一維電介質(zhì)_金屬光子晶體的光學(xué)特性研究

1、第28卷,第2期 光譜學(xué)與光譜分析2008年2月 SpectroscopyandSpectralAnalysisVol128,No12,pp256-259February,2008一維電介質(zhì)-金屬光子晶體的光學(xué)特性研究羅亞衡,王永生,王東棟,鄧立兒,孫 建北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所,發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點實驗室,北京 100044*摘 要 利用傳輸矩陣方法,研究了一維電介質(zhì)-金屬光子晶體的光學(xué)特性,該光子晶體通過在Si/SiO2組成的電介質(zhì)型光子晶體中插入一定厚度Al層形成。計算結(jié)果表明,金屬層的引入可以有效提高反射效率,Si(46nm)/SiO2(60nm)/Al(10nm)/SiO2

2、(60nm)5結(jié)構(gòu)的單位周期傳輸衰減從Si(46nm)/SiO2(120nm)5的712dB增大到了20dB;可以得到更寬頻率范圍的全方向反射帶隙,例如Si(46nm)/SiO2(60nm)/Al(30nm)/SiO2(60nm)5結(jié)構(gòu)即可提供550nm帶寬的全方向反射;同時討論了金屬吸收、金屬層厚度及插入位置對其光學(xué)特性的影響。這種電介質(zhì)-金屬光子晶體有望作為性能優(yōu)異的光學(xué)反射鏡得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞 光子晶體;光子禁帶;傳輸矩陣法中圖分類號:O7341+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0593(2008)02-0256-04效應(yīng)的增強(qiáng)應(yīng)該更為有利,問題在于光子晶體中金屬Al的吸收比要金屬

3、Ag更為嚴(yán)重11。在本文中我們將從理論上研究在電介質(zhì)光子晶體中插入Al層后的光學(xué)特性。為了便于比較,計算中所用的電介質(zhì)光子晶體結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)10基本相同,所選擇的材料同樣為Si和SiO2。所有材料的折射率和消光系數(shù)都來源于文獻(xiàn)12,計算所用的方法為傳輸矩陣法。引 言光子晶體,又稱為光子禁帶材料1,2,是一種折射率按一定空間周期性變化的新型光學(xué)材料。由于多重Bragg散射的作用,光在這類材料中傳播時具有類似電子在半導(dǎo)體材料中的某些特性,一些頻率范圍的光不能在其內(nèi)部傳播,即出現(xiàn)了光子禁帶。由于其新異的物理特性和重要的應(yīng)用前景3-5,光子晶體的相關(guān)研究近年來引起了廣泛的關(guān)注6,7。為了避免材料自身的吸收

4、,目前研究的光子晶體一般由兩種或者兩種以上的電介質(zhì)材料構(gòu)成,在所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)這些材料均可近似視為折射率為常數(shù)的無損耗介質(zhì)。這類光子晶體的光子禁帶通常寬度有限,約為帶隙中心頻率的25%,單位周期的傳輸衰減也僅有34dB8。近來的研究工作表明,在光子晶體中引入金屬材料有望得到更好的光學(xué)特性。Ward9等利用周期性A-l電介質(zhì)多層薄膜結(jié)構(gòu)在一個較窄的頻率范圍內(nèi)將反射率從體金屬的95%提高到98%;YeYong-hong8和周鵬10等通過在電介質(zhì)型光子晶體中插入金屬Ag層得到了比原來更寬的全方向反射帶隙。與金屬Ag相比,金屬Al的介電系數(shù)更大,如果在光子晶體介質(zhì)層中插入Al層,更大的介電系數(shù)比值對

5、光子禁帶M=cosD1-iG1sinD11 傳輸矩陣方法根據(jù)傳輸矩陣?yán)碚?3,對于一個A(a)/B(b)N結(jié)構(gòu)的一維光子晶體(A,B為組成光子晶體的兩種材料,a,b為其各自的厚度,N是周期數(shù)),光在第k層介質(zhì)中的傳輸特性可以用一個22的矩陣表示為cosDk-iGksinDk-iG-ksinDkcosDk其中D/K)nkdkcosHk=(2Pk,nk和dk是第k層介質(zhì)的折射率和幾何厚度,Hk為入射角。Gk是介質(zhì)的有效導(dǎo)納,對于P偏振光,Gk=nk/cosHk;對于S偏振光,Gk=nkcosHk。以P偏振光為例,如果材料A和B的折射率分別為n1和n2,則總的傳輸矩陣為-iG-2sinD2cosD2

6、N-1-iGcosD1sinD12#cosD-iG2sinD12=M11M12M21M(式中D1=(2P/K)n1acosH(2P/K)n2bcosH1;D2=2;G1=n1/cosH1;G2=n2/cosH2;H1和H2分別為光在兩種材料中的入收稿日期:2006-11-01,修訂日期:2007-02-16基金項目:國家/9730基金項目(2003CB314707)和北京交通大學(xué)博士生科技創(chuàng)新基金項目(4812)資助女, * e-mail:第2期 光譜學(xué)與光譜分析射角)?？汕蟮霉庾泳w總的反射系數(shù)r和透射系數(shù)t分別為14r=t=M11G0+M12G0GN+1-M21-M22GN+1M110+M

7、120N+1+M21+M22N+1257于光子晶體自身的吸收造成的。其中10001200nm波段的吸收來源于電介質(zhì)-金屬光子晶體中的共振隧穿效應(yīng)15,16。隨著金屬層厚度的增加,產(chǎn)生共振的強(qiáng)度逐漸減小,吸收也逐漸減小,當(dāng)金屬層厚度大于50nm時,在該處金屬的吸收就基本可以忽略;而400500nm波段的吸收峰主要來源于Si的吸收10,基本不隨金屬層的厚度變化。同時在500到1000nm的波長范圍內(nèi),不論金屬層厚度取多大,光子晶體都沒有出現(xiàn)明顯的吸收,這說明圖1中樣品B在相應(yīng)波長范圍內(nèi)極低的透射率源于光子禁帶效應(yīng),而與吸收無關(guān)。和樣品A相比,光子在樣品B中單位周期的傳輸衰減由712dB(衰減定義為

8、dB=-10lg(I/I0);其中I0為入射光強(qiáng),I為出射光強(qiáng)。)增加到了20dB。這意味著與電介質(zhì)型光子晶體相比,更少周期的金屬-電介質(zhì)光子晶體就可以提供同樣的傳輸衰減。M110+M120N+1+M21+M22N+1(G0和GN+1為光子晶體兩側(cè)的有效導(dǎo)納)。則光子晶體的透射率T,反射率R和吸收A分別為T=t#t*R=r#r*A=1-R-T對于色散、吸收性材料,需要將其折射率用相應(yīng)的對頻率有顯式依賴關(guān)系的復(fù)數(shù)來表示。2 計算結(jié)果和討論我們首先比較了正入射情況下,Al層插入前后一維光子晶體的光學(xué)傳輸特性,計算結(jié)果如圖1所示。對于單純的電介質(zhì)光子晶體Si(46nm)/SiO2(120nm)5(簡

9、稱為樣品A),體系在550950nm的范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的光子禁帶,最小透射出現(xiàn)在680nm處,透射率約為215910-4;禁帶以外在500和1030nm附近出現(xiàn)了兩個光子通帶,最大透射率達(dá)到了0194。對于插入Al層后的光子晶體Si(46nm)/SiO2(60nm)/Al(10nm)/SiO2(60nm)5(簡稱為樣品B),在550950nm范圍內(nèi)透射率明顯減小,最小透射率出現(xiàn)在594nm,約為110510-10;在光子晶體的兩個光子通帶內(nèi),與樣品1相比,樣品2的透射率也出現(xiàn)了明顯的下降,尤其在550nm的短波方向,樣品2的最大透過率僅為4134410-4。Fig12 Absorptances

10、pectraatnormalincidenceforSi(46nm)/SiO2(60nm)/Al(xnm)/SiO2(160nm)5,wherex=10,20,30and50nm,respectively1:10nm;2:20nm;3:30nm;4:50nm圖3(b)為插入Al層后一維金屬-電介質(zhì)光子晶體的全方向反射特性。選擇的結(jié)構(gòu)為Si(46nm)/SiO2(60nm)/Al(30nm)/SiO2(60nm)5(簡稱為樣品C)。從圖中可以看出,正入射時S光和P光是簡并的,反射率曲線完全一樣,在500nm長波方向都出現(xiàn)了光子禁帶,其中5001030nm波段間反射率超過90%,1030nm以后的

11、波段由于吸收作用反射率有所減弱,但也在84%以上。隨著角度的增加,S光反射率曲線向短波方向移動,禁帶內(nèi)的反射率逐漸上升,當(dāng)角度增加到89b時,4001200nm頻率范圍都可看作光子禁帶,除400450nm處的反射率為90%98%,其余波段的反射率均在99%以上;P光的禁帶寬度隨入射角的增加而減小,入射角為89b時,反射率90%以上的高反帶為6501200nm?？偟恼f來,兩種偏振模式下的全方向高反帶寬度為550nm。圖3(a)為不含金屬插入層的樣品1的反射率曲線。正入射情況下在560960nm出現(xiàn)反射率96%以上的光子禁帶。當(dāng)入射角增加時,禁帶內(nèi)的反射率基本不發(fā)生變化,但禁帶寬度對角度變化敏感。

12、尤其是P光,禁帶寬度隨入射角的增大迅速變窄,兩種偏振狀態(tài)下的反射率為90%以上的全方向光子禁帶約從660至790nm,不到樣品C的1/4。而在文獻(xiàn)Fig11 TransmittancespectraatnormalincidenceA:Si(46nm)/SiO2(120nm)5;B:Si(46nm)/SiO2(60nm)/Al(10nm)/SiO2(60nm)5為了確定樣品2中透射率減小的來源,我們分別計算了插入不同厚度Al層后在正入射情況下,樣品Si(46nm)/SiO2(60nm)/Al(xnm)/SiO2(60nm)5(Al層的厚度分別為x=10,20,30,50nm)的吸收,結(jié)果如圖2

13、所示,在400500nm和10001200nm波長范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的吸收,258光譜學(xué)與光譜分析 第28卷Fig13 ReflectancespectraofSandPpolarizationsattheincidenceof0b,45band89b;5(a):SampleASi(46nm)/SiO2(120nm);(b):SampleCSi(46nm)/SiO2(60nm)/Al(30nm)/SiO2(60nm)5u:0b;v:45b;o:89bFig14 ReflectancespectraatnormalincidenceforSi(23nm)/Al(x)/Si(23nm)SiO2(12

14、0nm)5,when/x0standsfor10,20,30and50nm1:10nm;2:20nm;3:30nm;4:50nmFig15 ReflectancespectraatnormalincidenceforSi(46nm)/Al(x)/SiO2(120nm)5,when/x0standsfor10,20,30and50nm1:10nm;2:20nm;3:30nm;4:50nm10中,金屬插層為與樣品C相同厚度的Ag層,當(dāng)入射角從0b變化到60b時,得到的S光和P光全方向高反帶寬度約為400nm,比我們選用Al層的樣品C小了1/4。另外計算表明,金屬插層的位置對光子晶體的光學(xué)特性的影響

15、很大。當(dāng)Al層位于Si層中央(如圖4所示)或位于Si和SiO2層中間(如圖5所示)時,光子晶體的光學(xué)特性變得更差,甚至不能提供明顯的光子帶隙。我們認(rèn)為,這是由于Si的介電系數(shù)遠(yuǎn)大于SiO2,Si/Al界面的反射性能比SiO2/Al界面差造成的。屬光子晶體的光學(xué)特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在SiO2層中插入金屬Al層后,光子晶體單位周期的傳輸衰減由每周期712dB提高到了每周期20dB,全方向帶隙顯著擴(kuò)大,采用5周期結(jié)構(gòu)獲得了寬度達(dá)到550nm的全角度帶隙。這一特性可以用來制作尺寸更小,損耗更低,禁帶更寬的全方向光子禁帶器件。同時討論了金屬插入層位置和吸收對光子晶體光學(xué)特性的影響。3 結(jié) 論2l-第2期 光譜

16、學(xué)與光譜分析259參1 YablonovitchE.Phys.Rev.Lett.,1987,58(20):2059.2 JohnS.Phys.Rev.Lett.,1987,58(23):2486.考文獻(xiàn)3 ScaloraM,DowlingJP,BowdenCM,etal.Phys.Rev.Lett.,1994,73:1368.4 JoannopoulosJD,VilleneuvePR,FanS.Nature,1997,386:143.5 ScaloraM,DowlingJP,BloemerMJ,etal.J.Appl.Phys.,1994,76:2023.6 ZHOURen-long,PENG

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20、icPhotonicCrystalsLUOYa-heng,WANGYong-sheng*,WANGDong-dong,DENGL-ier,SUNJianKeyLaboratoryofLuminescenceandOpticalInformation,MinistryofEducation,InstituteofOptoelectronicTechnology,BeijingJiaotongUniversity,Beijing 100044,ChinaAbstract Theopticalcharacteristicsofone-dimensionalmetallodielectricphotoniccrystals(MDPC),constructedbyinsertingmetalaluminumlayersofcertainthicknessintotheSi/SiO2system,werestudiedtheoreticallywiththetransfermatrixmethod.Theresult