一维光子晶体滤波器的设计

一维光子晶体滤波器的设计

0利用卡塞格伦天线进行的直接追踪长期以来，微波和红外段的通信、检测、调查、报警、跟踪和目标研究一直在进行。随着对通信码速率、容量和保密性以及对全天候和高性能的目标探测、跟踪系统需求的快速增长,移动目标之间的近红外和可见光领域的通信、探测与跟踪技术受到了人们的高度重视。在这些系统的应用中,光学天线普遍采用的是卡塞格伦天线系统。光子晶体于1987年由E.Yabolonovitch和SJohn分别提出。通过改变不同折射率材料的堆积方式来实现对光传播的控制。堆积方式的改变可以在一维、二维和三维方向上进行,与之相对应就形成了一维、二维和三维光子晶体。一维光子晶体是介电常数不同的材料在一个方向上周期性调制而其他两方向均匀的多层结构,其用途可以作为滤波器、高反镜等。文中介绍了基于一维光子晶体的全反射镜和滤波器设计及其在卡塞格伦光学天线系统中的应用。1波的波长的计算设计一维光子晶体滤波器时,通常采用传输矩阵法进行分析。根据参考文献,当光波穿过单层介质时,介质层入射面上的光波(E0、H0)与出射面上的光波(E1、H1)有如下的关系:式中:δ=2πndcosθ/λ,λ为入射波的波长,n为介质的折射率,d为介质层的厚度,θ为入射角度。TM模时,,TE模,。文中以TE模为例进行计算。对一个由N层介质组成的一维光子晶体,其传输矩阵可写为各层传输矩阵的乘积,如:进一步可得整个结构的透射系数及透射率:在介质高反射膜的设计中,通常遵循的原则是:取两种交替介质薄膜的光学总厚度为工作波长的1/4。由于对不同角度的入射光,介质薄膜的光学厚度不同,而且一维光子晶体没有完全禁带,所以一般认为利用多层介质不可能实现对光的全反射。但是,Y.Fink等注意到,实际使用多层介质膜作全反射镜时,入射到它表面的光沿介质膜法向的波矢必须是纯实数。因此,设计的一维光子晶体只要在光锥内存在完全禁带,就是一个理想的介质全方向反射镜。2缺陷层光学厚度对光子晶体滤波器的影响首先考虑滤波器的设计,由3种介质构成(A,B,F),折射率为(n1,n2,nf)。左右两边为周期分布的介质膜,其折射率分布为n1、n2,中间一层为不同的介质膜nf。研究的一维光子晶体滤波器结构为A(BA)NF(AB)MA。A为高折射率材料聚砜醚(PES),n1=2.8,B为低折射率材料硒化砷(As2Se3),n2=1.4,取两层的光学厚度n1d1=n2d2=λ0/4。λ0取为空间光通信系统中常采用的1550nm。中间缺陷层材料为氧化镁(MgO),折射率为nf=1.7,其光学厚度选择为λ0/2,在实际的制作中,可以采用镀膜技术来实现所设计的光子晶体滤波器。为了简化计算,只考虑正入射情况。主要讨论以下两个因素对光子晶体滤波器的影响:A(AB)NF(AB)MA结构中A与B的厚度比和中间缺陷层。在分析过程中,首先选取了N=M=6来进行计算,假定缺陷层的参数不发生改变。下面分析滤波器结构中A与B的厚度比变化对光子晶体滤波器性能的影响,如图1所示。A、B的光学厚度之和仍然为λ0/2。在图1(a)中,x坐标是波长,y坐标是A层的厚度,z坐标是透过率。在处理厚度变换时,A层与B层的光学厚度被限定在0.9747~1.0260,从图中可以看出:原来在1550nm的透过峰出现了一系列复杂的周期性变化,其位置和大小都有了改变。为了更进一步说明问题,选择了厚度比为1∶1、2∶3和1∶4,作出了其透过率的仿真曲线。从图1(b)可以看出:厚度比变化(不再满足n1d1=n2d2=λ0/4条件),透过峰的大小和位置都发生了变化,随着A层(高折射率层)厚度的减少而向短波方向移动,但是移动的距离与变化比例之间没有显式的函数关系,并且透过峰的大小也发生了变化。中间缺陷层对光子晶体滤波器的影响体现在折射率变化和长度变化上,在正入射条件下,这两种变化最终都反映到对光学长度的影响上,所以文中讨论缺陷层对光子晶体滤波器的影响时,不再分别讨论这两种变化,而是统一讨论其光学长度变化对光子晶体滤波器的影响。仍然采用之前使用的参数:N=6、M=6,A、B两层光学厚度满足n1d1=n2d2=λ0/4。在此基础上,选择缺陷层的光学厚度为770~780nm,旨在分析缺陷层厚度在满足λ0/2条件下,做微小扰动带来的影响。与前面讨论滤波器结构中的重复部分光学长度变化带来的影响相类似,缺陷层厚度变化带来了透过峰位置和大小的一系列复杂变化,如图2(a)所示。为了精细分析缺陷层光学厚度变化带来的影响,将仿真的范围限定在1500~1600nm,每次步进波长为0.01nm。如图2(b)所示,增加光学长度,滤波器的透过峰向长波方向移动,减小光学长度,滤波器的透过峰向短波方向移动,这也就验证了图2(a)中的变化。由于光学长度取值从770nm到780nm不断变化,透过峰的位置也在不断变化,故在利用Matlab显示的时候,由于变化范围相对较小,透过峰密集地集中在1550nm附近,见图2(b)。从以上分析可以看出:光子晶体滤波器结构A(AB)NF(AB)MA中,厚度比变化能够影响透过峰的位置和大小,缺陷层光学厚度在小范围变化时,影响的主要是透过峰的位置。在实际设计中,首先结合具体的制造工艺,满足重复部分的λ0/4条件,在波长改变不大时,可以通过改变缺陷层厚度寻找合适的参数使透过峰移动到所需要的位置,而重复部分的周期数N和M则可以调整合适的禁带宽度以达到设计的目标。接着,考虑全反射镜的情况。基本结构单元为ABA的一维光子晶体中TM模的本征方程为:式中:pj=kz(j)hj;△=ε2kz(1)/ε1kz(2)。通过仿真可知:当周期a不变、厚度比不变、折射率比增大时,则频率范围增大。同样也可以仿真研究厚度、厚度比的改变对全反射带的影响,限于篇幅,文中没有给出厚度、厚度比的仿真图形,但仿真结果表明:其影响次于上述讨论的介电常数(或折射率)比值的影响。由此可根据空间光通信中的应用需要调节以下参数:(1)介质的厚度比;(2)介电常数比;(3)厚度。当需要带宽较大时,则增大相对介电常数比;当需要增大频率时,尽量增加厚度比且设计第一层为低折射率介质,当需要获得较低频率的全反射时,增大厚度比,且第一层为高折射率介质。将光通信应用的另一个波长范围780~901nm设计在光子晶体的全反射带内,如图3所示,该结构的光子晶体就可以在全方向上全反射光,其结构参数为:a=0.22μm,l1/l2=1∶2,ε1∶ε2=16∶2,仿真得到对应频率范围为:a/λ=ωa/2πc∈(0.2030,0.2940)。其中,厚度为亚微米级。对应的波长范围约为:λ∈(748,1083)nm。以此设计光通信系统反射镜即可实现对780~910nm范围的激光的全反射。3光子晶体准直系统设计思路利用传输矩阵法设计了一维光子晶体滤波器,并分析了影响其性能的几个因素,由光波在一维光子晶体中传播的TM模和TE模本征方程,并针对具体的指标进行一维光子晶体全反射镜的优化设计。图4是设计制作的一套空间光通信系统,采用卡塞格伦光学天线,其激光发射部分原理为:激光束通过图中信标光1、信号光半导体激光器2发出,然后经过准直系统3、4后进行准直;再经过光传输系统进入天线的扩束系统和卡塞格伦天线的副镜直到主镜,然后将激光束以高精度(低发散角)准直方式发射出去;接收部分原理为:接收到的激光束通过粗跟踪探测器17和精跟踪探测器21、24分别进行探测,从而控制ATP系统工作。对于信号光可以通过光路设置,使之进入存储系统中进行高速率、大容量高密信息存储。所设计的光子晶体滤波器件应用于聚焦透镜23之前,可以有效地减少整个天线系统的探测噪声,提高系统的信