一种一维光子晶体滤波器的制作方法

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种一维光子晶体滤波器。

背景技术：

由于在光子晶体中存在可调节的光子带隙，如果在完整的一维光子晶体周期性排列中引入缺陷层，在存在的电磁波禁带中就会出现带宽极窄的高强度透射模态，这被称为光子晶体的“光谱挖孔”现象。

现有技术中通过在sio2和tio2组成的以为光子晶体中的sio2中掺杂er³⁺和yb³⁺离子制备的谐振腔，可使在980mm出光致发光波长的光增加25倍。还有一种以si和zns为介质材料的具有缺陷一维光子晶体结构的密集波分复用仪计，经过计算，该结构在1539.97nm处的缺陷模宽度只有0.4nm。

一维光子晶体优异的滤波特性在光通信方面具有广泛的应用前景。如今很多学者已经依据光子晶体的滤波特性提出了其具有在光学谐振腔、光学反射镜、光学滤波器以及光子晶体光纤等通信方面的应用前景。

现有的一维光子晶体滤波器透射率较高，导致信号在传播时损耗较大，不容易对信号进行还原。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明实施例提供一种一维光子晶体滤波器。

本发明实施例提供一种一维光子晶体滤波器，所述光子晶体滤波器的结构为(ab)ⁿ(ba)ⁿ，a表示si，b表示al2o3，n表示(ab)结构和(ba)结构的周期数，对于任一中心波长，材料a的折射率和材料b的折射率根据麦克斯韦方程计算得到，材料a的物理厚度根据所述材料a的折射率和所述任一中心波长确定，材料b的物理厚度根据所述材料b的折射率和所述任一中心波长确定。

优选地，所述材料a的物理厚度根据所述材料a的折射率和所述任一中心波长确定，材料b的物理厚度根据所述材料b的折射率和所述任一中心波长确定，具体包括：

其中，na为材料a的折射率，nb为材料b的折射率，da为材料a的物理厚度，db为材料b的物理厚度，λ表示所述任一中心波长。

优选地，所述任一中心波长为1310nm，na＝3.5，nb＝1.65，n＝5,da＝93.57nm,db＝198.48nm，na为材料a的折射率，nb为材料b的折射率，da为材料a的物理厚度，db为材料b的物理厚度。

优选地，所述光子晶体滤波器对任一入射波的反射系数和透射系数如下：

其中，r表示反射系数，t表示透射系数，m11表示所述光子晶体滤波器的特征矩阵第一行第一列的元素，m12表示所述光子晶体滤波器的特征矩阵第一行第二列的元素，m21表示所述光子晶体滤波器的特征矩阵第二行第一列的元素，m22表示所述光子晶体滤波器的特征矩阵第二行第二列的元素，pa表示所述光子晶体滤波器左侧接触的外界环境系数，pb表示所述光子晶体滤波器右侧接触的外界环境系数。

优选地，所述光子晶体滤波器的反射率和透射率如下：

r＝|r|²，

其中，r表示所述反射率，t表示所述透射率。

优选地，所述光子晶体滤波器的特征矩阵如下：

其中，m(zi)表示所述光子晶体滤波器第i个单层膜的特征矩阵，m(zn)表示所述光子晶体滤波器的特征矩阵，γ表示所述任一入射波的波长，ε为介质的介电常数，μ为磁导率，θ为所述任一入射波传输到所述光子晶体滤波器是的入射角，zi表示所述任一入射波在第i个单层膜的传输距离。

本发明实施例提供一种一维光子晶体滤波器，该光子晶体滤波器在中心波长处的透射率较高，在其他波长处的反射率较高，因此，该光子晶体滤波器的禁带特性很好，波长在禁带范围内的光线都不能通过，且透射带宽极窄，从而信号在该光子晶体滤波器中传输时损耗较低，在长距离传输过程中，该光子晶体滤波器比较适用于还原信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种一维光子晶体滤波器的结构示意图；

图2为本发明实施例中光线垂直入射光子晶体滤波器的仿真结果图；

图3为本发明实施例中1310nm中心波长处的反射透射谱仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种一维光子晶体滤波器的结构示意图，如图1所示，该光子晶体滤波器的结构为(ab)ⁿ(ba)ⁿ，a表示si，b表示al2o3，n表示(ab)结构和(ba)结构的周期数，对于任一中心波长，材料a的折射率和材料b的折射率根据麦克斯韦方程计算得到，材料a的物理厚度根据所述材料a的折射率和所述任一中心波长确定，材料b的物理厚度根据所述材料b的折射率和所述任一中心波长确定。

需要说明的是，中心波长往往出现在光学或无线电学上，在应用上，无法产生只具有单一波长的电磁波，即使是纯度最高的激光，也有一定的波长分布范围，如果需要产生某中心波长为1550nm的激光，但是实际的得到的激光的波长分布范围也许是1549nm-1551nm的。

本发明实施例提出了一种一维光子晶体滤波器，该滤波器的结构和材料都是新的，该滤波器的结构为(ab)ⁿ(ba)ⁿ，该滤波器由n个(ab)结构单元和n个(ba)结构单元组成，n个(ab)结构单元和n个(ba)结构单元依次紧密连接构成光子晶体滤波器，因此，光子晶体滤波器关于在第n个(ab)结构单元处对称。

具体地，本发明实施例中，a代表的材料为si，b代表的材料为al2o3，na、nb分别代表材料a、材料b的折射率，da、db分别代表材料a、材料b的物理厚度，n表示(ab)结构单元和(ba)结构单元的周期数。

针对不同中心波长信号的光子晶体滤波器，该光子晶体滤波器中(ab)结构单元和(ba)结构单元的周期数、每种材料的物理厚度也会不一样，本发明实施例中，首先根据麦克斯韦方程计算出材料a和材料b的折射率，然后根据每种材料的折射率和该光子晶体滤波器针对的中心波长，计算出每种材料的物理厚度。

按照上述方法，设计出针对不同中心波长的光子晶体滤波器，并对针对多种不同中心波长的光子晶体滤波器进行仿真，仿真结果表明，该光子晶体滤波器在中心波长处的透射率达到99％以上，并且，在中心波长量测的透射率很低，因此，该光子晶体滤波器满足激光通信中超窄带滤波器的要求，具有相对较窄的透射带宽，使得信号在通过该光子晶体滤波器时，损耗较少，方便对信号进行还原。

在上述实施例的基础上，优选地，所述材料a的物理厚度根据所述材料a的折射率和所述任一中心波长确定，材料b的物理厚度根据所述材料b的折射率和所述任一中心波长确定，具体包括：

其中，na为材料a的折射率，nb为材料b的折射率，da为材料a的物理厚度，db为材料b的物理厚度，λ表示所述任一中心波长。

具体地，本发明实施例给出了材料a的物理厚度和材料b的物理厚度的具体计算方法，该方法为经典光学的计算方法，是通信领域中经常用到的方法。

在上述实施例的基础上，优选地，所述任一中心波长为1310nm，na＝3.5，nb＝1.65，n＝5,da＝93.57nm,db＝198.48nm。

具体地，当该光子晶体滤波器主要对中心波长为1310nm的激光进行滤波时，此时，该光子晶体滤波器的结构为(sial2o3)⁵(al2o3si)⁵，该结构中，材料si的折射率为3.5，材料al2o3的折射率为1.65，si的物理厚度为93.57nm，al2o3的物理厚度为198.48nm。

图2为本发明实施例中光线垂直入射光子晶体滤波器的仿真结果图，如图2所示，从图中可以看出，该光子晶体滤波器在1310nm处具有较高的透射率，而在该中心波长两侧的透射率较低，在1000nm-1700nm波段的反射率达到99.9％上，说明该光子晶体滤波器的周期结构的禁带特性很好，波长在禁带范围内的光线都不能通过。

图3为本发明实施例中1310nm中心波长处的反射透射谱仿真图，如图3所示，在中心波长1310nm附近的反射率较低，透射率较高，具有超窄透射带宽，该光子晶体滤波器的透射带宽较窄，透射带宽的半高宽在0.5nm以内。

从而，该光子晶体滤波器具有很好的滤波性能，从而，信号在该光子晶体滤波器中传递是损耗较低。

具体地，光子晶体滤波器的透射率和反射率的计算，都是以下列原理为依据的：

光子晶体滤波器中电磁波传播特性的计算可以采用传输矩阵的方法，该光子晶体滤波器中由多个单膜层组成，一个材料a或者一个材料b都称为单膜层，当光波入射时，每个单膜层的特征矩阵为：

m(zi)表示所述光子晶体滤波器第i个单层膜的特征矩阵，γ表示入射波的波长，ω表示入射波的频率，c为真空中光的速度，ε为介质的介电常数，μ为磁导率，θ表示入射波传输到光子晶体滤波器是的入射角，zi表示入射波在第i个单层膜的传输距离。

基于上述单层膜的传输矩阵，可以得到光子晶体滤波器的特征矩阵：

由此，可得到一维光子晶体滤波器对特定入射波长为γ的反射系数和透射吸收：

其中，r表示反射系数，t表示透射系数，m11表示光子晶体滤波器的特征矩阵第一行第一列的元素，m12表示光子晶体滤波器的特征矩阵第一行第二列的元素，m21表示光子晶体滤波器的特征矩阵第二行第一列的元素，m22表示光子晶体滤波器的特征矩阵第二行第二列的元素，pa表示光子晶体滤波器左侧接触的外界环境系数，pb表示光子晶体滤波器右侧接触的外界环境系数。

其中，εa表示左侧接触外界界面上的介电常数，μa表示左侧接触外界界面上的磁导率，θa表示波传播到介质时的入射角，εb表示右侧接触外界界面上的介电常数，μb表示右侧接触外界界面上磁导率，θb表示波输出到外界界面时与介质的夹角。

进而可以得到光子晶体滤波器的反射率和透射率：

r＝|r|²，

其中，r表示所述反射率，t表示所述透射率。

以上为光子晶体滤波器反射率和透射率计算的理论依据，实际在计算过程中，可以直接利用macleod软件对一维光子晶体滤波器进行仿真计算，得出最终的层数结构和对应的仿真图。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。