量子阱光子晶体的滤波特性研究

论文摘要

高精度光滤波器是密集波分复用光通信系统、特殊波段的图像检测系统和超精细分割的光谱分析系统中必不可少的光波选择与提取器件。光子晶体可以阻止或允许部分波段的光传播,具有控制精度高、光损耗小等优势,有利于实现光子滤波器件的微型化和集成化。设计新型结构、探索新的物理特性及扩展光学器件的应用范围,一直是光子晶体研究领域的热点。量子阱光子晶体是对传统光子晶体结构的拓展和优化,具有更灵活的调谐模式和更宽的滤波范围,为调节隧穿峰滤波通道和禁带带宽提供了更多选择。针对目前光子晶体滤波器中的存在的调谐滤波非线性、带通滤波禁带窄、以及膜厚扰动对滤波性能影响不明确等问题,本文提出了三种量子阱光子晶体结构,可实现多通道高精度的调谐滤波、宽禁带的带通滤波和禁带中心稳定的带阻滤波,评估了无序扰动对光子晶体滤波特性的影响,并采用了磁控溅射法实验制备出（Si/SiO2）6光子晶体样品,与模拟结果进行对比验证。具体研究成果如下:（1）通过在Si/SiO2镜像对称光子晶体中引入空气缺陷腔,提出了ABA型量子阱光子晶体结构。采用调谐空气腔物理厚度,在光通信波段内实现双通道以及多通道高精度调谐滤波,可解决现有滤波器调谐非线性、半高宽不稳定等问题。多个隧穿通道峰均可达到100%的实时高透射,同时半高宽低于0.2nm,满足密集波分复用滤波的需求。通过结合空气腔厚度调谐和光入射角度调谐,可将调谐滤波范围扩展至O、E、S、C、L、U通信波段（1260nm-1675nm）。该结构同时满足多通道实时和高精度滤波的双重要求,能够提升信息处理速率和传输容量。（2）针对紫外带通滤波器的阻带范围窄,通带透过率低等问题,提出由ZrO2/MgF2光子晶体频域叠加构成的ABC型量子阱光子晶体结构。通过调整结构参数,发现势阱光子晶体的排列顺序和结构周期对光子晶体禁带的滤波特性影响较大。通过优化参数,可在日盲紫外波段（240nm-280nm）实现高效滤波,平均透过率达到64.524%,同时,在近紫外及可见光波段（300nm-700nm）实现深截止,平均截止度低于0.309%。此外,基于紫外带通滤波器和量子点光致发光特性,设计了一种能直接将紫外光转换为可见光的光谱转换器,突破了传统的光-电-光成像方式的限制,可用于高分辨率日盲紫外成像系统。（3）为了研究光子晶体多层膜实验制备过程中膜厚微扰对纳米光子器件性能的影响,在每一层薄膜中引入服从高斯分布的膜厚伪随机误差,设计了含有膜厚扰动的无序型量子阱光子晶体模型。通过分析周期数、膜厚扰动误差对缺陷态的影响,提出一种可以稳定禁带中心位置和禁带宽度的补偿方案,即通过调整第j+1层膜厚来补偿第j层的膜厚偏差。该补偿方案可以减少厚度偏差的累积,弱化膜厚无序对带阻滤波器禁带位置及宽度的影响,为减小实验和理论之间的偏差提供理论依据。（4）通过调整磁控溅射镀膜机工作压强、气体流速等制备工艺参数,控制单层薄膜膜厚误差小于20%,并实验制备了（Si/SiO2）6光子晶体。对透射谱进行表征发现,样品20%的膜厚误差会导致光子禁带的宽度缩小为理论完美光子晶体带宽的40.99%-49.73%。进一步与膜厚微扰偏差为20%的理论模拟结果比较,实验样品的光子能带与理论值能够较好的拟合。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵晓丹

导师: 杨毅彪,郝玉英

关键词: 量子阱光子晶体,多通道滤波器,日盲紫外带通滤波,膜厚微扰,磁控溅射

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 太原理工大学

分类号: O734;TN713

总页数: 127

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