一种反射型红外梳状滤波薄膜及其参数设计方法

1.本发明涉及光学材料技术领域，具体涉及一种反射型红外梳状滤波薄膜及其参数设计方法。

背景技术：

2.光纤通信系统是以光为载波，通过光电变换，以光纤作为传输媒质，将信息进行传播的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。
3.不同波长的光承载着不同的信息，要将光纤中不同波长传输的信号分离出来，就要利用光学滤波器。梳状滤波器是光学滤波器的一种，在光通信系统中是处理特定信道或者多个信道信号的关键器件，其在频谱上出现间隔的峰值和谷值，可实现多波段滤波的效果。不仅广泛应用于光通信，尤其是光纤通信为代表的信息光电子技术的各个领域，在微波电路、天线以及全新光子器件设计等方面也具有重要的应用价值。
4.近年来，随着大容量，高密度，广波长的光通信技术的发展，目前的光纤通讯窗口已经覆盖了1.2～1.7μm波段，且这个波段范围在不断的扩大。为了能够对光纤进行全波段的信号分离，人们希望研制出可覆盖近红外波段(750-1400nm)与中红外波段(3000-8000nm)范围工作的梳状滤波器。目前实现光学梳状滤波器的技术有很多，如光纤mach-zehnder干涉仪型、偏振光干涉型、michelson干涉型和光纤光栅型等。
5.光纤mach-zehnder干涉仪型具有插入损耗小，信道均匀性高，偏振相关损耗低等特点。如2010年，章宝歌等设计的由2个3
×
3和1个3
×
3单模光纤耦合器级联组成的全光纤mach-zehnder干涉仪型梳状滤波器。但光纤耦合器在制作工艺方面难度大。
6.偏振型光学梳状滤波器是利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原理来制备的，如冯岳忠等设计的基于偏振光的反射式光学梳状滤波器，在光路上依次设置有入射模块，分波合波模块和出射模块，并将入射光线进行偏振处理。但其温度补偿、加工尺寸控制及封装难度大。
7.利用michelson干涉型干涉效应可制备法布里—珀罗型光学梳状滤波器，如2004年，陈海星等通过使用多个薄膜法布里—珀罗滤光片的叠加，可以比较容易地控制各腔的厚度，从而实现了可在密集波分复用中使用的梳状滤波器。
8.光纤光栅具有体积小、熔接损耗小等优点。如2012年，丁秋兰等研究了金属-介质-金属结构在可见光波段的反射滤光特性。该结构由柔性透明基底，金属层，介质-金属纳米光栅结构组成。利用严格耦合波分析法模拟了tm偏振光入射时，各参数对反射光谱特性的影响。理论模拟结果表明：光栅的结构参数变化可改变反射波段，进而调节滤光颜。但其工艺较复杂，且对偏振敏感，限制了其在梳状滤波中的应用。
9.分布式布拉格反射器(distributed bragg reflector，dbr)是光学梳状滤波器的类型之一，其是由不同介质的薄膜周期性的重叠在一起。当光进入后，通过不同的介质时，界面处会发生反射。每一层反射的光，由于相位角的变化而发生相干干涉，然后二者结合获
得强反射光。但是，现有技术中的采用介质光子晶体产生深度宽禁带需的较多周期数，膜层厚，限制了其在红外滤波中的应用。

技术实现要素：

10.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种反射型红外梳状滤波薄膜及其参数设计方法，以实现红外波段的光学梳状滤波。
11.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种反射型红外梳状滤波光子薄膜，包括：基底层，所述基底层上依次设置nc个周期性结构，其中每个周期性结构包括由下至少依次设置的第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，且所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×nl
)，第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2*n1倍，第四薄膜层的厚度为第二薄膜层的4/n2倍，其中，nc为大于等于1的正整数，n1为大于等于1的正整数，n2为大于等于4的正整数，nh＞n
l
，lam0表示中心光波长。
12.所述n1的取值为2～10。
13.所述n2的取值为4～10。
14.所述nc的取值为1～8。
15.所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层材料为zns，所述第二薄膜层和第四薄膜层材料为ag。
16.所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为114nm，所述第二薄膜层的厚度为1472nm。
17.此外，本发明还提供了一种反射型红外梳状滤波薄膜的参数设计方法：包括：通过nc值，改变反射率波谷的数量；
18.通过改变n1值，改变反射率波谷的数量；
19.通过改变n2值，改变反射率波谷的波长位置；
20.直至得到需要的梳状反射率波谷数量和波长位置。
21.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
22.本发明提供了一种反射型红外梳状滤波薄膜，其选用zns作为高折射率层，选用ag作为低折射率层，构建了包括金属结构的周期性滤波薄膜，并且，通过在周期薄膜中的高折射率层构建缺陷结构，使得具有薄膜具有梳状反射谱，而且，膜层层数少、膜层薄，光谱宽度宽，隐身范围更广，绝对带宽更宽等优点，可以实现波长可调的红外梳状滤波，可以广泛应用于红外激光兼容隐身技术领域。
附图说明
23.图1为本发明实施例提供的一种反射型红外梳状滤波薄膜的结构示意图；
24.图2为本发明实施例中周期性结构的示意图；
25.图3为本发明实施例一中nc＝1，2，3，4的反射率光谱；
26.图4为本发明实施例一中nc＝5，6，7，8的反射率光谱；
27.图5为本发明实施例中，第三薄膜层(缺陷层a1)在不同厚度下时的周期薄膜反射率光谱；
28.图6为本发明实施例中n1＝1时，第四薄膜层(缺陷层b1)在不同厚度下的薄膜反射率光谱；
29.图7为本发明实施例中n1＝2时，第四薄膜层(缺陷层b1)在不同厚度下的薄膜反射率光谱；
30.图中：1为基底层，2为第一薄膜层，3为第二薄膜层，4为第三薄膜层，5为第四薄膜层，6为第五薄膜层，7为周期性结构。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例一
33.如图1所示，本发明实施例一提供了一种反射型红外梳状滤波薄膜，包括：基底层1，所述基底层1上依次设置nc个周期性结构7，其中每个周期性结构7包括由下至少依次设置的第一薄膜层2、第二薄膜层3、第三薄膜层4、第四薄膜层5和第五薄膜层6，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，且所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×nl
)。
34.本发明中，第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2
×
n1倍，第四薄膜层的厚度为第二薄膜层的4/n2倍，其中，nc为大于等于1的正整数，n1为大于等于1的正整数，n2为大于等于4的正整数，nh＞n
l
，lam0表示中心光波长。
35.具体地，本发明中，所述n1的取值为2～10。所述n2的取值为4～10。所述nc的取值为1～8。
36.具体地，本实施例中，n1＝1，n2＝4，即第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2倍，第四薄膜层的厚度等于第二薄膜层。
37.本实施例中，第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层为高折射率层，第二薄膜层和第四薄膜层为低折射率层。以a表示厚度为lam0/(4
×
nh)高折射率层，b表示低折射率层，a1表示厚度与a不同的高折射率膜层，称之为高折射率膜层的缺陷层，nc表示周期性结构7的周期数，则本实施例中的滤波薄膜的结构为sub|(aba
1 b a)
nc
|air，其中，sub表示基底，air表示空气层。
38.具体地，本实施例中，高折射率层为zns，所述低折射率层为ag。
39.具体地，本实施例中，所述nc的取值范围为1～10。
40.具体地，本实施例中，所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为114nm，所述第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为1472nm。zns在波长1060nm处折射率nh＝2.32，ag在波长1060nm处折射率n
l
＝0.18。则上述薄膜层的厚度设置，可以使得上述薄膜的中心波长为1060nm。应说明的是，本实施例中，可以根据要设计的中心波长，来改变第一薄膜层2、第二薄膜层3、第三薄膜层4、第四薄膜层5和第五薄膜层6的厚度，使其满足第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×nl
)，第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2倍，第四薄膜层的厚度等于第二薄膜层厚度。
41.本发明实施例中，通过在由高低折射率层交替设置的周期性薄膜中设置缺陷层，缺陷层厚度为第一薄膜层和第五薄膜层的偶数倍，该模型在近中红外范围内反射率较高，呈现出高反射。
42.本实施例中，通过改变周期性结构7的周期数nc，使nc＝1-8，计算了周期数对薄膜的反射光谱的影响。
43.如图3所示，为nc＝1，2，3，4时本发明实施例的滤波薄膜的反射率光谱；图中(a)为在650-5000nm的反射率光谱，(b)为1010-1120nm的反射率光谱。
44.如图4所示，为nc＝5，6，7，8时本发明实施例的薄膜的反射率光谱；图中(a)为各个周期下在650-5000nm波长范围内的反射率光谱，(b)～(e)分别为nc＝5，6，7，8时在1010-1120nm波长范围内的反射率光谱。
45.由图3和4可知，通过改变周期性结构的周期数，本发明实施例的滤波薄膜的带隙呈现出：类梳状的特点。在1010-1120nm范围内，缺陷态和禁带之间按一定的频率间隔交替，形成多个低反射率的反射谷，形状类似于梳子。
46.随着周期数的增加，本实施例的滤波薄膜中，反射谷波段的带隙特征越来越明显，窄带宽度变窄，整体坡度越来越陡峭，带隙两侧振荡次数增加。缺陷态个数增加，宽度越来越窄，相邻缺陷态间隔越来越小。
47.反射率下降的波段为1050-1060nm、3500-5000nm，随周期数的增加，反射率开始下降的波段越来越靠后。但最低反射率(齿的中心波长)发生的位置并不随周期数的变化而发生改变，均在1060nm处。
48.在1010-1120nm范围内，各个周期的反射谷都以1060nm波段处为中心呈对称分布：当nc＝2时，在1060nm波段处左右各有1个反射谷；当nc＝3时，在1060nm波段处左右各有2个反射谷；当nc＝4时，在1060nm波段处左右各有3个反射谷。据此可以得出侧反射谷个数与周期数nc的关系：侧峰数＝2(nc-1)，利用这个特性可以的改变周期数控制反射谷个数，也可以改变反射谷的波长位置。
49.表1：不同周期的薄膜结构的比较
[0050][0051][0052]
依据表1所呈现的数据，观察反射谷出现的位置，可以发现：当nc＝2时，出现1027nm、1096nm这两个反射谷，分别在nc＝2、nc＝4、nc＝6、nc＝8时出现，循环周期为2。当nc＝3时，出现1020nm、1036nm、1085nm、1104nm这四个反射谷，分别在nc＝3、nc＝6、nc＝9时
出现，循环周期为3。当nc＝4时，出现1017nm、1042nm、1079nm、1107nm这四个反射谷，分别在nc＝4、nc＝8时出现，循环周期为4。综上可得，不同周期数所出现的反射谷并不是杂乱无章的，而是循环出现，循环周期与周期数相同。
[0053]
表2：不同周期薄膜结构反射谷位置的比较
[0054][0055]
因此，本发明实施例提供的一种反射型红外梳状滤波薄膜，可以通过改变周期性结构2的数量，实现梳齿的数量调节，而且还可以实现梳齿波长距离上的调节。
[0056]
实施例二
[0057]
本发明实施例二提供了一种反射型红外梳状滤波薄膜，与实施例一相同的是，其包括：基底层1，所述基底层1上依次设置一个周期性结构7，其中每个周期性结构7包括由下至少依次设置的第一薄膜层2、第二薄膜层3、第三薄膜层4、第四薄膜层5和第五薄膜层6，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，且所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×nl
)。
[0058]
与实施例一中不同的是，本实施例中，n2＝4，即第四薄膜层的厚度等于第二薄膜层，nc的值为1，lam0表示中心光波长。n1＝1,2,3,4，
[0059]
具体地，如图5所示，示出了第三薄膜层的不同厚度条件下，含缺陷的滤波薄膜在650nm～5000nm波长范围内的反射率光谱图，当第三薄膜层的厚度与第一薄膜层厚度的比值n1分别为：1、2、3、4时，即第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2、4、6、8倍，分别为lam0/(2nh)、lam0/(nh)、lam0/(2nh/3)，lam0/(0.5nh)时，反射率光谱图上，反射谷的个数分别1、3、5、6。具体的计算结果如表3所示。
[0060]
表3第三薄膜层(缺陷层a1)不同厚度下的滤波薄膜的反射率对比
[0061]
[0062]
因此，通过改变第三薄膜层的厚度与第一薄膜层厚度的倍数关系，也可以控制反射谷个数，同时改变反射谷的波长位置。
[0063]
实施例三
[0064]
本发明实施例三提供了一种反射型红外梳状滤波薄膜，与实施例一相同的是，其包括：基底层1，所述基底层1上依次设置一个周期性结构7，其中每个周期性结构2包括由下至少依次设置的第一薄膜层2、第二薄膜层3、第三薄膜层4、第四薄膜层5和第五薄膜层6，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，且所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×nl
)，nh＞n
l
。
[0065]
与实施例一中相同的是，本实施例中，n1＝1，即第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2倍。与实施例一不同的是，本实施例中，nc＝1，n2的取值为4～10，即第四薄膜层的厚度可以不等于第二薄膜层。
[0066]
具体地，如图6所示，示出了当n1＝1时，不同第四薄膜层的厚度条件下，薄膜在650nm～1200nm波长范围内的反射率光谱图，假设第四薄膜层的厚度与第二薄膜层厚度的比值4/n2，当n2的取值分别为：4、5、6、7、8时，即分别对应的膜厚为1472nm，1178nm、982nm、892nm，736nm时，反射谷位置对应的波长分别为1060nm，1052nm，1046nm、1041nm和1036nm。这样通过减少其第四薄膜层膜层厚度，其反射谷的数量不变，波长相应变短。具体的计算结果如表2所示。
[0067]
表4不同第四薄膜层(缺陷层b1)厚度的薄膜比较
[0068][0069]
因此，通过改变第四薄膜层的厚度与第二薄膜层厚度的倍数关系，虽然不会改变反射谷的数量，但可以改变反射谷的波长位置。
[0070]
实施例四
[0071]
本发明实施例四提供了一种反射型红外梳状滤波薄膜，与实施例三相同的是，其包括：基底层1，所述基底层1上依次设置一个周期性结构7，其中每个周期性结构7包括由下至少依次设置的第一薄膜层2、第二薄膜层3、第三薄膜层4、第四薄膜层5和第五薄膜层6，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，且所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×nl
)，nh＞n
l
。
[0072]
与实施例三中不同的是，本实施例中，周期性结构7仅有一个，即nc＝1。与实施例三中不同的是，本实施例中，第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的4倍，即n1＝2。
[0073]
如图7所示，示出了当n1＝2，nc＝1时，不同第四薄膜层的厚度条件下，薄膜在650nm～1200nm波长范围内的反射率光谱图。由图7可知，同时改变第三薄膜层和第四薄膜层的厚度，即设置缺陷层a1、b1，两个缺陷层对反射率的影响是协同作用。反射率仍然出现两个低谷，第一个低谷均为718nm处。但第二个低谷的位置由缺陷层a1、b1共同决定。例如：b1的厚度为lam0/(5n
l
)的反射谷位置为1052nm，组合后的反射谷位置是1056nm，这是a1厚度决定的1060nm和b1厚度决定的1052nm的中位数。具体的计算结果如表5所示。
[0074]
表5、n1＝2时不同第四薄膜层(缺陷层b1)厚度的薄膜比较
[0075][0076][0077]
综上可知，同时改变第三薄膜层和第四薄膜层的厚度，即设置缺陷层a1、b1，只改变第二个反射谷出现的位置，不影响最低反射率，且最低反射率位置的出现是由两者共同决定，为两个波段的中间值。
[0078]
综上所述，本发明实施例提供了反射型红外梳状滤波薄膜，通过在基底层上依次设置一个或多个周期性结构，周期性结构包括zns和ag形成的周期性高低折射率交错层，并且，高折射率层中设置了缺陷层，其利用率金属ag材料反射频段宽，在滤波薄膜中形成了等离子体能带的特点，得到了一种梳齿数可调以及位置可调的反射型红外梳状滤波薄膜，该反射型红外梳状滤波薄膜可以通过改变周期性结构的数量改变反射谷的波长，还可以通过改变高折射率材料中的缺陷层a1的厚度来改变反射谷的数量，同时，通过改变缺陷层a1上方的低折射率层的厚度，形成第二缺陷层来改变反射谷的波长位置，该薄膜不仅膜层薄，而且膜层少，在近中红外范围内反射率较高，呈现出高反射，而且，具有多个低反射率低至4％的反射谷，可以实现波长可调的红外梳状滤波。
[0079]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种反射型红外梳状滤波薄膜，其特征在于，包括：基底层，所述基底层上依次设置n
c
个周期性结构，其中每个周期性结构包括由下至少依次设置的第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为n
h
，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，且所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
n
h
)，第二薄膜层厚度为lam0/(4
×
n
l
)，第三薄膜层的厚度为第一薄膜层的2*n1倍，第四薄膜层的厚度为第二薄膜层的4/n2倍，其中，n
c
为大于等于1的正整数，n1为大于等于1的正整数，n2为大于等于4的正整数，n
h
＞n
l
，lam0表示中心光波长。2.根据权利要求1所述的一种反射型红外梳状滤波薄膜，其特征在于，所述n1的取值为2～10。3.根据权利要求1所述的一种反射型红外梳状滤波薄膜，其特征在于，所述n2的取值为4～10。4.根据权利要求1所述的一种反射型红外梳状滤波薄膜，其特征在于，所述nc的取值为1～8。5.根据权利要求1所述的一种反射型红外梳状滤波薄膜，其特征在于，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层材料为zns，所述第二薄膜层和第四薄膜层材料为ag。6.根据权利要求3所述的一种反射型红外梳状滤波薄膜，其特征在于，所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为114nm，所述第二薄膜层的厚度为1472nm。7.根据权利要求1所述的一种反射型红外梳状滤波薄膜的参数设计方法：其特征在于：包括以下步骤：通过nc值，改变反射率波谷的数量；通过改变n1值，改变反射率波谷的数量；通过改变n2值，改变反射率波谷的波长位置；直至得到需要的梳状反射率波谷数量和波长位置。

技术总结

本发明涉及光学材料技术领域，具体涉及一种反射型红外梳状滤波薄膜，包括：基底层，基底层上依次设置有第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层为材料相同的高折射率层，所述第二薄膜层和第四薄膜层为材料相同的低折射率层，且所述第一和第五薄膜层的厚度为lam0/(4