基于啁啾多孔硅光子晶体的多通道滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于啁啾多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其结构主要由光学基底材料和光子晶体多层膜构成，其中光子晶体多层膜由两种不同多孔率的多孔硅A、B通过其中一种多孔硅层的物理厚度变化而形成啁啾结构基础单元并重复N个周期来构成，其结构为[A/B1/A/B2/…/A/Bi]N。对于不同多孔率的A和B，在每个周期中，A层物理厚度a不变，B层物理厚度b1,b2,…bi成等差数列排列。采用电化学阳极腐蚀法制备多孔硅光子晶体，通过控制电化学阳极腐蚀的电流密度和腐蚀时间来实现啁啾结构。本发明与二维、三维光子晶体和传统滤波器相比，制备工艺简单，损耗低，可提供多个高透射率的滤波通道，在光通信系统和光子器件及系统中可发挥重要作用。
【专利说明】
基于嗎嗽多孔括光子晶体的多通道滤波器
技术领域
[0001] 本发明设及一种光子晶体滤波器，特别是设及一种基于调嗽多孔娃光子晶体的多 通道滤波器。
【背景技术】
[0002] 光子晶体是一种折射率在空间周期排列的人工材料。光子晶体独特的光子带隙结 构，能够控制光子的传播行为，使得光子晶体成为光子技术中的基础性材料之一，而且应用 广泛。
[0003] 目前光子晶体用作滤波器通常是利用光子晶体的禁带特性，引入缺陷，从而在光 子带隙中产生缺陷模式，只有频率和缺陷模式吻合的光波才可W通过光子晶体传播，光子 禁带中会出现高透射窗口，具有特别好的滤波特性，运一特性可用来制造高品质、高透射率 的单通道滤波器和多通道滤波器。对于普通介质的一维光子晶体，有增加光子晶体周期数 目和增大构成光子晶体的两种介质折射率的比值两种方法来得到高品质的滤波器。但是增 加光子晶体周期数目将会增大滤波器的体积，很明显不利于光子集成回路的实现，增大两 种介质折射率的比值反而受到材料的限制。
[0004] 通过对现有技术的文献查新检索发现，陈海波等(两端对称负折射率缺陷复合光 子晶体:多通道滤波和光开关，光学技术，2011，第6期)采用传输矩阵法对两端对称负折射 率缺陷复合光子晶体结构[D(AB)mD]N的透射特性进行了研究，引入了负折射率缺陷层，调 节周期和负折射率能达到一定的滤波目的。然而其结构相对复杂，光学性能不易控制，具有 一定的局限性。贺芝宇等(基于光子晶体带隙特性的反射式多通道滤光片设计，光学学报， 2014,第2期)利用含缺陷一维光子晶体独特的带隙特性，依据其相应的能带理论，设计了一 种由金属和介质组成的反射式多通道滤光片。运种滤光片通道的工作范围由光子带隙理论 计算得到，通道个数由"光子晶体"缺陷的周期数决定，通道的位置利用等效相位厚度的方 法确立，但是该多通道滤波器使用了金属材料，金属材料的损耗比较大，很难避免。李文胜 等(基于含渗杂半导体复合光子晶体的太赫兹多通道滤波器，人工晶体学报，2013,第3期） 通过GaAs和Ti02两种材料的交替排列形成一定周期数的光子晶体结构，在透射谱中获得多 透射峰，从而实现多通道滤波，进而通过两段相同结构的级联形成复合光子晶体来降低各 透射峰的半高全宽。该滤波器受到两种材料折射率的局限，调谐范围小，结构设计不够灵 活。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于调嗽多孔娃光子晶体的多通道滤波器，该滤波器可 W克服现有光子晶体多通道滤波器中结构复杂、光学性能不易控制、损耗高、不可灵活设计 等缺点，可W很简便地实现光通信范围内多通道滤波，并满足光通信、光存储及信息处理等 方面的应用要求。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案来实现:一种基于多孔娃光子晶体的多通道滤波 器，包括光学基底材料，还包括多孔娃光子晶体多层膜，所述多孔娃光子晶体多层膜由两种 不同多孔率的多孔娃A、B通过其中一种多孔娃层的物理厚度变化而形成调嗽结构基础单元 并重复N个周期来构成，其结构表示为[A/B1/A/B2/. . ./A/Bi ]N，其中，A表示每个周期中多孔 娃A层为固定层，Bi，B2…，Bi表示每个周期中多孔娃B层的物理厚度变化形成的各变化层，i 为结构参数，N为周期数，所述多孔娃A、B根据电化学腐蚀原理制备，通过调节多孔娃光子晶 体多层膜的物理厚度、结构参数和入射角，可获得需要的多通道滤波器，多通道滤波器的通 道数可通过改变周期数N来调节。
[0007] 所述每个周期中多孔娃B的Β1，Β2···Βι层对应的物理厚度bi，b2…，bi成等差数列排 列。
[0008] 所述多孔娃的多孔率和物理厚度与电化学阳极腐蚀的电流密度、腐蚀时间和腐蚀 液浓度相关，腐蚀液由HF和无水乙醇的混合液组成，体积比为1:1，HF为40 %的水溶液，电流 密度为10~lOOmA/cnf2,腐蚀时间为1~35s。
[0009] 所述多孔娃A层的多孔率化的范围为5% <化< 47%。
[0010] 所述多孔娃B层的多孔率pb的范围为34%含pb含86%。
[0011] 所述多孔娃A层的物理厚度a取值范围为80nm < a < 200nm。
[001^ 所述多孔娃B的Bi层的物理厚度bi取值范围为SOnm^l。00皿，公差d的取值范围 为 lOOnm < d < 260nm。
[OOU] 所述入射角白的取值范围为0。<白含65.66。。
[0014] 所述多通道滤波器的通道数等于周期数N-1。
[0015] 所述多通道滤波器的工作频率范围可调节到通用光通信频率为1.67~3.75 X 1014Hz，对应的波长范围为800nm~1700nm，满足光通信的要求。
[0016] 本发明的原理在于:所提供的基于调嗽多孔娃光子晶体的多通道滤波器中，光波 在周期性光子晶体结构中传输时受到折射率周期性的调制，最终导致某些在其频率范围内 的光波的传播受到抑制而无法通过(即光子晶体的带隙特性），从而在输出光谱中形成光子 禁带。可W发现，在透射谱中出现较大的光子禁带和一个由一些子透射峰组成高透射窗口。 优化处理其结构参数，透射谱中将具有较高的边带抑制和多个较窄带隙，可见该滤波器与 普通的滤波器比较性能较好。在该基于调嗽多孔娃光子晶体多通道滤波器中，适当地调节 介质的厚度参数，结构参数i和入射角Θ，可W得到所需要的多通道滤波器，各个透射峰的透 射率十分接近100%，品质因数也比较高。
[0017] 本发明的基于调嗽多孔娃光子晶体多通道滤波器的制备方法是脉冲电化学阳极 腐蚀法，具体是用计算机编程语言LabVIEW产生控制序列，生成具有一定占空比和脉冲周期 的脉冲信号，通过数据采集通道传递给PCI6024数据采集卡，所产生的脉冲电压施加到电化 学腐蚀槽上，改变计算机程序中的控制序列参数可W精确地控制电化学阳极腐蚀的电流密 度和有效腐蚀时间，从而实现该滤波器的制备。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0019] 1、本发明的光子晶体多通道滤波器中没有引入缺陷，利用光子晶体的带隙特性， 优化处理其结构参数，透射谱中将具有较高的边带抑制和多个高透射窗口，透射峰的透射 率十分接近100%，而且具有较高的品质因数；
[0020] 2、本发明的光子晶体多通道滤波器中使用的多孔娃材料价格低廉，光学性质优 良，可使用脉冲电化学阳极腐蚀的方法制备，多孔娃的多孔率完全取决于电化学阳极腐蚀 的电流密度，多孔娃层的厚度由腐蚀时间决定，而多孔娃的折射率取决于多孔率，高多孔率 对应着低折射率，低多孔率对应着高折射率，所W折射率的范围比较大，具有灵活设计的特 性；
[0021] 3、该调嗽多孔娃光子晶体滤波器与二维、Ξ维光子晶体及传统的滤波器相比，审U 备工艺简单，可靠性好，损耗低，可调谐范围大。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明基于调嗽多孔娃光子晶体多通道滤波器的结构示意图。
[0023] 图2为i = 2时，基于调嗽多孔娃光子晶体多通道滤波器的结构示意图。
[0024] 图3为i = 3时，基于调嗽多孔娃光子晶体多通道滤波器的结构示意图。
[0025] 图4为i = 2，N = 10时的9通道滤波器的透射光谱图。
[0026] 图中：1-多孔娃A层，21-多孔娃Bi层，22-多孔娃B2层，2i-多孔娃Bi层，3-入射角目， 23-多孔娃B3层。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
[0028] 基于调嗽多孔娃光子晶体的多通道滤波器，其结构主要由光学基底材料(光学基 片）和多孔娃光子晶体多层膜(光子晶体膜)两部分构成。如图1所示，多孔娃光子晶体多层 膜是由N个周期的不同孔隙率的多孔娃A、B构成，其结构表示为[A/B1/A/B2/. . ./A/Bi]n，不 同孔隙率的多孔娃A层1和B层的折射率不同，每个周期中A层的物理厚度a为固定值，而由多 孔娃Bi层21、B2层22、Bi层2i构成的B层的物理厚度bi，b2-，bi成等差数列排列，使用电化学阳 极腐蚀法制备多孔娃光子晶体，在多孔娃的形成过程中，多孔娃的多孔率和厚度取决于电 化学阳极腐蚀的电流密度和腐蚀时间。入射光波W入射角Θ开始传输。
[0029] 通过电化学腐蚀法制备多孔娃:采用P+型单晶娃，电阻率为（1~2)Χ10-2Ω . cm， 厚度为420μπι。电解腐蚀槽为聚四氣乙締单槽结构，娃片为阳极，铜片为阴极。对经过清洗后 的单晶娃片进行电化学腐蚀。腐蚀液由HF和无水乙醇的混合液组成，体积比为1:1，HF为 40 %的水溶液。通过使用计算机Labview程序，交替改变电流密度和腐蚀时间。在室溫条件 下对单晶娃进行腐蚀。首先对高折射率多孔娃A层进行腐蚀，电流密度为40mA/cnf2,腐蚀时 间为15s，然后对高折射率多孔娃B层进行腐蚀，电流密度为80mA/cnr2，腐蚀速率为1.2μπι/ min,不同物理厚度的Bi层Β2层…扣层构成的Β层的腐蚀时间如表1所示。为保证每一层相对 均匀，及时补充氣离子的浓度，在每一层形成后电流停顿3s。其中电化学腐蚀得到的多孔娃 A、B层的孔隙率化=25%，Pb = 67.6%，分别对应的等效折射率na = 2.8、nb = 1.5，多孔娃A层 对应的厚度为a = 100nm。
[0030] 表1多孔娃B(Bi，B2，B3)层的腐蚀时间
[0031]
[0032] 实施例1
[0033] 选取bi = 160nm，公差d=120nm，当结构参数i = 2时，多孔娃B(Bi，B2)层厚度分别bi = 160nm、b2 = 280nm，入射角白=0。，其结构为[A/Bi/A/B2]n，如图2所示，当N=10时，可得到9 通道透射光谱图，如图4所示。当i = 3时，多孔娃B(Bi，B2，B3)层厚度分别为bi = 160nm、b2 = 280nm和b3 = 400nm，结构为[A/B1/A/B2/A/B3 ] N，如图3所示。对得到的不同周期下多通道滤波 器的通道数和滤波范围进行比较，如表2所示。
[0034] 观察图4可发现，9通道滤波器透射谱中各个透射峰的透射率均接近100 %，而且分 析表2可知，当i相同，周期数不同时可发现，滤波范围不变，通道个数等于N-1，则可W通过 选择周期数，得到所需多通道滤波器；当i取值较大时，滤波范围变窄，通道间隔变窄，有较 高的品质因数，因此通过可W调节i的取值，得到较高品质多通道滤波器。多通道滤波器的 滤波范围满足光通信对应的波长范围（800皿~1700皿），透射率高，符合光通信W及光存储 和信息处理方面应用要求。
[0035] 表2 i取2、3和N不同时，多通道滤波器的通道数和滤波范围
[0036]
[0037] 实施例2
[003引选取1 = 2,则其结构为[A/Bi/A/化]N，选取周期数N为10,目=0。。
[0039] 对于B层，Bi厚度bi为固定值，分别当公差d = 120nm、d = 160皿、d = 200皿时，可得到 透射率接近100%的不同滤波范围的9通道透射光谱，通道个数同样等于N-1，分析比较d取 不同值时的滤波范围，如表3所示。可W发现，bi不变，公差d变大，导致滤波范围变宽，整体 发生红移。
[0040] 对于B层，公差d为固定值，当bi分别为160nm、200nm和240nm时，将得到不同滤波范 围的滤波器的透射光谱，分析比较bi取不同值时的滤波范围，如表3所示。可发现，d不变，bi 增大，将导致滤波范围变宽，整体发生红移。
[0041] 因此设计多通道滤波器时可W根据实际滤波范围需求调节d和bi的取值。
[0042] 表3 bi、d不同时，多通道滤波器的滤波范围
[0043]
[0044]
[0045] 实施例3
[0046] 选取1 = 2时，其结构为[A/Bi/A/B2]n，周期数N为10,多孔娃B(Bi，B2)层厚度分别bi = 160nm、b2 = 280nm。入射角Θ取值范围为0。< Θ < 65.66。，入射角Θ分别为15。、30。、45。和 60%同样可得到的透射率接近100%的多通道滤波器的透射光谱，其透射光谱的滤波范围 如表4所示。可W发现，随着入射角Θ的增大，滤波范围变窄，通道间隔将变窄，整体将发生蓝 移。因此可W根据实际滤波需求，在0°~65.66°范围内选择合适的入射角Θ。
[0047] 表4入射角度Θ不同时，多通道滤波器的滤波范围 [004引
[0049] W上仅为对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在 不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变 形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，包括光学基底材料，其特征在于:还 包括多孔硅光子晶体多层膜，所述多孔硅光子晶体多层膜由两种不同多孔率的多孔硅A、B 通过其中一种多孔硅层的物理厚度变化而形成啁嗽结构基础单元并重复N个周期来构成， 其结构表示为[A/BVA/B2/. . . /A/Bi]N，其中，A表示每个周期中多孔硅A层为固定层，， 82-31表示每个周期中多孔硅B层的物理厚度变化形成的各变化层，i为结构参数，N为周期 数，所述多孔硅A、B根据电化学腐蚀原理制备，通过调节多孔硅光子晶体多层膜的物理厚 度、结构参数和入射角Θ，可获得需要的多通道滤波器，多通道滤波器的通道数可通过改变 周期数N来调节。2. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述每个周期中多孔硅B的层对应的物理厚度bi，b 2…，bi成等差数列排列。3. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述多孔硅的多孔率和物理厚度与电化学阳极腐蚀的电流密度、腐蚀时间和腐蚀液浓度相 关，腐蚀液由HF和无水乙醇的混合液组成，体积比为1:1，HF为40 %的水溶液，电流密度为10 ~100mA/cm-2，腐蚀时间为1~35s。4. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述多孔娃A层的多孔率范围为5% < pa < 47%。5. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述多孔硅B层的多孔率Pb的范围为34% < pb < 86%。6. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述多孔娃A层的物理厚度a取值范围为80nm < a < 200nm〇7. 根据权利要求2所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述多孔硅郎仙!层的物理厚度h取值范围为80腦^ 1^ 30011111，公差(1的取值范围为10011111 < d < 260nm。8. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述入射角Θ的取值范围为0 < Θ < 65.66°。9. 根据权利要求1所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其特征在于： 所述多通道滤波器的通道数等于周期数N-1。10. 根据上述任一权利要求所述的一种基于啁嗽多孔硅光子晶体的多通道滤波器，其 特征在于：所述多通道滤波器的工作频率范围可调节到通用光通信频率为1.67~3.75 X 1014Ηζ，对应的波长范围为800nm~1700nm，满足光通信的要求。
【文档编号】G02B6/122GK105842785SQ201610340016
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】陈颖, 田亚宁, 朱奇光, 赵志勇, 罗佩
【申请人】燕山大学