专利名称：基于多重光学Tamm态的多通道滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及滤波器领域，具体涉及一种多通道滤波器。
背景技术：
多通道滤波器在光通信波分复用技术和光学信息精密测量技术等领域被广泛的 应用。如何根据实际应用的需要来选择通道的个数以及与通道相应的光波频率便成了研发 人员感兴趣的课题。塔姆(Tamm)态在固体物理中是指晶体边界处的局域电子态，通常处于截断的周 期原子势的边界并首次在光学超晶格中得以发现。与固体物理中Tamm态相类比，光学Tamm 态是一种界面局域模，广泛的存在于一维光子晶体异质结或金属-分布式布拉格(Bragg) 反射镜等结构中。光学Tamm态可由横偏振电波(TE Polarization)或横偏振磁波(TM Polarization)在宽广的入射角度范围内直接激发，即使是在垂直入射情形下。光学Tamm 态与一维光子晶体或分布式Bragg反射镜的禁带范围内反射谱中尖锐的谷(dip)或透射谱 中尖锐的峰(peak)相联系，且峰的半高全宽通常小于lnm。此外，光学Tamm态的能量，即相 应的光波频率，在整个禁带范围内随着截断层的厚度变化精确可调。因此，基于光学Tamm 态的滤波器便逐渐引起了人们的注意。本发明主要考虑的是金属-分布式Bragg反射镜结构。关于一维光子晶体结构中 的超窄带和梳状多通道光子晶体滤波器设计已有相关专利O00910040858)报道。长期以来，人们普遍认为在金属-分布式Bragg反射镜结构中有且仅有一个局域 的电子态(即光学Tamm态)的存在[任尚元著有限晶体中的电子态；Bloch波的量子限域， 北京大学出版社北京2006，P16]，也就是说在禁带范围内透射谱中仅观测到了一个透射峰。 根据以上观点，人们通常认为基于金属-分布式Bragg反射镜结构中的光学Tamm态只适合 用来设计成单通道的滤波器而无法用于多通道滤波器的设计。事实上，我们最近研究发现在金属-分布式Bragg反射镜结构中多重的光学Tamm 态的存在，并且发现该结构中光学Tamm态随着截断层(即砷化铝镓薄膜)厚度的变化而周 期性的共振。本发明专利正是在此基础上首次提出在金属-分布式Bragg反射镜结构中， 可利用多重的光学Tamm态来设计多通道的滤波器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多重光学Tamm态的多通道滤波器，通道的位置 在整个禁带范围内连续可调，并且可通过改变砷化铝镓的组分以及砷化铝镓薄膜的厚度来 调节通道的个数及各通道所处的位置。基于多重光学Tamm态的多通道滤波器，包括分布式布拉格反射镜，其特征在 于，在布拉格反射镜上生长有一层AlxGaa_x)As薄膜，AlxGa(1_x)As薄膜上镀有金属膜，其中 χ e
。所述分布式布拉格反射镜由砷化铝和砷化镓交替生长而成，交替生长的层数为20 30个周期。 所述AlxGa(1_x)AS薄膜的厚度为1 10微米。
所述金属膜为银膜，银膜厚度在45 士 3纳米范围内。本发明的技术效果体现在本发明提供一种多通道滤波器的设计方法，通过调整 砷化铝镓的组分及砷化铝镓薄膜的厚度来获取通道的个数及通道的位置。该方案简单有 效，与通道相应的频率在禁带范围内随砷化铝镓薄膜厚度的变化连续可调，而且对不同偏 振态的平面波还可以在宽广的入射角度范围内对通道的位置进行微调。
图1为本发明装置结构示意图；图2为实例一对应的垂直入射情形下，分布式Bragg反射镜的层数变化时的透射■i並 曰ο图3为实例二对应的垂直入射情形下，砷化铝镓(χ = 0时)薄膜层的厚度变化时 的透射谱。图4为实例三对应的垂直入射情形下，金属薄膜的厚度发生变化时的透射谱。图5为实例四对应的垂直入射情形下，不同组分的砷化铝镓薄膜所相应的透射■i並 曰ο
具体实施例方式基于金属-分布式Bragg反射镜结构中的多重光学Tamm态的多通道滤波器的设 计，具体为1)用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在砷化镓衬底上生长十几个纳米厚 的砷化镓的缓冲层，之后交替的生长砷化铝、砷化镓薄膜层，薄膜层的厚度为[λ 为入射波在空气中的波长，η为相应材料的折射率]，形成周期数为20 30的分布式Bragg 反射镜结构。2)在分布式Bragg反射镜结构之上生长一层微米量级的砷化铝镓薄膜，该层的精 确厚度可由蚀刻工艺来控制。多重光学Tamm态的简并度(即光学Tamm态的个数)以及与 光学Tamm态相应的能量可由砷化铝镓薄膜的厚度来调节。与光学Tamm态相应的通道在整 个禁带范围内随砷化铝镓薄膜厚度的变化连续可调。3)在砷化铝镓薄膜之上镀一层金属银膜，厚度控制在45士3纳米范围内。与光学 Tamm态相应的透射峰的峰值及半高全宽主要受金属薄膜厚度的影响。下面结合实例和附图对本发明作进一步说明。实例一图2所示为入射光垂直入射到该结构中，金属银膜的厚度为dm = 45nm，砷化铝镓 (χ = 0时)薄膜的厚度为dt = 3900nm,厚度为dA = 76. 4nm折射率为nA = 2. 95的砷化 铝薄膜层及厚度为dB = 67. 5nm折射率为nB = 3. 56的砷化镓薄膜层交替生长构成分布式 Bragg反射镜结构，分布式Bragg反射镜的层数发生变化时的透射谱。图2中的竖直虚点线 表示垂直入射情形下分布式Bragg反射镜结构的禁带范围。从图2中可以看出，当分布式 Bragg反射镜的层数N1 = 10. 5时，禁带范围内出现了 4个透射峰，但每个透射峰的半高宽都相对较大；层数为N2 = 23. 5时，禁带范围内出现了 4个尖锐的透射峰；层数为N3 = 50. 5 时，禁带范围内仅出现两个峰且相应的透射率较小。从图2中可以看出，N2 = 23. 5为设计 多通道滤波器比较适宜的分布式Bragg反射镜的层数。据此，本发明提出分布式Bragg反 射镜的层数为20 30个周期是设计多通道滤波器比较理想的层数。实例二本实例是在实例1分布式Bragg反射镜周期为23. 5的基础上改变砷化铝镓(x = 0时)薄膜的厚度，图3所示为入射光垂直入射到该结构中，砷化镓薄膜的厚度dt发生变化 时的透射谱。图3中的竖直虚点线表示垂直入射情形下分布式Bragg反射镜结构的禁带范 围。从图3中可以看出，当砷化铝镓薄膜的厚度为dtl = lieOnm时，禁带范围内出现两个透 射峰；当砷化铝镓薄膜的厚度为dt2 = 3900nm时，禁带范围内出现了 4个透射峰；当砷化铝 镓薄膜的厚度为dw = 9300nm时，禁带范围内出现了 10个透射峰。也就是说，透射峰(对 应相应的滤波器通道)的个数及位置可由砷化镓薄膜层的厚度来调节。此外，若改变入射 光的入射角，还可以对通道的位置进行微调。实例三本实例是在实例1分布式Bragg反射镜的层数为23. 5个周期的基础上改变金属 银膜的厚度，图4所示为入射光垂直入射到该结构中，金属银膜的厚度《发生变化时的透 射谱。图4中的竖直虚点线表示垂直入射情形下分布式Bragg反射镜结构的禁带范围。图 4中的dml = 30nm、dm2 = 45nm与dm3 = 60nm分别代表不同情形下银膜的厚度。从图4中 可以看出，金属银膜的厚度变化对通道位置的影响较小，当银膜的厚度小于45nm时，透射 峰的半高宽相对较宽；当d银膜的厚度大于45nm时，由于金属银材料的耗散导致透射峰的 峰值下降。据此，本发明提出银膜厚度在45士3nm范围是适宜于多通道滤波器的设计的。 另外，需要指出的是，这里禁带范围处于近红外波段，所以金属膜选择银材料比较好；若分 布式Bragg反射镜的禁带范围处在紫色光或近紫外波段，则选择金材料的金属薄膜比较适且。实例四本实例是在实例1分布式Bragg反射镜的层数为23. 5个周期的基础上改变顶层 AlxGa(1_x)As的组份，图5所示为入射光垂直入射到该结构中，AlxGa(1_x)As薄膜的厚度固定 为dt = 3900nm不变，但砷化铝镓的组分χ发生变化时的透射谱。图5中的X1 = O、& = 0. 334与知=1分别代表不同情形下顶层AlxGa(1_x)AS的组分。从图5中可以看出，砷化铝 镓组分不同，禁带范围也有了相应的改变。但在各自的禁带范围内都出现了 4个透射峰，也 就是说，透射峰(滤波器的通道)的个数主要取决于AlxGaa_x)As薄膜的厚度dt。另一方面， 砷化铝镓组分改变时，通道的位置(透射峰相应的波长)也相应的发生了变化。换句话来 说，本发明还可以通过控制顶层AlxGa(1_x)AS的组分来选取所需要的通道。此外，需要指出的是，由于砷化铝与砷化镓两种材料的晶格比较匹配，是构成分布 式Bragg反射镜比较常用的两种材料，但本发明分布式Bragg反射镜的构成并不局限于砷 化铝与砷化镓这两种材料，还可以有二氧化硅与氮化硅的组合、氮化镓与铝镓氮的组合等。 在实际应用中，两种材料晶格的匹配程度以及折射率比值的大小在构成分布式Bragg反射 镜时都是要仔细考虑的。
权利要求
1.基于多重光学Tamm态的多通道滤波器，包括分布式布拉格反射镜，其特征在于，在 布拉格反射镜上生长有一层AlxGaa_x)As薄膜，AlxGaa_x)As薄膜上镀有金属膜，其中χ e
。
2.根据权利要求1所述的多通道滤波器，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜由砷 化铝和砷化镓交替生长而成，交替生长的层数为20 30个周期。
3.根据权利要求1所述的多通道滤波器，其特征在于，所述AlxGa(1_x)AS薄膜的厚度为 1 10微米。
4.根据权利要求1所述的多通道滤波器，其特征在于，所述金属膜为银膜，银膜厚度在 45士3纳米范围内。
全文摘要
本发明公开了一种基于多重光学Tamm态的多通道滤波器，在布拉格反射镜上生长一层微米量级厚的砷化铝镓薄膜，再在砷化铝镓薄膜上镀一层金属薄膜。本发明通过改变砷化铝镓的组分以及砷化铝镓薄膜的厚度来调节滤波器通道的个数和各通道相应的波长，该滤波器具有通道窄且通道的位置在整个禁带范围内连续可调的优点，在光通讯系统中有着重要的应用价值。
文档编号G02B6/34GK102053310SQ201010552550
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者周海春, 李玉华, 杨光, 王凯, 陆培祥, 龙华 申请人:华中科技大学