一种基于高温超导材料的多信道滤波器及信道控制方法

1.本发明属于多信道滤波器技术领域，具体涉及一种基于高温超导材料的多信道滤波器及信道控制方法。


背景技术：

2.在全光通信中，会用到波分复用器件来提高信道的容量。准周期光子晶体，如octonacci光子晶体、cantor光子晶体和period-doubling光子晶体等，由于在准周期光子晶体中存在多个缺陷腔，因此该类光子晶体支持多重光子滤波，而且滤波通道的数量随着光子晶体序号的增加呈指数增长。
3.但是，发明人研究发现，基于octonacci光子晶体虽然能对信道数量进行扩展，但是多通道滤波器一旦形成后，其各滤波通道的中心波长很难被调控，例如申请号为2021108153471的发明专利公开的一种多信道准周期光子晶体的信道控制方法。即便通过掺杂二维材料来对滤波通道的透射率和中心波长进行调控，但制作工艺复杂，调控范围也相当有限，例如申请号为2021109960726的发明申请公开的一种可调双通道光子滤波器。


技术实现要素：

4.为了改善现有多通道滤波器的各信道中心波长很难被调控以及调控范围相当有限等缺陷，本发明针对提供一种基于高温超导材料的多信道滤波器及信道控制方法，其可通过改变环境温度对各信道的中心波长做近线性调控，操作简单，且调控范围较宽。
5.第一方面，本发明提供一种基于高温超导材料的多信道滤波器，采用如下的技术方案：
6.一种基于高温超导材料的多信道滤波器，包括由两种折射率不同的媒质薄片a和媒质薄片b按照octonacci序列的第n项即sn＝s
n-1sn-2sn-1
交替排列而成的octonacci光子晶体结构，其中n为大于2的整数、用于表示序列的序数，而s1＝a，s2＝b，a为由半导体材料gaas制成的媒质薄片，b为由超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
制成的媒质薄片，且媒质薄片a和媒质薄片b的厚度均为各自1/4光学波长；所述octonacci光子晶体结构支持多个光学分形态，所述多个光学分形态即为多重光子信道，而各信道对应的中心波长随环境温度升高而增大，且呈现出近线性关系。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.进一步，所述序列的序数为n＝5或6。
9.进一步，环境温度te＝100k、压强p＝0pa时，所述媒质薄片a的折射率为n
a0
＝3.5678，媒质薄片b的折射率为n
b0
＝0.9994；设定中心波长为λ0＝1.55μm，所述媒质薄片a的厚度为da＝λ0/(4n
a0
)＝0.1086μm，媒质薄片b的厚度为db＝λ0/(4n
b0
)＝0.3877μm。
10.第二方面，本发明提供一种基于高温超导材料的多信道滤波器的信道控制方法，采用如下的技术方案：
11.一种基于高温超导材料的多信道滤波器的信道控制方法，通过改变环境温度对所
述多信道滤波器的各信道对应的中心波长做近线性调控。
12.进一步，所述环境温度的改变区间为(0k，200k)。
13.本发明的有益效果是：本发明通过将由半导体材料gaas制成的媒质薄片a和由超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
制成的媒质薄片b按照octonacci序列的第n项即sn＝s
n-1sn-2sn-1
排列，形成octonacci光子晶体结构。所述octonacci光子晶体结构支持多个光学分形态，对应着一系列的共振模。从而得到的多波长滤波器，滤波通道就是光子信道。在低温条件下，所述半导体材料gaas与超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
的介电常数对温度变化极其灵敏，从而可以通过环境温度调控所述octonacci光子晶体结构中各信道对应的中心波长。所述多信道滤波器中各信道中心波长随环境温度的升高而增大，且各信道的中心波长与温度呈近线性关系。故可通过改变环境温度对各信道的中心波长做近线性调控，操作简单，且调控范围较宽。
附图说明
14.图1为本发明实施例1中所述octonacci光子晶体结构示意图，n＝5；
15.图2(a)为本发明实施例1中环境温度分别为te＝0k、100k和200k对应的octonacci光子晶体中光波的透射谱，图2(b)为图2(a)octonacci光子晶体中光波透射谱的局部放大图，n＝5；
16.图3为图2(b)中的光子带隙中心共振模c1和c2对应的中心波长随环境温度的变化(te＝0k
→
200k)；
17.图4(a)为本发明实施例2中环境温度分别为te＝0k、100k和200k对应的octonacci光子晶体中光波的透射谱，图4(b)为图4(a)octonacci光子晶体中光波透射谱的局部放大图，n＝6；
18.图5为图4(b)中的光子带隙中心共振模c3和c4对应的中心波长随环境温度的变化(te＝0k
→
200k)。
具体实施方式
19.以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
20.除非另有说明，本发明采用的原料为本技术领域常规原料，皆可于市场购得。以下实施例的试验方法和检测方法中，如无特别说明，均为常规方法，试验中所用器具仪器皆可通过商业途径获得。本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
21.当环境温度在绝对零度附近时，半导体和超导材料的折射率对环境温度极其敏感。尤其是当温度低于温度阈值时，超导材料的电阻率为零。因此，发明人考虑将半导体材料和超导材料复合，形成准周期光子晶体，得到光学分形共振态。环境温度直接影响导体和超导材料的折射率，从而影响光子晶体中光学分形态的中心波长，基于该效应可实现低温下的多通道滤波器及其滤波通道中心波长的温度调控。
22.以下为本发明的实施例
23.实施例1
24.将两种折射率不同的媒质薄片a和媒质薄片b交替排列，形成一维octonacci光子
晶体。octonacci序列的迭代规则为：sn＝s
n-1sn-2sn-1
，n》2，而s1＝a，s2＝b，其中n为序列的序数，a、b是两种折射率不同的媒质薄片。n为大于2的整数。
25.图1给出了序数n＝5的octonacci光子晶体结构。当n＝5时，所述octonacci光子晶体表示成s5＝babbbabbabbabbbab。另外，由此还可以迭代出其它序数对应的光子octonacci晶体：s3＝bab，s4＝babbbab，s6＝s5s4s5，s7＝s6s5s6，s8＝s7s6s7，
……
。符号ii为入射光线，ir为反射光线，i
t
为透射光线。以水平向右为z轴的正方向。
26.本实施例中，所述媒质薄片a由半导体材料gaas制成，所述媒质薄片b由超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
制成。所述半导体材料gaas的介电常数为
[0027][0028]
其中te表示环境温度，k表示绝对温度单位(开尔文)，p表示媒质薄片b所承受的压强。媒质薄片a的厚度与压强的关系为
[0029]
da(p)＝d
a0
[1-(s
11
+2s
12
)p]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0030]
其中d
a0
为p＝0的初始厚度，弹性常数s
11
＝1.16
×
10-2
gpa-1
(gpa-1
表示每吉帕)和s
12
＝-3.7
×
10-3
gpa-1
。
[0031]
所述超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
是无损耗的，其介电常数为
[0032][0033]
其中c为真空中光速，ω＝2πf为光波角频率，f＝c/λ为光波频率，λ为光波波长，伦敦(london)穿透深度λ
l
为
[0034][0035]
其中λ0＝6.1μm，其中te为环境温度，临界温度可表示成tc＝a+bp+dp2，其中a＝134，b＝2.009，d＝-4.194
×
10-2
，p为压强。
[0036]
以环境温度te＝100k(开)，p＝0pa(帕)为标准，得到gaas的折射率为n
a0
＝3.5678，以及hgba2ca2cu3o
8+δ
的折射率为n
b0
＝0.9994。设定中心波长为λ0＝1.55μm，并以此确定媒质薄片a和媒质薄片b的厚度均为各自1/4光学波长，即a的厚度为da＝λ0/(4n
a0
)＝0.1086μm(μm表示微米)，b的厚度为db＝λ0/(4n
b0
)＝0.3877μm。
[0037]
octonacci光子晶体属于准周期光子晶体，支持光子带隙，同时在光子带隙中，存在一系列的透射模。当octonacci光子晶序号n增加时，光子带隙中的透射模的数量呈指数增加，因此也将所述透射模叫光学分形态。所述光学分形态可被用于多通道光子滤波器，对应的多个光学分形态即为光子多信道。
[0038]
横磁波垂直入射时，图2(a)给出的是不同环境温度下(te＝0k、100k和200k)序号n＝5对应的octonacci光子晶体中光波的透射谱。纵坐标t表示透射率，横坐标(ω-ω0)/ω
gap
表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ω
gap
＝4ω0arcsin
│
(n
a0-n
b0
)/(n
a0
+n
b0
)|2/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin
为求反正弦函数。可以看到，不同的环境温度分别对应着一根光波透射谱曲线；在归一化频率为(-1,1)区间内，每一根透射谱曲线中间，都存在4个共振峰，对应着4个光学分形态。所述4个光学分形态为4个滤波通道，即4个信道，其中中间的两个共振峰宽度较窄，如虚线框标注的位置，说明其共振较强；环境温度不一样，光波透射谱不重合，共振峰位置也发生改变。
[0039]
图2(b)给出的是图2(a)octonacci光子晶体中光波透射谱的局部放大图，序号n＝5。可以看到：在归一化频率为(-0.1,0.1)区间内，每根透射谱存在两个共振峰，即两个信道，分别记为c1和c2；当温度te＝0k升高到te＝200k时，共振峰的位置向左移动，即向低频方向移动，则对应的共振峰波长向长波长移动。因此，可通过环境温度来调控n＝5的octonacci光子晶体中各信道的中心波长。
[0040]
图3给出的是环境温度对光子带隙中心共振模c1和c2对应的共振波长的调控，序号n＝5。纵坐标表示共振模对应的中心波长λ
p
。共振模c1和c2对应的共振波长分别记为λ
p1
和λ
p2
。当环境温度从te＝0k变化到te＝200k时，对应的c1中心波长从λ
p1
＝1.6466μm增加到λ
p1
＝1.6585μm，对应的c2中心波长从λ
p2
＝1.454μm增加到λ
p2
＝1.4655μm，且共振模的中心波长呈近线性增加。因此，可以通过温度来调控n＝5的octonacci光子晶体中各信道的中心波长。
[0041]
实施例2
[0042]
本实施例所设计的多信道滤波器相较于实施例1，区别仅在于所采用的octonacci光子晶体的序号n＝6，结构其余部分均相同。
[0043]
图4(a)给出的是不同环境温度下(te＝0k、100k和200k)n＝6时的octonacci光子晶体结构对应的光波透射谱。当octonacci光子晶体的序号n增加时，光子带隙中的透射模呈指数增加。此时的结构为s6＝babbbabbabbabbbabbabbbabbabbbabbabbabbbab。可以看到：相对于n＝5的情况，同样地，不同的环境温度对应着不同的光波透射谱；不同地是，光波的中间光子带隙中心的透射峰更加窄，意味着共振更强；光子带隙中的光学分形态数量更多，即光子信道的数量进一步增加。
[0044]
图4(b)给出的是图4(a)光波透射谱中带隙中心共振模的局部放大图。可以看到：当温度升高时，共振峰的位置向左移动；相对于n＝5的情形，共振峰变窄，共振性变强；在归一化频率为(-0.1,0.1)区间内，每根透射谱存在6个共振峰，即6个信道，将中间靠近0点的两个信道分别记为c3和c4；当温度te＝0k升高到te＝200k时，共振峰的位置向左移动，即向低频方向移动，则对应的共振峰波长向长波长移动。因此，也可通过环境温度来调控n＝6的octonacci光子晶体中各信道的中心波长。
[0045]
图5给出的是环境温度对光子带隙中心共振模c3和c4对应的共振波长的调控，序号n＝6。共振模c3和c4对应的共振波长分别记为λ
p3
和λ
p4
。当环境温度从te＝0k变化到te＝200k时，对应的c3中心波长从λ
p3
＝1.5681μm增加到λ
p3
＝1.5797μm，对应的c4中心波长从λ
p4
＝1.5213μm增加到λ
p4
＝1.5331μm，且共振模的中心波长呈近线性增加。因此，也可以通过温度来调控n＝6的octonacci光子晶体中各信道的中心波长。
[0046]
总之，将媒质薄片a和媒质薄片b交替排列，形成一维的准周期结构octonacci光子晶体，其中a由半导体材料gaas制成，b由超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
制成。当光波照射到此周期结构时，在光子带隙的中心会出现一系列的共振模，即多个光学分形态，对应着多重光子
信道。由于半导体材料gaas与超导材料hgba2ca2cu3o
8+δ
的介电常数在低温下对温度及其敏感，导致各信道的中心波长随温度升高而增大，且呈现出近线性关系。增大光子晶体的序列号，信道的共振性增强，且信道数量增加。此效应可被应用于低温环境下(0k，200k)基于环境温度调控的多信道滤波器。
[0047]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。