.75μm，周期数为7。如图2所示，其结果禁带中出现了12个缺陷模，并且各个模式之间频率间隔不尽相等，其整体规律是中间缺陷模之间的频率间隔最小，依次向两边变大，且呈对称分布(如图3所示)。这种模式分布不均匀性是由于光子晶体本身的色散所引起的。为了补偿它，本发明将普通缺陷介质用色散介质缺陷层来代替，使得缺陷层在各不同频率处有不同的折射率，即不同频率的波感受到的缺陷层的光学厚度不同。这种缺陷层的色散刚好与光子晶体的色散量大小相等，符号相反，从而实现模式分布的均匀化。具体步骤如下 (1)计算光子晶体缺陷腔中所有缺陷模所对应的频率。因介质11采用折射率为2.5的一般正折射率材料，几何厚度为0.4μm；介质12采用折射率为-1.5的负折射率材料，几何厚度为0.667μm；中间缺陷层13采用折射率为4的一般正折射率材料，几何厚度为3.75μm，周期数为7，可以得到以下12个缺陷模的频率，从小到大依次为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，单位皆为GHz. (2)计算缺陷模频率之间的间隔。以上12个缺陷模频率可以得到11个频率间隔，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，单位皆为GHz. (3)由于没有用色散介质进行补偿前的频率间隔是不相等的，需要设定一个频率间隔，让补偿后缺陷模频率的间隔都等于这个频率间隔。本实施例选择将所有相邻的缺陷模频率之间的间隔的平均值作为相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔，即 (4)确定位于所有缺陷模频率中间值的一个缺陷模频率，设定其中的一个缺陷模频率不变，将该不变的频率作为该缺陷模的新频率；根据设定缺陷模频率之间相等的频率间隔和确定出的一个缺陷模的新频率计算其他缺陷模所对应的新频率。则12个缺陷模的新频率，从小到大依次为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，单位皆为GHz. (5)计算需要得到新的缺陷模频率所对应的新的缺陷层的折射率。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)通过步骤(4)和步骤(5)的结果通过传输矩阵法分别对所述每个缺陷模的新频率所对应的缺陷层介质的折射率以及每个缺陷模所对应的新频率进行模拟计算，可找出缺陷层介质折射率与缺陷模频率之间的色散关系n(f)＝3.70932+2.52252f-7.77713f2+13.25367f3-13.07033f4+3.27058f5+8.82532f6-11.21576f7+5.47996f8-1.00832f9. 补偿后的12个缺陷模及其分布分别如图4和图5所示。
实施例2 在上述实施例1的基础之上，选择其中介质11和介质22的折射率分别为1和
其对应的几何厚度均为0.5μm.同时选取缺陷层13的折射率为3，其几何厚度为7.62μm.该结构在第一禁带中产生了8个缺陷模，如图6所示。通过计算，可以得到缺陷模之间的间隔分布如图7所示，也即它们的间隔不相等。针对上述方法设计出的结构，通过数值模拟计算得到缺陷层介质折射率的色散关系如图8所示。将缺陷层介质替换成具有该色散关系的介质，重新计算得到其缺陷模透射谱如图9所示，其缺陷模间隔分布如图10所示。可见通过引入色散介质，缺陷模的分布变得均匀了。
从上述实施例1和实施例2中可以看出，所述实现缺陷模频率间隔相等的缺陷模所对应的新频率与带普通的缺陷层介质的折射率周期分布的多层结构中每个缺陷模所对应的原先频率相接近。
实施例3 本发明还提供一种实现缺陷模均匀分布的结构，该结构为带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构，如图1所示，所述的缺陷层介质为色散介质，所述色散介质产生的色散量与缺陷层外的折射率周期分布的多层结构产生的色散量大小相等，符号相反。所述色散介质为多种具有色散特性的介质复合而成，其合成方法可采取气体参杂，渗透和镀膜等方法。每种色散特性介质的折射率对应一个实现缺陷模频率间隔相等的缺陷模所对应的新频率。
实施例4 本发明还提供一种实现缺陷模均匀分布的光学器件，该光学器件包括实施例3中所述的实现缺陷模均匀分布的结构。
需要说明的是上述实施例给出的是一维光子晶体结构，但是本发明的保护范围并不限于上述实施例，只要在带中间缺陷层的带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中用色散介质代替普通的中间缺陷层介质，消除缺陷模分布的不均匀即符合本发明的构思范围，即在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种实现缺陷模均匀分布的方法，所述缺陷模产生于带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中，该方法包括，将色散介质填充于所述中间缺陷层中，调节所述中间缺陷层中介质的色散量，使该中间缺陷层中的介质产生的色散量与缺陷层外的折射率周期分布的多层结构产生的色散量大小相等，符号相反。
2.根据权利要求1所述的实现缺陷模均匀分布的方法，其特征在于，该方法具体包括
确定实现相邻的缺陷模频率间隔相等的每个缺陷模所对应的新频率；
计算出每个缺陷模的新频率所对应的缺陷层介质的折射率；
通过数值模拟计算得到缺陷层介质折射率与缺陷模新频率之间的色散关系；
将所述缺陷层介质替换成具有该色散关系的色散介质。
3.根据权利要求2所述的实现缺陷模均匀分布的方法，其特征在于，所述的“确定实现缺陷模频率间隔相等的每个缺陷模所对应的新频率”的步骤具体包括
获取带普通缺陷层介质的折射率周期分布的多层结构中每个缺陷模所对应的原先频率；
计算原先相邻的缺陷模频率之间的频率间隔；
参考原先相邻的缺陷模频率之间的频率间隔设定相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔；
参考缺陷模所对应的原先频率确定所有缺陷模中的一个缺陷模的新频率；
根据设定缺陷模频率之间相等的频率间隔和确定出的一个缺陷模的新频率计算其他缺陷模所对应的新频率。
4.根据权利要求3所述的实现缺陷模均匀分布的方法，其特征在于，所述的“参考原先相邻的缺陷模频率之间的频率间隔设定相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔”的步骤具体包括
将所有相邻的缺陷模频率之间的间隔的平均值作为相邻的缺陷模频率之间相等的频率间隔。
5.根据权利要求3所述的实现缺陷模均匀分布的方法，其特征在于，所述的“参考缺陷模所对应的原先频率确定所有缺陷模中的一个缺陷模的新频率”的步骤具体包括
确定位于所有缺陷模频率中间值的一个缺陷模频率，设定其中的一个缺陷模频率不变，将该不变的频率作为该缺陷模的新频率。
6.根据权利要求2所述的实现缺陷模均匀分布的方法，其特征在于，所述的“通过数值模拟计算得到缺陷层介质折射率的色散关系”的步骤具体包括通过传输矩阵法分别对所述每个缺陷模的新频率所对应的缺陷层介质的折射率以及每个缺陷模所对应的新频率进行模拟计算，找出缺陷层介质折射率与缺陷模频率之间的色散关系。
7.一种实现缺陷模均匀分布的结构，该结构为带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构，其特征在于，所述中间缺陷层中的介质产生的色散量与缺陷层外的折射率周期分布的多层结构产生的色散量大小相等，符号相反。
8.根据权利要求7所述的实现缺陷模均匀分布的结构，其特征在于，所述中间缺陷层中的介质包括色散介质，该色散介质为多种具有色散特性的介质复合而成，每种色散特性介质的折射率对应一个实现缺陷模频率间隔相等的缺陷模所对应的新频率。
9.根据权利要求8所述的实现缺陷模均匀分布的结构，其特征在于，所述实现缺陷模频率间隔相等的缺陷模所对应的新频率与带普通的缺陷层介质的折射率周期分布的多层结构中每个缺陷模所对应的原先频率相接近。
10.一种实现缺陷模均匀分布的光学器件，其特征在于，该光学器件包括权利要求7-9任一所述的实现缺陷模均匀分布的结构。
全文摘要
本发明属于光通信和激光器技术领域，涉及一种在带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构中实现缺陷模均匀分布的方法和实现缺陷模均匀分布的结构以及具有该结构的光学器件。一种实现缺陷模均匀分布的结构，该结构为带中间缺陷层的折射率周期分布的多层结构，其特征在于，所述中间缺陷层中的介质包括色散介质，所述中间缺陷层中的介质产生的色散量与缺陷层外的折射率周期分布的多层结构产生的色散量大小相等，符号相反。本发明的结构简单而紧凑。
文档编号G02B6/122GK101699326SQ20091019068
公开日2010年4月28日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者欧阳征标, 林密, 曹恩文 申请人:深圳大学