金属薄膜的缺陷模对一维光子晶体滤波特性的影响 
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1 引言
光子晶体是由呈周期性排列的具有不同折射率的介质材料组合而成人工材料,其介电常数在空间某一或某几个方向上按一定周期变化[1-3] 。其工作原理与半导体晶格对电子波函数的调制原理类似,即电磁波在光子晶体中传播时受布拉格散射[4-5]的作用,其能量会形成能带结构。光子晶体中存在光子带隙,因此其本身就是一个天然的滤波器[6-9],在微波电路、天线以及全新光子器件设计等方面具有重要的应用价值。光子晶体理论最早由Yablonovitch[10-11]提出,此后经过近20年的发展,关于光子晶体的理论与实验研究已逐步从微波波段发展到红外、可见光波段,在制备和加工方面也取得了一定的进展[12-13],目前对光子晶体滤波特性的研究已成为国内外微纳光学领域的热点问题之一。
大量研究表明,在光子晶体中引入缺陷结构可以直接制备光子晶体共振腔,即当外来入射波的频率和所引入的缺陷模的频率吻合时会发生共振。光子晶体滤波器就是利用了这一特性来实现传统滤波器所不具备的滤波功能。一方面,当光子晶体中的某些单元缺失而形成缺陷时,光子频率禁带内的某些频率会毫无损失地穿过光子晶体,利用光子晶体这一特性可以制备高品质的极窄带选频滤波器[14-17]。另一方面,当在周期性排列的光子晶体基元介质薄膜之间合理地插入不同于基元介质的薄膜时也会形成缺陷,光传播到缺陷位置时被局域限制(即缺陷位置处的光场增强),自发辐射增强,这种增强的自发辐射导致透射能带谱中出现透射率很高且带宽很窄的缺陷模[18-21]。通过引入缺陷来控制电磁波在光子晶体中传播的方法可广泛应用于光通信、光电子集成器件等领域[22-23],因此,以不同的应用场合为背景,开展基于各类型缺陷材料的光子晶体滤波的机理研究具有重大意义。目前,大多数研究主要针对缺陷材料为电介质的情形,而缺陷材料为金属的研究鲜有报道[24-28]。金属光子晶体能够在亚波长尺度上有效控制和约束光的传播,呈现出诸多突破光的衍射理论限制的奇特的光传输现象[29],在纳米光子器件、高密度集成电路、数据存储、纳米光刻等领域具有巨大的应用潜力。利用金属光子晶体超构材料,可设计更符合实际应用要求的光子和电磁器件,因此近几年来备受关注[30-36]。
2 研究模型与方法
含有缺陷的一维光子晶体结构如
式中
3 结果与分析
取Ag膜厚度
图 2. (a)透射率分布图;(b) dc=50 nm时的透射谱
Fig. 2. (a) Transmissivity distribution; (b) transmission spectrum at dc=50 nm
根据布洛赫波的产生原理,应用Lumerical FDTD仿真软件得出一维复合光子晶体结构的能带图,如
图 3. 不同条件下光子晶体的色散曲线。(a) dc=20 nm;(b) dc=50 nm;(c) dc=80 nm
Fig. 3. Dispersion curves of photonic crystal under different conditions. (a) dc=20 nm; (b) dc=50 nm; (c) dc=80 nm
以上讨论均是针对光线正入射的情况,下面对光线斜入射的情形进行研究。当缺陷厚度
式中
仿真结果与理论计算结果完全一致。
图 4. 不同入射角度下光子晶体透射率与入射波长的关系
Fig. 4. Transmissivity of photonic crystal versus incident wavelength under different incident angles
图 5. (a) ITO膜厚度对光子晶体滤波器透射率的影响;(b)波长为400 nm时透射率与ITO膜厚度的关系
Fig. 5. (a) Effect of ITO film thickness on transmissivity of photonic crystal; (b) relationship between transmissivity and ITO film thickness at 400 nm wavelength
4 结论
采用FDTD法对含有金属缺陷的一维光子晶体的滤波特性进行了仿真研究,并计算了与之对应的光子晶体色散曲线,分析了色散机理。改变缺陷厚度不仅可以改变光子晶体透射共振峰的位置,还可以改变其滤波的范围及滤波波形,同时通过能带理论对上述现象作出了初步的解释说明。入射光线在小角度(0°~20°)变化的情况下,入射角度对滤波器滤波波峰位置的影响甚微,这有利于扩大光子晶体的应用领域。增大ITO膜的厚度,光子晶体的透射波峰向长波方向移动,同时该光子晶体滤波性能呈现周期性变化,变化周期为115 nm,这与理论计算的结果(115.6 nm)相吻合。该研究结果为光子晶体滤波器的设计和应用提供了参考。
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