[发明专利]一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，尤其是一种利用耦合光栅动态调控导模共振滤波器反射光谱带宽大小的方法，属于光通信与微机电系统领域。

背景技术

导模共振滤波器是一种利用导模共振效应实现共振滤波的光学元件，这类滤波器所需的膜层数少，滤波性能优越，在激光高反系统、偏振系统、光调制器以及生物传感等方面有着重要的应用价值。在实际应用中，光谱带宽大小是滤波器的一个重要性能指标。为了有效控制导模共振滤波器的光谱带宽大小，常用方法有三种：第一种是控制光栅层的调制强度，也就是改变光栅层材料高低折射率的对比度，比如增大光栅层的调制强度将导致滤波器的带宽增加，反之带宽减小；第二种是改变光栅深度，比如增加光栅深度将增大滤波器的光谱带宽，反之带宽减小；第三种是利用薄膜层的调控作用，比如在光栅层与波导层之间引入缓冲层，通过控制缓冲层厚度大小可以实现对滤波器反射光谱带宽大小的控制，一般而言，缓冲层厚度越大滤波器光谱带宽越小。上述方法从改变光栅层或薄膜层的结构参数入手，只能针对特定应用需求设计出特定带宽大小的导模共振滤波器，针对同一个滤波器结构，只能得到单一的光谱带宽大小，不能对导模共振滤波器光谱带宽大小进行动态调控。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明首先提供一种导模共振耦合光栅结构，该耦合光栅可用于实现良好的抗反射滤波效应。

所述导模共振耦合光栅结构是由带二分之一虚设层厚度的、等同的、上下两个堆叠的亚波长光栅构成；以TM偏振光入射，入射角θ_i由式(1)确定，光栅深度(即，每个光栅对应的二分之一虚设层厚度)d由式(2)确定；式(1)中，n_c和n_s分别为入射媒质和基底的折射率；式(2)中，λ为设计波长；n_e如式(4)所示，为亚波长光栅形式双折射现象对应e光的折射率；n_o如式(3)所示，为亚波长光栅形式双折射现象对应的o光的折射率；式(3)、式(4)中f为光栅填充系数，n_H和n_L分别为光栅层材料的高低折射率。

θ_i＝arctan(n_s/n_c)式(1)

在本发明的一种实施方式中，所述导模共振耦合光栅结构可以用于选取任意设计波长和薄膜材料的导模共振滤波器。

在本发明的一种实施方式中，所述导模共振耦合光栅结构可以用于设计导模共振滤波器时，选取的设计波长λ＝650nm，采用HfO₂和SiO₂两种材料进行设计。也就是n_c＝1，n_H＝1.98，n_L＝n_s＝1.46，f＝0.3，S＝0。根据公式(1)-(4)，得到的布儒斯特角θ_i＝55.59°，对应的二分之一虚设层光栅深度为d＝239.62nm，此时选取光栅周期Λ＝276.04nm。可以在设计波长650nm处实现良好的抗反射滤波效应，光谱带宽为0.11nm。

本发明还提供一种基于所述耦合光栅结构动态调控导模共振滤波器反射带宽大小的方法，是针对TM偏振入射光，在布儒斯特角附近，通过控制上下两个堆叠的亚波长光栅间微/纳米级的相对横移改变结构中电磁场分布，实现对导模共振滤波器反射带宽大小的动态调控，同时保证滤波器固有的优良抗反射滤波性能。

具体地，在耦合光栅没有发生相对横移的情况下，对于给定的结构和材料，耦合光栅滤波器具有固有的带宽大小；当上下两个堆叠的亚波长光栅发生相对横移，将引起导模共振滤波器中电磁场分布发生改变、上下两光栅间的电磁场耦合发生改变，从而导致光谱带宽大小发生改变。例如，对于n_H＝1.98，n_L＝1.46，光栅未发生相对横移时光谱带宽大小为0.11nm；当S＝0.5时，光谱带宽大小为2.92nm。一般地，在S＝0.5附近，反射光谱带宽大小达到最大值。

在本发明的一种实施方式中，当S在0-0.5的范围内变化时，反射光谱带宽将在0.11-2.92nm范围内连续变化，因此通过调节S可以实现对光谱带宽大小的连续可调。