含PZN-0.07PT压电单晶缺陷层的一维光子晶体可调带隙特性研究

董云峰 ，王玉玲， 姜　赫，崔海瑛，杨　瑞

(大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712)



含PZN-0.07PT压电单晶缺陷层的一维光子晶体可调带隙特性研究

董云峰 ，王玉玲， 姜赫，崔海瑛，杨瑞

(大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712)

摘要：把具有高电光系数的单畴极化压电单晶0.93铌锌酸铅-0.07钛酸铅(PZN-0.07PT)引入到光子晶体中，利用传输矩阵方法计算含有PZN-0.07PT单晶缺陷层的光子晶体透过谱，研究窄透过带的可调特性。理论计算表明，PZN-PT相较于传统的电光材料，能够在较低的电压下实现大的窄透过带调节，更适用于制作光子晶体可调窄带滤波器。

关键词：光子晶体；缺陷模；传输矩阵；PZN-0.07PT

0引言

光子晶体是一种介电常数周期性重复排列的人工微结构材料，其主要特征是具有光子禁带。一维光子晶体是光子晶体最基本的构型，具有结构简单、易于制备，同时具备二、三维光子晶体的性质，极有可能成为全光通信领域中的关键材料，因此具有较高的理论价值和广泛的应用前景。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，光子晶体原有的对称性被破坏，在光子晶体的禁带中就可能出现频率极窄的缺陷态，与缺陷态频率对应的光子可以被局限在缺陷位置，而带隙中其它频率的光仍然被禁止。具有缺陷的光子晶体因有引导电磁波的能力，而在光子系统中更极具应用价值。

在实际应用中，许多利用光子晶体材料制作的器件，都希望其带结构可以实现主动可调，实现光子晶体的带隙可调方式总体可以分为两类，一类是通过外场改变材料的结构参数，以调节光子晶体的带隙特性，如液晶材料。另一类是引入电流变材料、磁光和电光材料，利用外加电场、磁场或热场等改变材料的介电常数或磁导率常数[1-4]进而达到改变材料折射率的目的，从而实现窄透过带的频率调节目的。在这些材料中，电光材料因为响应速度能达到GHz，引起了研究者的广泛关注，但对这类材料的研究主要集中在铌酸锂晶体上，而对PZN-PT和PMN-PT晶体，在光子晶体可调特性上研究仍很少见。最近，研究人员发现，单畴态的PZN-PT晶体不仅具有优异的压电特性，同时光学稳定性和可见光区域透光性也很好，相较于传统的铌酸锂晶体而言，该晶体具有更大的电光系数。本文基于0.93铌锌酸铅-0.07钛酸铅(PZN-0.07PT)材料优异的电光性能[5]，将其引入到一维光子晶体结构中，利用传输矩阵方法研究了含PZN-PT缺陷层的一维光子晶体可调带隙特性，并分析了缺陷层材料在外加电场作用下的可调特性。

1物理模型

选用周期性结构光子晶体材料为二氧化钛(TiO2)和氟化镁(MgF2)，因这两种材料的化学稳定性和热稳定性好，同时它们在可见光波段都没有光吸收，即折射率虚部为零，材料对应的折射率分别为n1=2.49和n2=1.38。结构中A为TiO2、B为MgF2，厚度分别为a和b。电磁波由左侧入射，其波长为λ。为了便于计算，选取了等厚的基本周期结构，即其中两种材料的光学厚度都为λ0/4(λ0=600nm)。

在周期性结构中引入缺陷层后，在禁带内会出现窄透过带，这对于光学窄带滤波器、激光器和波分复用器有很重要的应用。为实现窄透过带的频率位置可调，把PZN-0.07PT引入到周期性结构中，形成三明治的结构，在缺陷层镀上厚度可以忽略的柔性石墨电极，对单晶施加外加电压，利用电光效应调节缺陷层物质的折射率，实现窄透过带的频率可调。

2数值模拟和结果分析

利用传输矩阵方法，首先分析计算由二氧化钛(TiO2)和氟化镁(MgF2)材料构成的完全周期结构的光透射谱，其带隙结构如图2所示。如图所示，当周期数N很小时，光透过该结构时不会有禁带出现。当N=6时在400nm-800nm范围的透射谱中会有光子禁带出现，而且随着周期数的增加，透过带的范围会小范围内有所增加，但当N=8时，在510nm-710nm的范围内形成光子禁带，此时周期数继续增加，光子晶体的禁带宽度不变。

图1　一维含PZN-0.07PT缺陷层光子晶体结构示意图

铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)是新型弛豫铁电单晶，由于在准同型相界附近具有极其优异的压电性和机电耦合性引起人们的广泛关注。近年来，对这种晶体的光学性质的研究发现，晶体同时具有较宽的透光波段和较高的光学透过率，而且PZN-xPT还具有优异的电光性能，四方向单畴的PZN-0.07PT单晶电光系数r33是为71pm/V, 是传统铌酸锂电光系数的二倍多，并且其半波电压比铌酸锂低得多，这种晶体及有可能成为电光调制器件中的关键材料。基于PZN-0.07PT优异的电光性能，在N=8的周期性光子晶体结构中引入PZN-0.07PT压电单晶，进而构成含缺陷的三明治结构，如图1所示。

利用传输矩阵方法来计算光子晶体的带隙结构，如图3a所示，掺入了PZN-0.07PT缺陷层后，光子晶体禁带范围由原来的200nm增加到240nm，最重要的是，在禁带范围内出现一窄透过带，图3b为这一窄透过带的局部放大图形，由图形中可以更加清晰地看出，这条窄透过带的最大透过率为1，带宽为0.6nm。据此，此种结构可以用作窄带滤波器使用。

a) 研究入射光范围内的透射谱　　b) 窄透过带的局部放大图形

图4　光子晶体带隙结构变化

在PZN-0.07PT晶体上施加的外加电压由-110V-110V变化时，该结构的光子晶体透过带在外加电压时，透过带向长波移动，当电压为-110V时，PZN-0.07PT单晶的折射率为3.0，此时禁带内的窄透过带频移到659nm处。而当PZN-PT上的外加电压为正110V时，晶体的折射率为2.0，此时禁带中的窄透过带向短波移动，移动到556nm。在-110V-110V的电压调节范围内，窄透过带的可调范围为103nm。于铌酸锂作为电光材料的文献对比发现，当利用PZN-0.07PT作为电光晶体构成可调一维光子晶体窄透过带时，不仅所用外加电压低于铌酸锂材料所加外加电压的一半，而且窄透过带的可调范围也有大幅的增加[6]

3结语

利用传输矩阵方法，计算了含压电单晶缺陷层的一维光子晶体可调窄透过带特性。理论计算表明：(1)在引入PZN-0.07PT单晶缺陷层的三明治光子晶体结构中，禁带内会产生一窄透过带；(2)缺陷层上施加外加电场，可实现低电压下窄透过带大频率范围可调；对比研究发现，含PZN-0.07PT压电缺陷层的光子晶体调频范围远大于以传统电光材料铌酸锂，据此得出PZN-PT晶体更适用于制作光子晶体窄带滤波器。

[参考文献]

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[3]郝丽丽，谢应茂. 一维磁流体掺杂光子晶体缺陷模的磁控可调特性[J]. 量子电子学报, 2015,32(3)：347-351.

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[5]孙恩伟, 张锐, 赵欣, 曹文武. 弛豫铁电单晶 0. 93Pb(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3-0. 07PbTiO3的电光性能研究. 光子学报, 38(6)：1442-1445.

[6]WentingZhang,PeideHan,AidongLan,YupingLi,XueZhang.Defectmodestuningofone-dimensionalphotoniccrystalswithlithiumniobateandsilvermaterialdefect.PhysicaE, 2012, 44:813-815.

中图分类号：O431

文献标识码:A

文章编号：2095-0063(2015)06-0062-03

收稿日期：2015-08-23

基金项目：大庆师范学院自然科学基金项目(12ZR12)。

作者简介：董云峰(1977-)，男，黑龙江林甸人，讲师，从事光子晶体特性及应用研究。

DOI10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2015.06.015