CN101915964B - 基于非对称金属双栅结构的光学二极管 - Google Patents
基于非对称金属双栅结构的光学二极管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称金属双栅结构的光学二极管，包括第一金属栅和第二金属栅，第一金属栅和第二金属栅平行排列，第二金属栅的栅周期是第一金属栅的两倍，第二金属栅的外表面上设有表面微腔。本发明中两层金属栅的层间距的存在，是为了利用双栅结构中特有的透射抑制现象，该结构的存在能够非常有效地实现零级透射的单向性。另一方面，本发明对较大周期一栅的外表面做了附加表面微腔结构的改进，能在一定波长范围实现能量透过率高达60％的透射。整个结构对电磁波的单向传输的控制可作用于宽带范围。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学二极管，尤其涉及的是一种基于非对称金属双栅结构的光学二极管。
背景技术
全光器件因其在光通信及量子计算中巨大的潜在应用价值引起人们的广泛关注，其中一个非常重要的逻辑单元便是光学隔离器，借用电子电路中二极管的概念，可称之为光学二极管。光学二极管的主要功能是控制电磁波的单向传输，即电磁波的传播行为在两个方向上具有非对易的特点。
早期，人们提出的光学二极管结构对材料本身的特性具有很强的依赖性。Michael Scalora等人发表于Physics Review E 76，2023(1994)(物理评论E)上“The photonic band edge optical diode(光子带边光学二极管)”，M.D.Tocci等发表于Applied Physics Letters 66，2324，(1995)(应用物理快报)上“Thin-film nonlinear optical diode(薄膜非线性光学二极管)”，SergeiF.Mingaleev等人发表于Journal of the Optical Society of America B 19，2241(2002)(美国光学学会学报B)上“Nonlinear transmission and lightlocalization in photonic-crystal waveguides(光子晶体中的非线性传输和光局域)”，以及Alessandro Alberucci等人发表于Optics Letters 33，1641(2008)(光学快报)上“All-optical isolation by directional coupling(基于方向性耦合的全光隔离器)”，这些光学二极管结构的特点都是借助了非线性材料的材料特性来实现电磁波的非对易传输。除了利用非线性材料，人们借助其他特性的材料也实现了光学二极管的设计。
Sushil Mujumdar等人在Optics Letters 26，929(2001)(光学快报)上发表了“Use of a graded gain random amplifier as an optical diode(可作为光学二极管的具有梯度增益的随机放大器)”，采用了随机放大材料。Michael W.Feise等人在Physics Review E 71，037602(2005)(物理评论E)上发表了“Bistable diode action in left-handed periodic structures(左手材料周期结构中的双稳二极管行为)”，介绍了含有左手材料的光学二极管，并证明其有较好的单向性和双稳性。Shanhui Fan等人在Physics ReviewLetters 100，023902(2008)(物理评论快报)上发表了“One-WayElectromagnetic Waveguide Formed at the Interface between a PlasmonicMetal under a Static Magnetic Field and a Photonic Crystal(稳恒磁场中等离子金属与光子晶体界面形成的单通波导)”，利用到了磁光材料，并且在实验操作中对外加磁场的调节有较高要求。
上述这些光学二极管结构对材料本身的特性有较高要求，在可行性方面具有材料选取困难，结构制作工艺复杂等缺点。于是，人们提出了由各向同性材料构成的非对称衍射结构来实现电磁波的单向传输。Matthew J.Lockyear等人在Physics Review E 74，056611(2006)(物理评论E)上发表文章“One-waydiffraction grating(单通衍射栅)”，他们在微波波段提出了一种非对称衍射栅结构，其结构是由不同周期的金属栅级联构成，并且不同周期的栅之间是紧密连接的，该结构可以实现高级衍射波透射的单向性。A.E.Serebryannikov等人在Physics Review B 80，155117(2009)(物理评论B)上发表文章“One-waydiffraction effects in photonic crystal gratings made of isotropicmaterials(各向同性材料光子晶体衍射栅中的单向衍射效应)”，提出了一种以光子晶体结构为基础的非对称衍射栅结构，其结构特点是以光子晶体为基本构成材料，在其一端刻蚀出栅结构，或是在两端刻蚀出不同周期的栅结构。A.E.Serebryannikov等人在Optics Express 17，278(2009)(光学快递)上发表文章“Isolation and one-way effects in diffraction on dielectric gratingswith plasmonic inserts(含有等离子材料夹层介电栅结构衍射的隔离和单向效应)”，提出了一种含有等离子材料夹层的非对称衍射栅结构，其结构特点是两层不同周期的介电材料栅由中间一层等离子材料夹层级联起来，该夹层只能支持表面等离激元的传输，也就是表面消逝场的传输，因此其作用是阻隔零级透射。
这些各向同性材料构成的非对称衍射结构实现光学二极管功能的一个共同本质是在两个方向上对不同级次的衍射波进行筛选以实现高级(部分级次)衍射波传输的单向性，但却无法实现零级透射的单向性。
综上所述，人们对光学二极管的研究已经涉及到了各种材料和各种结构，而申请人设计了一种材料选取容易、结构较为简单并且能够实现零级透射的单向性的基于非对称金属双栅结构的光学二极管构型。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于非对称金属双栅结构的光学二极管构型，克服了现有光学二极管结构无法同时实现材料选取简单和零级透射单向性的不足，其材料选取简单，并且能够实现零级透射单向性，可实现宽带范围的电磁波单向传输。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括第一金属栅和第二金属栅，其中：第一金属栅和第二金属栅平行排列且具有间距，第二金属栅的栅周期是第一金属栅的两倍，第二金属栅的外表面上设有表面微腔。
所述的第一金属栅和第二金属栅的狭缝的宽度相等，狭缝宽度小于电磁波波长的一半，并且不小于第一金属栅的栅周期的0.1倍。
所述的第一金属栅的栅周期小于电磁波的波长，第二金属栅的栅周期大于电磁波的波长。
所述的第一金属栅和第二金属栅的横向位移不超过第一金属栅的栅周期的一半。
所述的第一金属栅和第二金属栅是银(Ag)、金(Au)、铜(Au)或铝(Al)制成。
所述的表面微腔与第二金属栅上狭缝的距离是第二金属栅的栅周期的一半，表面微腔的宽度和狭缝的宽度相等，表面微腔的深度调整至实现该栅对工作电磁波达到能量透过率极大值。
所述的第一金属栅和第二金属栅的厚度以各自支持工作电磁波波长的零级波导模式为基准，在双层结构的基础上进行微调，达到工作电磁波以第二金属栅为入射端的能量透过率极大值。
本发明的工作原理是：对于正入射的p-偏振平面波，根据工作波长调整各结构参数，使得其以第一金属栅为入射端入射时发生完全的透射抑制现象，即零透射现象；而以第二金属栅为入射端入射时发生能量透过率较高的透射现象，从而实现电磁波的单向传输行为。
有益效果：本发明利用各向同性材料设计出了一种结构简单的光学二极管构型，该结构能够实现电磁波零级透射的单向性，而现有其他非对称衍射结构只能对高级衍射波进行筛选，从而实现高级衍射波的单向性。本发明中两层金属栅的层间距的存在，是为了利用金属双栅结构中特有的透射抑制现象，该结构的存在能够非常有效地实现零级透射的单向性。另一方面，本发明对较大周期一栅的外表面做了附加表面微腔结构的改进，能在一定波长范围实现能量透过率高达60％的透射。整个结构对电磁波的单向传输的控制可作用于宽带范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：d1与d2分别为两栅的栅周期，h1与h2分别为两栅的厚度，a为两栅狭缝的宽度，G为两栅的层间距，L为两栅间横向位移，ac为表面微腔的宽度，hc为表面微腔的深度，t是表面微腔和狭缝的距离；方向向上的箭头代表了透射抑制方向，方向向下的箭头代表了透射方向；
图2是本发明的透射谱。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括第一金属栅1和第二金属栅2，其中：第二金属栅2的栅周期是第一金属栅1的两倍，第二金属栅2和第一金属栅1平行排列，第二金属栅2的外表面上设有表面微腔3。第一金属栅1和第二金属栅2之间有间距G和横向位移L，满足具有波长λ的电磁波以第一金属栅1为入射端的透射抑制关系：
其中：m和n均为整数，m与n的上下限各分别取为-10与10即能得到比较精确的结果。
所述的第一金属栅1和第二金属栅2的横向位移不大于第一金属栅1的栅周期的一半。
所述的表面微腔3与第二金属栅2上狭缝的距离是第二金属栅2的栅周期的一半，表面微腔3的宽度和狭缝的宽度相等，表面微腔3的深度调整至实现该栅对工作电磁波达到能量透过率的极大值。表面微腔3的深度略小于第二金属栅2的栅厚度的一半。
所述的第一金属栅1和第二金属栅2的厚度以各自支持工作电磁波波长的零级波导模式为基准，在双层结构的基础上进行微调，达到工作电磁波以第二金属栅2为入射端的能量透过率极大值。
本实施例中，相应的结构参数为第一金属栅1的栅周期d1＝1000nm，第二金属栅2的栅周期d2＝2000nm，两栅狭缝的宽度相等且狭缝的宽度是a＝100nm，第一金属栅1的厚度h1＝510nm，第二金属栅2的厚度h2＝480nm，两栅的层间距G＝340nm，两栅间横向位移L＝0，表面微腔3的宽度ac＝100nm，表面微腔3和狭缝的距离t＝1000nm，表面微腔3的深度hc＝200nm，所述的狭缝宽度a小于电磁波的波长，所述的第一金属栅1的栅周期d1小于电磁波的波长，第二金属栅2的栅周期d2大于电磁波的波长。
本实施例的第一金属栅1和第二金属栅2由银(Ag)制成。
对于微波至中红外波段，工作波长较大，对应的结构参数值较大，制备精度要求相对较低。可采用金属刻蚀或其他方法分别制备两层金属栅，再将二者根据相应的间距和横向位移平行置放；或者可先制备(金属/介质/金属)的三明治结构，再对两个金属薄膜按各自参数分别进行刻蚀。
对于近红外至可见光波段，工作波长较小，对应的结构参数值较小，制备精度要求相对较高。金属薄膜的制备可采用磁控溅射等工艺实现，而金属栅结构的制备可采用聚焦离子束刻蚀(FIB)实现。在理论上证明能够在宽带实现，因此对于制作精度的要求并不十分苛刻，随着现有加工技术的发展，可根据实际情况灵活选取。
如图2所示，给出了一个用时域有限差分法(FDTD)模拟计算出的一个具体实例。在该参数条件下，在1200nm至1800nm波长范围内，以1-2方向(图1中由下至上方向即抑制方向)入射，透射谱上观察到1-2方向入射时出现宽带透射抑制现象，均能实现几乎为0的能量透过；而以2-1方向(图1中由上至下方向即透射方向)入射，在宽带范围内能够实现能量透过率较高的透射，在波长1500nm附近出现宽带透射现象，达到了将近60％的峰值能量透过率。
Claims (6)
1.一种基于非对称金属双栅结构的光学二极管，包括第一金属栅(1)和第二金属栅(2)，其特征在于：第一金属栅(1)和第二金属栅(2)平行排列，第二金属栅(2)的栅周期是第一金属栅(1)的两倍，第二金属栅(2)的外表面上设有表面微腔(3)；所述的第一金属栅(1)和第二金属栅(2)的厚度以各自支持工作电磁波波长的零级波导模式为基准；第一金属栅(1)和第二金属栅(2)具有间距；满足具有波长λ的电磁波以第一金属栅(1)为入射端的透射抑制关系：
其中：m和n均为整数，G为第一金属栅(1)和第二金属栅(2)的间距，L为第一金属栅(1)和第二金属栅(2)的横向位移，d1为第一金属栅(1)的栅周期。
2.根据权利要求1所述的基于非对称金属双栅结构的光学二极管，其特征在于：所述的第一金属栅(1)和第二金属栅(2)的狭缝的宽度相等，狭缝的宽度小于工作电磁波波长的一半，并且不小于第一金属栅(1)的栅周期的0.1倍。
3.根据权利要求1所述的基于非对称金属双栅结构的光学二极管，其特征在于：所述的第一金属栅(1)的栅周期小于工作电磁波的波长，第二金属栅(2)的栅周期大于工作电磁波的波长。
4.根据权利要求1所述的基于非对称金属双栅结构的光学二极管，其特征在于：所述的第一金属栅(1)和第二金属栅(2)的横向位移不大于第一金属栅(1)的栅周期的一半。
5.根据权利要求1所述的基于非对称金属双栅结构的光学二极管，其特征在于：所述的第一金属栅(1)和第二金属栅(2)是由银、金、铜或铝制成。
6.根据权利要求1所述的基于非对称金属双栅结构的光学二极管，其特征在于：所述的表面微腔(3)与其相邻的第二金属栅(2)上狭缝的距离是第二金属栅(2)的栅周期的一半，表面微腔(3)的宽度和狭缝的宽度相等，表面微腔(3)的深度小于第二金属栅(2)的栅厚度的一半。
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