CN102890383A

CN102890383A - 一种超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统

Info

Publication number: CN102890383A
Application number: CN2012104033823A
Authority: CN
Inventors: 陈建军; 张茹; 肖井华; 王晨
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明公开了一种超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统。本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统包括：金属-介质-金属MIM波导；以及从侧面耦合在MIM波导上的多个长度不同的分支谐振腔。本发明采用从侧面耦合在MIM波导上的多个共振波长不同的分支谐振腔，实现了多个类电磁感应透明EIT光学响应，具有更加复杂的应用，能实现多种功能器件，如通道选择、通道分插复用器、多通道滤波器、多通道开关、波分复用器以及在纳米光学电路和网络中的复用/解复用器。本发明的系统结构简单紧凑，易于设计，便于制备，极大地提高了纳米光学器件的性能，如提高器件的波长分辨率、提高传感灵敏度，降低调制器、光开关的泵浦阈值等。

Description

一种超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，具体涉及一种产生多个类EIT光学响应的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）SPPs是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，可以通过求解在金属-介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPPs最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，可突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应。因此，近年来SPPs得到了研究者的广泛关注。

电磁感应透明（Electromagnetically induced transparency）EIT是一种量子干涉效应，基于原子能级和外加光场的相干作用，可以产生很窄光谱的增强透过现象。这种增强透过现象可以导致光子速度的极大降低，从而在光学非线性、调制器、传感器等领域中具有广阔的应用前景。研究发现，传统的谐振腔系统也能产生类似电磁感应透明效应的光学响应，因此引起了研究者极大的兴趣。由于表面等离激元可以被超小金属结构紧强烈束缚，可突破衍射极限，因此，结合类EIT光学响应和纳米表面等离激元结构有可能实现超紧凑的光学多功能器件。例如，人们通过表面等离激元阵列结构，已经实现了类EIT光学响应。最近，利用尺寸更小的表面等离激元单元结构，人们也分别在理论和实验上观察到了类EIT光学响应。然而，之前所有的表面等离激元结构中实现的都是单个类EIT光学响应，考虑到微型化和多功能化是实现高集成度光学回路的关键，因此这种单个类EIT光学响应在实现复杂功能器件的应用上受到很大限制，无法满足高速发展的通讯技术的需要。

发明内容

针对以上现有技术亟待的问题，本发明提出了一种超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统，实现了多个类EIT光学响应。这种可以产生多个类EIT光学响应的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统对于构建高集成度的复杂功能的光学器件具有重要意义。

本发明的目的在于提供一种超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统。

本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统包括：金属-介质-金属MIM波导；以及从侧面耦合在金属-介质-金属MIM波导上的多个长度不同的分支谐振腔；其中，MIM波导为三层平板结构，第一层和第三层为金属材料，二者之间为介质层；分支谐振腔和介质层为相同的介质。

MIM波导的第一层和第三层采用金或银等金属。介质层的厚度t在10纳米至1微米之间。在MIM波导中，表面等离激元场强能很好的束缚在介质层里，能极大的突破衍射极限，达到深亚波长尺寸。

分支谐振腔从侧面耦合在MIM波导上，相邻两个分支谐振腔之间可形成法布里-珀罗谐振腔（Fabry-Perot）FP谐振腔。由电磁场理论可知，在具有一定边界条件的谐振腔内，电磁场只能存在一系列分离的本征态，通过麦克斯韦（Maxwell）方程组及边界条件或商用软件（Comsol Multiphysics，有限元矩阵法FDTD等）可求得在谐振腔内的共振波。

各个分支谐振腔可以从同一侧面耦合在MIM波导上，也可以从不同的侧面耦合在MIM波导上。

分支谐振腔的长度d在100nm～1000nm之间；宽度w在10nm～1000μm之间。这种分支谐振腔可以产生宽带的透过谱。当分支谐振腔处在共振状态时，表面等离激元在分支谐振腔内发生共振并被谐振腔完全反射回去。

两个不同的分支谐振腔从侧面耦合到MIM波导上，两个谐振谐振腔的长度d不同，之间的间距L在100nm～1000nm之间，适当地调节两个分支谐振腔之间的间距L，在宽带的吸收谱中出现了一个明显的窄的透过峰，这是典型的类EIT光学响应。当两个分支谐振腔正好处在共振状态时，两个分支谐振腔中的表面等离激元被谐振腔完全反射回去。当入射波长偏离分支谐振腔共振波长时，分支谐振腔对SPPs具有很高的反射率。因此，在这些波长下，SPPs会被这两个分支谐振腔来回反射，形成FP谐振腔。当从第一个分支谐振腔到第二个分支谐振腔的累积相位延迟

时，在相邻的分支谐振腔之间具有强耦合，并且发生相干相长，从而产生一个强的透过峰，产生类EIT光学响应，其中，λ为入射波长。因此，适当地调节两个谐振腔之间的间距L，使得

在这两个共振波长之间，有一个非常窄的透过峰，即类EIT光学响应。这种类EIT光学响应现象在增强非线性、调制器和传感器等领域具有重要应用。

n个不同的分支谐振腔从侧面耦合到MIM波导上，n为≥3的自然数。相邻的两个分支谐振腔之间的间距L_m（m+1）在100nm～1000nm之间，m＜n且为自然数。本发明的具有多个分支谐振腔，不同的谐振腔之间可以通过MIM波导发生相互作用，相邻的两个分支谐振腔之间具有强耦合，形成FP谐振腔，达到共振增强时可产生类EIT光学响应。调节各个相邻的分支谐振腔之间的间距L_m（m+1），m＜n且为自然数，使得从第m个分支谐振腔到第m+1个分支谐振腔的累积相位延迟

在宽带的吸收谱中出现n-1个透过峰。相邻的两个分支谐振腔和它们之间的MIM波导部分有很强的场分布，结果在每两个相邻的分支谐振腔之间产生一个强的透过峰。通过增加更多的分支谐振腔，还可以在表面等离激元多腔耦合系统中获得更多的类EIT光学响应。EIT透过峰的半高全宽在10nm以下，远远小于单个谐振腔的谱宽，可极大提高纳米光学器件的性能，如提高器件的波长分辨率、提高传感灵敏度，降低调制器、光开关的泵浦阈值。另外，这种可以产生多个类EIT光学响应的超紧凑等离激元多腔耦合系统具有更加复杂的应用，能实现多种功能器件，如通道选择、通道分插复用器（add-drop）、多通道滤波器、多通道开关、波分复用器以及在纳米光学电路和网络中的复用/解复用器（interleavers）。

本发明的优点：

本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统采用从侧面耦合在金属-介质-金属MIM波导上的多个共振波长不同的分支谐振腔，实现了多个类EIT光学响应，具有更加复杂的应用，能实现多种功能器件，如通道选择、通道分插复用器、多通道滤波器、多通道开关、波分复用器以及在纳米光学电路和网络中的复用/解复用器。本发明的系统结构简单紧凑，易于设计，便于制备，极大地提高了纳米光学器件的性能，如提高器件的波长分辨率、提高传感灵敏度，降低调制器、光开关的泵浦阈值等。

附图说明

图1（a）为本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统的具有两个谐振腔的实施例的剖面图，图1（b）为具有三个谐振腔的实施例的剖面图，图1（c）为具有四个谐振腔的实施例的剖面图；

图2（a）为本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统的具有三个谐振腔的实施例的透过谱，（b）、（c）和（d）分别为入射波长λ在970nm、1001nm和1030nm时的场分布图；

图3（a）为本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统的具有四个谐振腔的实施例的透过谱，（b）和（c）分别为入射波长λ在999nm和1062nm时的场分布图；

图4（a）为本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统的具有三个谐振腔的实施例的透过谱，（b）、（c）和（d）分别为入射波长λ在926nm、1001nm和1062nm时的场分布图。

具体实施方式+

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统包括：金属-介质-金属MIM波导，MIM波导为三层平板结构，第一层1和第三层3为金属材料，二者之间为介质层2；以及从侧面耦合在金属-介质-金属MIM波导上的多个共振波长不同的分支谐振腔4，分支谐振腔4和介质层2为相同的介质，为二维结构。

在以下各个实施例中，MIM波导的第一层和第三层的金属为银，介质层和分支谐振腔的介质为空气，并且各个分支谐振腔从同一侧面耦合在MIM波导上。

如图1（a）所示，两个不同的分支谐振腔从侧面耦合在MIM波导上，形成双谐振腔耦合结构。其中，介质层2的厚度为t=50nm，分支谐振腔4的宽度为w=50nm，两个谐振腔的长度d分别为500nm和535nm。这种分支谐振腔可以产生半高全宽约为180nm的宽带吸收光谱。当两个分支谐振腔的间距为L=370nm时，宽带的吸收谱中出现了一个明显的透过峰，如图2（a）所示，这是典型的类EIT光学响应。当两个谐振腔正好分别处在共振状态时，也就是入射波长为970nm和1030nm时，表面等离激元被谐振腔完全反射回去，分别如图2（b）和图2（d）所示。而在这两个共振波长之间，在1001nm处，有一个非常窄的透过峰，对应的场分布如图2（c）所示。此时，

可以看到，图2（c）中表现出比图2（b）和图2（d）强得多的场分布，这在增强非线性、调制器和传感器等领域具有重要应用。

在上述双谐振腔耦合结构的右侧加一个长度d=570nm的谐振腔，可以形成三谐振腔耦合结构，如图1（b）所示。调节第二个和第三个谐振腔的间距至L₂₃=390nm，透过谱中在999nm和1062nm明显出现了两个相等的透过峰，呈现出两个类EIT光学响应，如图3（a）所示。这两个透过峰处对应的场分布分别如图3（b）和（c）所示。在入射波长999nm（或1062nm）处，（b）（或（c））所示，左边（或右边）两个分支谐振腔和它们之间的MIM波导部分有很强的场分布，结果各导致了一个强的透过峰，

（或

)。这也说明只有相邻的分支谐振腔之间有强耦合，并且相干相长发生在相邻的分支谐振腔之间。

上面的结构还可以推广到更多个谐振腔耦合的系统，从而产生多个类EIT光学响应。如图1（c）所示，将长度d=465nm的第四个分支谐振腔放在三腔耦合结构的左边，间距L₁₂为335nm处，可以构成四谐振腔耦合结构。这一结构的透过谱中，在入射波长926nm、1001nm和1062nm处出现了三个透过峰，形成三个类EIT光学响应，如图3a所示，

这三个类EIT光学响应的透过峰的半高全宽只有6nm，远小于单个分支腔180nm的谱宽。三个共振峰波长处对应的场分布如图4（b）、（c）和（d）所示，也说明上述三个共振峰对应于表面等离激元多腔耦合系统中出现增强的场分布。通过进一步增加更多的分支谐振腔，还可以在上述表面等离激元多腔耦合系统中获得更多的类EIT光学响应峰。因此，这种可以产生多个类EIT光学响应峰的超紧凑耦合多腔系统可以实现更加复杂功能的纳米光学器件。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，所述表面等离激元多腔耦合系统包括：金属-介质-金属MIM波导，MIM波导为三层平板结构，第一层（1）和第三层（3）为金属材料，二者之间为介质层（2）；以及从侧面耦合在所述金属-介质-金属MIM波导上的多个共振波长不同的分支谐振腔（4），所述分支谐振腔（4）和介质层（2）为相同的介质。

2.如权利要求1所述的表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，所述MIM波导的第一层（1）和第三层（2）采用金或银等金属。

3.如权利要求1所述的表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，所述介质层（2）的厚度t在10纳米至1微米之间。

4.如权利要求1所述的表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，两个不同的所述分支谐振腔从侧面耦合到MIM波导上，两个谐振腔的长度d不同，之间的间距L在100nm～1000nm之间，适当地调节两个分支谐振腔之间的间距L，使得从第一个分支谐振腔到第二个分支谐振腔的累积相位延迟

其中，λ为入射波长。

5.如权利要求1所述的表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，n个不同的所述分支谐振腔从侧面耦合到MIM波导上，相邻的两个分支谐振腔之间的间距L_m（m+1）在100nm～1000nm之间，调节各个相邻的分支谐振腔之间的间距L_m（m+1），使得从第m个分支谐振腔到第m+1个分支谐振腔的累积相位延迟

其中，n为≥3的自然数，m＜n且为自然数，λ为入射波长。

6.如权利要求1、4或5所述的表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，所述分支谐振腔的长度d在100nm～1000nm之间；宽度w在10nm～1000μm之间。

7.如权利要求1所述的表面等离激元多腔耦合系统，其特征在于，各个所述分支谐振腔从同一侧面耦合在所述MIM波导上，或者从不同的侧面耦合在所述MIM波导上。