基于一维缺陷光子晶体的角度测量仪的设计

　　1　引　言

　　光子晶体是光子带隙材料,波长在带隙中的光不能在光子晶体中传播。光子在光子晶体的行为与电子在半导体晶体中的行为相似,人们可以像控制半导体晶体中电子的行为那样来控制光子晶体中光子的行为,这使得光子晶体具有广泛的应用前景[1-2]。

　　一维光子晶体因其制备较容易、研究方法较成熟而倍受人们的关注,特别是在一维光子晶体中掺入一定的缺陷层,可以在禁带中产生很窄的缺陷模,该缺陷模有广泛的应用[3-8]。当前,人们已经将一维缺陷光子晶体运用到了测量领域,如用于温度的测量[9]、应力的测量[10]、压力的测量[11]。本文提出用一维缺陷光子晶体来测量角度,用Si薄膜和SiO2薄膜组成一维缺陷光子晶体,用特征矩阵法研究了该一维光子晶体的禁带中的缺陷模的波长和强度随入射角缓慢变化而变化的规律,由此提出根据缺陷模的波长、强度、偏振性与入射角的关系进行角度测量的方法,分析了各种方法的特点[12-13]。本设计为角度测量特别是极小的角度变化的测量提供了一种新方法。

　　2　一维缺陷光子晶体角度测量仪的结构

　　我们设计的一维缺陷光子晶体角度测量仪的结构如图1所示。

　　图1中虚框内的装置安装在一转动器件上,通过转动来改变光子晶体前的入射光的入射角。图1中的光子晶体采用由Si薄膜和SiO2薄膜组成的有缺陷层的一维光子晶体,其结构式为: (AB)^5D(BA)^5,其中A,D为Si薄膜, B为SiO2薄膜, D作为缺陷层,其厚度与A不同。据文献[9],利用等离子体增强化学气相沉积法,可以隔层沉积Si薄膜和SiO2薄膜,通过严格控制沉积的时间,可以得到不同厚度的Si薄膜和SiO2薄膜,当温度为250℃时, Si薄膜厚度的生长速度为20nm/s, SiO2薄膜厚度的生长速度为40nm/s。为便于制作,本设计中A表示的Si薄膜的厚度取400nm, B表示的SiO2薄膜的厚度取800nm,而D表示的Si薄膜的厚度取为40nm。

　　3　缺陷模的波长和强度随入射角缓慢变化而变化的规律

　　我们用特征矩阵法,研究了上述一维光子晶体的缺陷模的波长和强度随入射角缓慢变化而变化的规律。在计算中我们取Si薄膜的折射率为3. 5,SiO2薄膜的折射率为1. 459,忽略薄膜的色散和吸收。我们的计算发现,当用波长为1400~2000nm、强度均匀的光垂直入射时,在我们设计的一维缺陷光子晶体的透射谱中有一很宽的禁带,禁带的波长范围为1573~1885nm,在禁带中有一品质因数很高的缺陷模,缺陷模的波长为1765nm,强度(即透射率)为43%,如图2所示。

　　由于垂直入射,图2中的缺陷模既是P偏振光的缺陷模,又是S偏振光的缺陷模。我们的计算发现,如入射角从0°开始逐渐缓慢增大,例如每次增加千分之一度,则图2中的缺陷模的强度在开始时增大,当增大到最大值(100% )(P偏振光的缺陷模的强度达到最大值(100% )时的入射角为0. 855°, S偏振光的缺陷模的强度达到最大值(100% )时的入射角为0. 925°)后,继续缓慢增大入射角,则缺陷模的强度逐渐减小到0,然后缺陷模的波长变短1nm,缺陷模的强度由0变为最大(100% ),再由最大(100% )变为0,缺陷模的波长再变短1nm,如此循环。在近似相同的条件下, S偏振光的缺陷模的强度从一个最大值(100% )到达下一个最大值(100% )的过程中要增加的入射角比P偏振光的缺陷模的要大。图3是入射角在0°~17°范围内, P偏振光和S偏振光的缺陷模的强度取最大值(100% )时的入射角与缺陷模的波长的关系曲线。