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CN108196338B - 一种级联准周期结构的全方位反射器 - Google Patents

一种级联准周期结构的全方位反射器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种级联准周期结构的全方位反射器。它其由Fibonacci准周期结构和Thue‑Morse准周期结构级联构成，整个结构可表示为(FM)m(TN)n。沿光束入射方向依次为m个周期的按Fibonacci序列排列的多层高低折射率介质（以(FM)m表示；M为Fibonacci序列的阶数）和n个周期的按Thue‑Morse序列排列的多层高低折射率介质(以(TN)n表示；N为Thue‑Morse序列的阶数)。本发明结构的全方位反射器具有结构简单、易于实现和非常宽的全方位带隙宽度的突出特点。

Description

一种级联准周期结构的全方位反射器
技术领域
本发明涉及一种一维光子晶体的级联结构，特别是一种级联准周期结构的全方位反射器，主要用作光学系统中的全方位反射器。
背景技术
20世纪80年代末，John和Yablonovitch首次在国际上提出了光子晶体（PC）的概念。光子晶体是一种与波长具有相同量级的周期性人工介电结构，由于其独特的光子带隙（PBG）和光子局域特性，一经提出很快成为了研究者的研究热点，在滤波器、激光器、光开关等众多领域有广泛的应用。通过合理地设计，光子晶体将具有在任何入射角度对横电波和横磁波都禁止的光子帯隙，具有这一特性的光子晶体被称为全方位反射器。获得更宽的全方位光子带隙是研究者努力追求的目标。
一维光子晶体具有结构简单、容易实现、易于集成和插入损耗小等优点成为如今研究最为广泛和实际应用的光子晶体。一维光子晶体结构的全方位反射器目前主要采用新颖的结构，如级联结构、准周期结构等实现。
在先技术[1](参见Applied physics letters, 2004, 84(25): 5186-5188)提出了Thue-Morse准周期结构，其中Thue-Morse序列T0={A}、T1={AB}。当A和B介质分别为SiO2和Si材料时，T5结构得到了0.25μm宽度的全方位光子帯隙。该结构为单一的Thue-Morse准周期结构，因而其全方位带隙宽度十分有限。
在先技术[2](参见Optics Communications, 2001, 198(4): 273-279)提出了对称性的Fibonacci 准周期TiO2 /SiO2多层膜结构，其中Fibonacci 序列S0={B}、S1={A}。但该结构不具有全方位带隙。
在先技术[3](参见Progress In Electromagnetics Research M, 2013, 32:169-180) 提出了基于一般周期结构和Fibonacci准周期结构的级联(LH)8[F3(1,1)]7结构，扩大了全方位带隙，全方位带隙宽度为0.858μm，但该全方位带隙宽度还有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述先技术的不足，提出一种级联准周期结构的全方位反射器，具有结构简单、易于实现，全方位带隙宽度显著提高等突出优点。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明提出基于级联Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构的全方位反射器。沿光束入射方向依次为m个周期的按Fibonacci序列排列的多层高低折射率介质（以(FM)m表示；M为Fibonacci序列的阶数）和 n个周期的按Thue-Morse序列排列的多层高低折射率介质(以(TN)n表示；N为Thue-Morse序列的阶数)。Fibonacci序列FM=FM-1FM-2，其中阶数M≥2；开始的两个序列分别为F0={H}和F1={L}； Thue-Morse序列TN= T`N-1TN-1，其中阶数N≥1，T`N-1 为对TN-1取反（例如，若以H和L互为取反规则，T1=HL，则T`1=LH。）；开始的两个序列分别为T0={HL}和T1={LHL}。H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质，且两种介质的光学厚度相等。
根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：
一种级联准周期结构的全方位反射器，其特征在于：整个结构由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成，整体结构可以表示为：(FM)m(TN)n，即沿光束入射方向依次为：m个周期的按Fibonacci序列排列的多层高低折射率介质（以(FM)m表示；M为Fibonacci序列的阶数），后接 n个周期的按Thue-Morse序列排列的多层高低折射率介质(以(TN)n表示；N为Thue-Morse序列的阶数)。Fibonacci序列FM=FM-1FM-2，其中FM表示序列阶数为M时的Fibonacci序列，FM-1和FM-2分别为序列阶数为M-1和M-2时的Fibonacci序列，M≥2；开始的前两个Fibonacci序列分别为F0={H}和F1={L}，则F2= F1 F0={LH}、F3= F2 F1={LHL}、F4=F3F2={LHLLH}；以此类推。其中H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质。H和L介质层的光学厚度相等。Thue-Morse序列TN = T`N-1TN-1，其中TN表示序列阶数为N时的Thue-Morse序列，TN-1为序列阶数为N-1时的Thue-Morse序列，T`N-1为对TN-1进行取反操作序列（例如，若以H和L互为取反规则，T1=HL，则T`1=LH。），N≥1；开始的前两个Thue-Morse序列分别为T0={HL}和T1={LHL}，按HL和L互为取反规则，则T2={HLLLHL}；以此类推。其中H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质。H和L介质层的光学厚度相等。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
与在先技术[1]的基于单一的Thue-Morse准周期结构和在先技术[2]的基于Fibonacci 准周期结构不同，本发明结构基于Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构的级联结构，其全方位带隙宽度明显优于在先技术[1]和[2]。不同于在先技术[3]的基于一般周期结构和Fibonacci准周期结构的级联结构，本发明的基于混合的Fibonacci和Thue-Morse准周期级联结构，其全方位帯隙进一步提高。
附图说明
图1为级联准周期结构的全方位反射器结构示意图。其中(FM)m为m个周期的按Fibonacci序列排列的多层高低折射率介质，(TN)n为n个周期的按Thue-Morse序列排列的多层高低折射率介质。
图2为实施例TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F4)7 结构的透射谱。
图3为实施例TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(T2)5结构的透射谱。
图4为实施例TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F4)7(T2)5级联结构的透射谱。
图5为实施例 (T2)5、(F4)7和 (F4)7(T2)5结构的全方位带隙参量。其中λL、λH、Δλ和δλ分别为各结构的全方位带隙的波长下限、波长上限、宽度范围和宽度。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：参见图1，本级联准周期结构的全方位反射器，由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成，整体结构可以表示为：(FM)m(TN)n，即沿光束入射方向依次为：m个周期的按Fibonacci序列FM排列的多层高低折射率介质以(FM)m表示，M为Fibonacci序列FM的阶数，后接n个周期的按Thue-Morse序列TN排列的多层高低折射率介质以(TN)n表示；N为Thue-Morse序列TN的阶数。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述Fibonacci序列FM=FM-1FM-2，其中FM表示序列阶数为M时的Fibonacci序列，FM-1和FM-2分别为序列阶数为M-1和M-2时的Fibonacci序列，M≥2。开始的前两个Fibonacci序列分别为F0={H}和F1={L}，则F2= F1 F0={LH}、F3= F2 F1={LHL}、F4=F3F2={LHLLH}；以此类推；其中H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质；H和L介质层的光学厚度相等。所述Thue-Morse序列TN = T`N-1TN-1，其中TN表示序列阶数为N时的Thue-Morse序列，TN-1为序列阶数为N-1时的Thue-Morse序列，T`N-1为对TN-1进行取反操作序列：若以H和L互为取反规则，T1=HL，则T`1=LH，N≥1。开始的前两个Thue-Morse序列分别为T0={HL}和T1={LHL}，按HL和L互为取反规则，则T2={HLLLHL}；以此类推；其中H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质；H和L介质层的光学厚度相等。
实施例三：本实施例的全方位反射器如附图1结构所示，可表示为(FM)m(TN)n结构。其中，(FM)m为m个周期的按Fibonacci序列排列的多层高低折射率介质，(TN)n为n个周期的按Thue-Morse序列排列的多层高低折射率介质。Fibonacci序列FM=FM-1FM-2，其中阶数M≥2；开始的两个序列分别为F0={H}和F1={L}，则F2= F1 F0={LH}、F3= F2 F1={LHL}、以此类推；Thue-Morse序列TN= T`N-1TN-1，其中阶数N≥1，T`N-1 为对TN-1取反；开始的两个序列分别为T0={HL}和T1={LHL}，按HL和L互为取反规则，则T2={HLLLHL}，以此类推。H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质，且两种介质的光学厚度相等。选取Fibonacci序列阶数M=4，周期数m=7，Thue-Morse序列阶数N=2，周期数n=5，即整个结构具体为(F4)7(T2)5。H层和L层的折射率分别为nH=4.6、nL=1.6，中心波长λ0=1550nm，H层和L层的厚度分别为dH=λ0/(4nH)=84nm、dL=λ0/(4nL)=242nm。
图2为TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F4)7 结构的透射谱。图2中的灰色区域即为该结构(F4)7的全方位带隙。图3为TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(T2)5结构的透射谱。图3中的灰色区域即为该结构(T2)5的全方位带隙。图4为TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F4)7和(T2)5级联结构(F4)7(T2)5的透射谱。图4中的灰色区域即为该结构(F4)7(T2)5的全方位带隙。表1为(T2)5、(F4)7和 (F4)7(T2)5结构的全方位带隙参量。由图2、3、4和图5可知，(T2)5、(F4)7和 (F4)7(T2)5结构的全方位带隙宽度分别为0.1041μm、0.4197μm和1.3453μm。该准周期级联结构(F4)7(T2)5相比Fibonacci准周期结构(F4)7和Thue-Morse准周期结构(T2)5，全方位带隙显著提高，其全方位带隙相比 (F4)7结构提高近3倍，相比(T2)5结构提高近12倍。
基于本实施例的结构参数，可计算在先技术[1]结构的全方位带隙为0.49μm；在先技术[2]结构的全方位带隙为0.53μm；在先技术[3]结构的全方位带隙为1.22μm，可见本发明结构得到的全方位帯隙宽度最大。

Claims (1)

1.一种级联准周期结构的全方位反射器，其特征在于：该结构由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成，整体结构可以表示为：(FM)m(TN)n，即沿光束入射方向依次为：m个周期的按Fibonacci序列FM排列的多层高低折射率介质以(FM)m表示，M为Fibonacci序列FM的阶数，后接n个周期的按Thue-Morse序列TN排列的多层高低折射率介质以(TN)n表示，N为Thue-Morse序列TN的阶数；其中，Fibonacci序列FM=FM-1FM-2，FM表示序列阶数为M时的Fibonacci序列，FM-1和FM-2分别为序列阶数为M-1和M-2时的Fibonacci序列，M≥2；开始的前两个Fibonacci序列分别为F0={H}和F1={L}，则F2= F1 F0={LH}、F3= F2 F1={LHL}、F4=F3F2={LHLLH}，以此类推；Thue-Morse序列TN = T`N-1TN-1，其中TN表示序列阶数为N时的Thue-Morse序列，TN-1为序列阶数为N-1时的Thue-Morse序列，T`N-1为对TN-1进行取反操作序列：若以H和L互为取反规则，T1=HL，则T`1=LH，N≥1；开始的前两个Thue-Morse序列分别为T0={HL}和T1={LHL}，按HL和L互为取反规则，则T2={HLLLHL}；以此类推；H和L分别为具有高和低折射率的两种光学薄膜介质；H和L介质层的光学厚度相等。
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