氮化銦導模共振濾波器在可見光波段模擬分析

朱聞真,黃萍,呂凡敏,顧均,李維亮,劉昕,胡芳仁

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

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氮化銦導模共振濾波器在可見光波段模擬分析

朱聞真,黃萍,呂凡敏,顧均,李維亮,劉昕,胡芳仁

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

摘要:根據(jù)RCWT(嚴格耦合波理論)和等效介質理論,提出了在可見光波段的基于半導體材料氮化銦的亞波長光柵導模共振濾波器的結構設計和仿真方法,并探討了濾波器反射譜對光柵參數(shù)的敏感性。在維持濾波器高峰值反射率、低旁帶和窄線寬不變的條件下,利用其對光柵周期的敏感性,結合仿真提出了利用微機電系統(tǒng)梳齒驅動器改變光柵周期(ΔT為0～99.7 nm)從而線性地控制共振波長輸出(調(diào)諧范圍為23 nm),實現(xiàn)了半高全寬小于1.15 nm的可調(diào)諧反射型導模共振濾波器。

關鍵詞:亞波長光柵;導模共振;氮化銦;微機電系統(tǒng)

0　引 言

早在20世紀初期,Wood就首次發(fā)現(xiàn)了導模共振這一特殊現(xiàn)象,此后大量的研究者開展了對這一現(xiàn)象的理論和器件的研究。這種異?，F(xiàn)象可以解釋為是調(diào)制作用導致周期波導結構在共振波長處能量突然變化的結果,也就是產(chǎn)生了類似于相對狹窄的高峰值反射峰。

近年來,研究人員基于導模共振理論和亞波長周期性光柵高達百分百的反射或者透射現(xiàn)象研究并設計了大量的光學器件,如開關、濾波器和傳感器等[1-3]。其中利用亞波長光柵設計的光學導模共振濾波器具有其峰值反射率高、線寬窄、旁帶低和生產(chǎn)工藝簡單、易集成、尺寸小和功耗低等優(yōu)勢,在制作穩(wěn)定、高性能的光學儀器方面應用前景突出[4-5]。隨著半導體材料的發(fā)展與進步,In N(氮化銦)在光電子器件集成方面也有廣闊的應用前景,但用In N材料制作濾波器的報道卻較少。

本文基于導模共振效應,提出用In N制作單層亞波長光柵的反射型導模共振濾波器[6],運用RCWT(嚴格耦合波理論)、等效介質理論和薄膜理論分析并估算光柵結構參數(shù)。通過反復地數(shù)值仿真得到了共振區(qū)高峰值反射、低旁帶和低線寬的反射譜,分析了光柵周期、占空比和光柵深度的改變對共振峰位置、旁帶反射和FWHM(半高全寬)的影響,提出用MEMS(微機電系統(tǒng))梳齒狀驅動器結構調(diào)節(jié)光柵周期,實現(xiàn)了共振波長可控輸出。

1　光柵結構設計與討論

從簡易的層面出發(fā),本文只討論TE(橫向電場)波入射光柵的情況。單層光柵側面圖如圖1所示。圖中,nc為覆蓋層的折射率,其數(shù)值等于空氣折射率nair。TE入射光以一定的角度θ入射到單層光柵,整個結構自上而下依次為空氣層、In N光柵層和空氣層,其折射率分別為nair、nInN和nair,其中光柵凹槽的介質材料也為空氣。光柵周期、深度、寬度和占空比分別為T、H、w和f,三層中的介質都是各向同性的均勻介質。

圖1　單層光柵側面圖

由RCWT可知,TE模入射光柵的波方程為

式中,Ei(z)為第i級衍射波光場振幅;k0=2π/λ,λ為入射波長;ng為等效波導層折射率。由等效平面波導處理方法可以得出共振條件如下:

式中,β、βi分別為傳播常數(shù)。從式(1)可以看出,當入射波與波導中的導模相位接近時,在共振波長處會產(chǎn)生強烈的反射。

根據(jù)等效介質理論,構成波導結構時要求光柵層的等效折射率neff必須大于覆蓋層折射率nc和基底層折射率ns,結合式(1)導出:

上式為導模共振的約束條件,共振位置取決于該條件下的光柵參數(shù)。光柵等效折射率為

單層波導光柵結構TE偏振波入射的平面波導本征方程如下:

根據(jù)以上方法預設計導模共振濾波器共振峰位置在540 nm處的單層亞波長光柵。當TE波入射角度為θ=2°并預設N=3時,H=0.240 3μm, T=0.511 6μm,nInN=3.12,f=0.237,得到反射譜如圖2所示。

由圖可見,540 nm左右的反射譜有很好的對稱性,并且峰值反射率高達99.4%,在480～580 nm波長范圍內(nèi)旁帶反射低于3.6%,FWHM約為1.12 nm,實現(xiàn)了較好的濾波效果。

圖2　反射譜圖

2　參數(shù)分析及器件結構設計

由導模共振條件可以看出,光柵結構參數(shù)的改變會在不同程度上制約導模共振濾波器的共振效應,所以研究光柵結構參數(shù)的變化可在一定程度上為我們設計導模共振濾波器提供幫助。

2.1占空比和光柵深度對共振效應的影響

光柵占空比f定義為光柵寬度w與光柵周期T的比值,即f=w/T。為了分析占空比f對共振效應的影響,在圖2結構參數(shù)的基礎上,只調(diào)整f,得到如圖3所示的反射譜圖。從圖中可以看出,當f介于0.229～0.245之間時,以一定增量增大f,反射譜會逐漸紅移,這說明單獨增大占空比f會導致光柵的等效折射率改變,從而使共振波長漂移。

圖3　不同占空比f下的反射譜

連續(xù)數(shù)值仿真直到導模共振效應消失,得到共振波長與FWHM和f的關系,如圖4所示。

圖4　共振波長與FWHM和f的關系

由圖可知,FWHM只有小幅度波動;f與共振波長呈亞線性關系,但小幅度改變f時,共振峰位置偏移明顯,這說明共振波長對f的變化很敏感。當f為0.226 ～ 0.265時,對應共振波長為530～ 572 nm,可得到穩(wěn)定的共振反射譜。預計43 nm波長范圍內(nèi)每3 n m(Δλ=±2 nm)至少可以制作14個有穩(wěn)定的反射光譜的濾波器,而且都具有高峰值反射(>99.3%)、低FWHM(<1.15 nm)和低旁帶反射(<5.2%)。只要精確控制f的值,就可以制作出多個不同共振波長輸出且性能穩(wěn)定的濾波器。

為研究導模共振效應對光柵深度H的敏感性,在其他參數(shù)不變的情況下,只改變H的值,得到不同的反射譜,如圖5所示。由圖可知,逐漸增大H的數(shù)值會使反射譜紅移。

圖5　不同H下的反射譜

繼續(xù)改變H的值,仿真得到共振波長在530～ 554 nm范圍內(nèi)時具有穩(wěn)定的反射譜。此時共振波長與FWHM和H的關系如圖6所示。由圖可知,共振波長與H呈亞線性關系;在25 nm波長范圍內(nèi)FWHM的值變化甚微;反射譜都具有高反射率(>99.3%)、低FWHM(<1.14 nm)和低旁帶反射(<5%)的特性。由此可知,在光柵強調(diào)制作用下,精確改變H和f,也能在較寬波長范圍內(nèi)保持較為穩(wěn)定的導模共振效應。

圖6　共振波長與FWHM和H的關系

2.2光柵周期對共振效應的影響

導模共振條件顯示光柵周期T的改變會影響濾波器的性能(如峰值反射、帶寬和旁帶等),因此研究意義重大。在圖2結構參數(shù)的基礎上,只改變T的值,仿真結果如圖7和圖8所示。

圖7　不同T下的反射譜

圖8　共振波長與FWHM和T的關系

圖9　MEMS濾波器結構圖

由圖可見,在525～547 nm波長范圍內(nèi)改變T 時,共振波長呈準線性變化,并且峰值反射率、FWHM和旁帶反射的數(shù)值都變化甚微。利用這一特點,設計了一種將MEMS梳齒驅動器與In N單層光柵集成的光柵周期可調(diào)諧導模共振濾波器,其結構如圖9所示。

該濾波器的工作原理如下:通過在梳齒驅動器上施加電壓產(chǎn)生靜電力,靜電力牽引可動梳齒使得機械彈簧(懸梁臂)拉伸或壓縮,從而達到精確改變光柵周期調(diào)諧共振峰位置的目的。采用MEMS梳齒驅動器精準控制光柵周期,可得到所需共振波長。數(shù)值模擬結果表明,光柵周期改變0～99.7 nm時,實現(xiàn)了導模共振濾波器在525～547 nm波長范圍內(nèi)的可調(diào)諧。

3 結束語

本文根據(jù)RCWT和等效介質理論設計了可見光波段亞波長In N光柵導模共振濾波器。詳細討論并分析了不同光柵結構參數(shù)對濾波器反射譜的影響。在維持濾波器高峰值反射率、低旁帶和窄線寬的條件下,結合數(shù)值仿真提出了一種利用MEMS梳齒驅動器改變光柵周期從而線性地控制共振波長輸出的可調(diào)諧反射型導模共振濾波器,對今后工藝上制作該類型濾波器具有指導意義。

參考文獻:

[1] Wang Qi,Zhang Dawei,Wang Zhenyun,et al.Optimizing the quality factor of a wideband guided-mode resonance biosensor[J].Appl Phys,2014,117(2): 553-556.

[2] 趙昊,諸波,胡芳仁,等.基于氮化鎵的導模共振濾波器仿真分析[J].光通信研究,2014,(6):55-58.

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[4] Ma Jianyong,Zhu Feng,Zhou Changhe.Wideband Polarizer in the Middle IR Wavelength Region Based on Guided Mode Resonance Effect[J].IEEE Photonics Technology Letter,2014,26(13):1364-1367.

[5] Toshikazu Ozaki,Yoshiaki Kanamori,Kaz-uhiro Hane. Fabrication of Ultrathin Color Filters for Three Primary Colors Using Guided-Mode Resonance in Silicon Subwavelength Gratings[J].Optical Review,2014, 21(5):723-727.

[6] 麻健勇,劉世杰,魏朝陽,等.反射型導模共振濾波器設計[J].物理學報,2008,57(2):827-831.

無線通信技術

Design and Simulation of InN-Based Guided-Mode Resonance Filters in the Visible Spectral Region

ZHU Wen-zhen,HUANG Ping,LüFan-min,GU Jun,LI Wei-liang,LIU Xin,HU Fang-ren (School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts&Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Abstract:In the light of the rigorous coupled wave theory and the equivalent medium theory,we propose a design and simulation method for an In N-based sub-wavelength grating guided-mode resonance filter structure in the visible spectral region and investigate the sensitivity of the filter reflection spectrum to thegrating parameters.When the filter high-peak reflectivity,low sideband and narrow linewidth remain unchanged,we change the grating period(ΔT=0～99.7 nm)by a Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)comb actuator using its sensibility to the grating period in connection with the simulation,thus linearly controlling the resonant wavelength output in a tunable range of 23 nm and realizing aperiod-tunable reflective guided-mode resonance filter with the Full Width at Half Maximum(FWHM)smaller than 1.15 nm.

Key words:sub-wavelength grating;guide-mode resonance;In N;MEMS

中圖分類號:TN713

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0032-03

收稿日期:2015-05-26

基金項目:國家自然科學基金資助項目(61274121);江蘇省自然科學基金資助項目(BK2012829);南京郵電大學人才引進項目(NY212007)

作者簡介:朱聞真(1990-),男,湖南永州人。碩士研究生,研究方向為高速光通信與仿生光通信。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.010