CN102955268B - 基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，包括：表面等离子波导、两个布拉格反射镜、共振微腔、输入耦合装置和输出耦合装置，两个布拉格反射镜间隔设置在表面等离子波导的中心层，共振微腔设置在两个布拉格反射镜之间，输入耦合装置和输出耦合装置分别连接至表面等离子波导的左右端面。本发明实现了亚波长空间尺度的光学调制，克服了衍射极限对传统光调制器尺寸的限制，并大幅减小调制所需的外加电压和能量，提高器件响应速度，具有小尺寸，高响应速度等特点，可以在1550nm通讯波段实现对输出光90%的调制深度，为实现亚波长光学调控以及设计亚波长光学器件提供了一种可行方案。

Description

基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器

技术领域

本发明涉及表面等离子激元光学领域，具体地，涉及一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器。

背景技术

随着微纳米加工技术的提高，适用于芯片集成化的超小尺寸光学器件已逐渐成为未来纳米光子领域的重要发展目标。相较发展已非常成熟的集成电子元件，光子集成具有响应速度快，能量损耗低等优势，在光通信和光计算等领域将具有极大的潜在应用价值。然而，传统光子器件在尺寸上受到衍射极限的制约。无论是普通电介质（晶体，半导体，聚合物）波导，还是光子晶体波导，其能够支持的最小光场模式的尺寸均难以突破波长量级，因而无法进一步减小光子器件的体积，使其能够在纳米尺度上与现有集成电子回路实现互联。解决这一问题的一种有效方案是在金属微结构上激发表面等离子激元。表面等离子激元是一种在金属-电介质界面上通过极化电子云与电磁波耦合共振而形成的特殊电磁模式，在金属表面具有强烈的光场限域特性，这为在亚波长尺度下传播电磁场，实现纳米尺度的光子元件提供了可能。然而，金属的欧姆损耗将限制表面等离子波的传输距离。传统基于金属-电介质表面的表面等离子结构尺寸相对较大，不利于深度集成，并可能导致明显的传输损耗，因而需要通过合适的结构设计尽可能减小器件尺寸以降低损耗。

另一方面，文献已报道的表面等离子光学结构多为被动器件，例如波导，谐振腔，分束器，滤波器等，这些器件或结构不能对表面等离子波进行可控的主动调制，难以满足微纳光信息处理的要求。传统上，实现光学调制的方法一般包括电-光，声光，热光，磁光及全光调制，其中电-光调制具有易集成，响应速度快等特点，适合于在微纳光路中使用。通常，为了引入电-光效应人们可以使用普克尔型电光晶体或液晶产生的相位调制，亦可使用具有Franz-Keldysh效应的半导体量子阱材料产生的电致吸收。如何通过合适的设计将上述电-光调制机制引入到微纳尺寸的表面等离子结构中，并大幅降低其能量消耗是发展表面等离子光调制器件的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，该基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器是横向上具有深亚波长空间尺度的光调制器件，通过将介电布拉格反射镜引入亚波长尺寸的金属狭缝波导形成共振微腔，克服了衍射极限对传统光调制器尺寸的限制，并大幅减小调制所需的外加电压和能量，提高器件响应速度。

根据本发明的一个方面，提供一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，包括：表面等离子波导、两个布拉格反射镜、共振微腔、输入耦合装置和输出耦合装置，两个布拉格反射镜间隔设置在表面等离子波导的中心层，共振微腔设置在两个布拉格反射镜之间，输入耦合装置和输出耦合装置分别连接至表面等离子波导的左右端面。

优选地，该表面等离子波导为亚波长尺度金属狭缝波导。

优选地，该布拉格反射镜为电介质布拉格光栅。

优选地，该共振微腔为Fabry-Pérot型谐振腔，内部由电光/电吸收材料填充。

优选地，该输入耦合装置和输出耦合装置均为端面拉锥后的亚微米光纤。

优选地，该光学调制器对输出光的调制采用电光调制和电吸收调制。

优选地，该表面等离子波导的色散方程为：

${\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{x2}+{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{x1}\tanh \left(\frac{-{\mathrm{ik}}_{x1}t}{2}\right)=0---\left(1\right)$

其中：

$k_{x\mathrm{1,2}}^2={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{1,2}}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right)}^2-k_z^2---\left(2\right)$

其中，t为波导宽度，ε₁和ε₂分别表示电介质和金属层的介电常数；ω是入射光的角频率；c为自由空间中的光速；k_x，k_z分别代表垂直和平行于传播方向上表面等离子波的波矢。

优选地，该金属层的介电常数ε₂依赖于入射光的频率，在近红外波段，用Drude模型描述如下：

${\mathrm{\ϵ}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+\mathrm{i\γ})}---\left(3\right)$

其中ε_∞是角频率无穷大时的介电常数，ω_p是等离子频率，γ表示碰撞频率。

优选地，该布拉格反射镜的反射条件为：

Re(n_eff1)d₁+Re(n_eff2)d₂=λ/2        （4）

其中：n_eff=k_zc/ω为导模的有效折射率，n_eff1和n_eff2根据公式（1），（2）得到；d₁和d₂为折射率分别为和的两种电介质的厚度，λ为入射光在真空中的波长。

优选地，该共振微腔的谐振条件由如下方程描述：

$2L{n}_{\mathrm{eff}}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}+2\mathrm{\φ}=m\·2\mathrm{\π}---\left(5\right)$

其中：φ代表腔体两端反射造成的相移，m是共振级次,L表示微腔的长度。

本发明的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，入射光由左侧光纤耦合入金属狭缝波导内，并在经过调制器后从波导右端耦合入出射光纤。进行传输调制时，利用光栅使特定波长的表面等离子波在微腔内形成强烈共振，在禁带中形成较高品质因子的共振模式。通过在金属波导上施加外电场改变微腔的有效复折射率，进而改变共振波长，达到对输出光强进行调制的目的。

对输出光的调制具体可通过电光调制或电吸收调制两种方式实现。采用电光调制时，微腔非线性折射率为其中γ是电光系数，E为电场强度。当外电场强度改变时，微腔折射率相应改变，进而由公式(1)-(3)可计算得到微腔有效折射率n_eff的改变。根据公式（5），此时透射峰中心波长位置将向发生蓝移，即入射波长将由共振状态转移至非共振状态，因此出射端口的透射率随之从最大值逐渐减小到接近于零，表面等离子波的传输受到抑制，从而实现输出光强的改变。电吸收调制时，微腔吸收系数与外电场存在关系：Δα=aE²，其中a为电致吸收系数，α=4πk/λ。当外电场强度改变时，入射光经过调制器的吸收率随之改变，此时透射峰中心波长位置不变，入射波长仍保持共振状态，但透射率随吸收率的提高而下降，从而实现对输出光强的调制。透射率的变化满足公式：

ΔT=[1-exp(-ΔαL)]T₀    （6）

其中T₀为未施加电场时的透射率。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明实现了亚波长空间尺度的光学调制，克服了衍射极限对传统光调制器尺寸的限制，并大幅减小调制所需的外加电压和能量，提高器件响应速度，具有小尺寸，高响应速度等特点，可以在1550nm通讯波段实现对输出光90%的调制深度，为实现亚波长光学调控以及设计亚波长光学器件提供了一种可行方案。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器的结构示意图。

图中：1为表面等离子波导，2为布拉格反射镜，3为共振微腔，4为输入耦合装置，5为输出耦合装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种基于金属狭缝波导的表面等离子光学调制器，包括：表面等离子波导1，两个布拉格反射镜2，由电光/电吸收材料填充的共振微腔3，输入耦合装置4和输出耦合装置5。其中，两个布拉格反射镜2间隔设置在表面等离子波导1的中心层，共振微腔3位于两个布拉格反射镜2之间，输入耦合装置4和输出耦合装置5分别连接表面等离子波导1左右两个端面，输入耦合装置4与光源相连接，输出耦合装置5与光功率计相连接。

表面等离子波导1为亚波长尺度金属狭缝波导。具体为中心层宽度t＝100nm的银狭缝波导，介电常数为ε₂，中心层为空气，介电常数为1。

本发明的表面等离子波导1的色散方程为：

${\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{x2}+{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{x1}\tanh \left(\frac{-{\mathrm{ik}}_{x1}t}{2}\right)=0---\left(1\right)$

其中：

$k_{x\mathrm{1,2}}^2={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{1,2}}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right)}^2-k_z^2---\left(2\right)$

其中，t为波导宽度，ε₁和ε₂分别表示电介质和金属层的介电常数；ω是入射光的角频率；c为自由空间中的光速；k_x，k_z分别代表垂直和平行于传播方向上表面等离子波的波矢。

金属层的介电常数ε₂依赖于入射光的频率，在近红外波段，用Drude模型描述如下：

${\mathrm{\ϵ}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+\mathrm{i\γ})}---\left(3\right)$

其中ε_∞是角频率无穷大时的介电常数，ω_p是等离子频率，γ表示碰撞频率。

布拉格反射镜2为电介质布拉格光栅，光栅周期为N＝3，光栅材料折射率为n₁=1.5和n₂=2.83，对应的宽度分别为d₁=214nm和d₂=112nm。

具体的，布拉格反射镜2的反射条件为：

Re(n_eff1)d₁+Re(n_eff2)d₂=λ/2        （4）

其中：n_eff＝k_zc/ω为导模的有效折射率，n_eff1和n_eff2根据公式（1），（2）得到；d₁和d₂为折射率分别为和的两种电介质的厚度，λ为入射光在真空中的波长。

共振微腔3为Fabry-Pérot型谐振腔，腔长L＝1730nm，内部由具有普克尔效应的电光材料或具有Franz-Keldysh效应的半导体材料填充。

本发明的共振微腔3的谐振条件由如下方程描述：

$2L{n}_{\mathrm{eff}}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}+2\mathrm{\φ}=m\·2\mathrm{\π}---\left(5\right)$

其中：φ代表腔体两端反射造成的相移，m是共振级次,L表示微腔的长度。

输入耦合装置4和输出耦合装置5均为端面拉锥后的亚微米光纤。

以下结合具体实施例说明本发明的调制过程及原理，本实施例具体调制方法包括以下步骤：

首先通过电子束曝光工艺在金属平面上刻蚀一条宽度为t＝100nm，深度约为2μm的金属狭缝波导，用于约束表面等离子波的传播。入射光由光源产生，通过左侧光纤耦合入金属狭缝波导内，并在经过调制器后从波导右端耦合入出射光纤，最后进入光功率计进行检测。

一个示例性方案中，入射光波长为1550nm，波导金属（银）层在1550nm波长的Drude材料参数为ε_∞=3.7，ω_p=9.1eV，γ=0.018eV。构成布拉格光栅的两种电介质的折射率分别为n₁=1.5（二氧化硅）和n₂=2.83（AMTIR玻璃），则由公式（1）计算出对应的有效折射率n_eff1和n_eff2。根据公式（4），当光栅参数为d₁=214nm和d₂＝112nm，周期为N＝3时，将在1550nm附近产生表面等离子波的传输禁带，由转移矩阵（TMM）法可估算出禁带宽度约为500nm。入射光经过调制器的透射率通过有限时域差分（FDTD）法计算获得。

当采用电光调制时，取电光材料参数为n₀=1.5，γ=150pm/V。若未施加外部电场，设置腔长L＝1730nm可使共振波长发生在1550nm，以保证该波长的入射波具有较高的透射率（“ON”态）。在4级共振条件下，调制器“ON”状态时的透射率为54.8%并且调制深度与更高级次的共振接近。当施加电场后，根据公式(1)-(3)，微腔有效折射率n_eff随电场发生改变，导致表面等离子波在微腔内的相移发生变化，从而引起共振波长的横移（公式（5））。此时如在两侧金属壁上施加电压差U=Et的大小为5.2V，表面等离子波的透射强度将从56%下降至22%，即能导致超过50%（3dB）的调制深度，当电压提高至14.2V时，即可实现90%的调制。

利用电致吸收效应进行调制时，电吸收材料的吸收系数线性折射率为n₀=1.5，电场相关的吸收系数为：Δα/E²=3×10^-4。当外加电压为零时，器件处于“ON”态。随着电压的增加，表面等离子波的损耗增加，透射率降低，输出光从“ON”态逐渐减小至透射率为零时的“OFF”态。通过公式（6）和数值模拟均可发现，在同样的外加电压下，电吸收调制的调制深度要优于电光调制。例如，对于4级共振，50%和90%调制深度对应的电压仅为1.2V和2.6V。随着电压进一步增加，消光率与外电压之间基本呈线性关系，约6V电压可以实现～23dB的消光率。

本发明的表面等离子调制器的功率消耗和响应速度可以通过如下方法估算：器件的电容由C=εA/d得到，其中A为微腔区域金属包覆层的面积，t_c为微腔部分波导宽度，ε为介电常数。则调制能耗根据下式计算：

$\mathrm{Energy}/\mathrm{bit}=\frac{1}{2}C{V}_d^2---\left(7\right)$

其中V_d为驱动电压。

表面等离子调制器的电容由C=εA/d得到约为0.7fF，能耗根据公式（6）计算。结果显示，对于电光调制，50%和90%调制深度能耗分别为50fJ/bit和100fJ/bit；若使用电吸收调制，则分别仅为1fJ/bit和3fJ/bit。此外，由于电容很小，50Ω负载阻抗对应的RC响应时间约35fs。因此，调制器的速度将主要取决于材料响应时间，通常在皮秒量级。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，包括：表面等离子波导、两个布拉格反射镜、共振微腔、输入耦合装置和输出耦合装置，所述两个布拉格反射镜间隔设置在所述表面等离子波导的中心层，所述共振微腔设置在所述两个布拉格反射镜之间，且所述共振微腔为Fabry-Pérot型谐振腔，内部由电光/电吸收材料填充，所述输入耦合装置和输出耦合装置分别连接至所述表面等离子波导的左右端面。

2.根据权利要求1所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述表面等离子波导为亚波长尺度金属狭缝波导。

3.根据权利要求1所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述布拉格反射镜为电介质布拉格光栅。

4.根据权利要求1所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述输入耦合装置和输出耦合装置均为端面拉锥后的亚微米光纤。

5.根据权利要求1所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述光学调制器对输出光的调制采用电光调制和电吸收调制。

6.根据权利要求1所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述表面等离子波导的色散方程为：

${\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{x2}+{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{x1}\tanh \left(\frac{-{\mathrm{ik}}_{x1}t}{2}\right)=0---\left(1\right)$

其中：

$k_{x1,2}^2={\mathrm{\ϵ}}_{1,2}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right)}^2-k_{z1,2}^2---\left(2\right)$

其中，t为波导宽度，ε₁和ε₂分别表示电介质和金属层的介电常数；ω是入射光的角频率；c为自由空间中的光速；k_x，k_z分别代表垂直和平行于传播方向上表面等离子波的波矢，k_x1表示电介质垂直于传播方向上表面等离子波的波矢，k_x2表示金属层垂直于传播方向上表面等离子波的波矢，k_z1表示电介质平行于传播方向上表面等离子波的波矢，k_z2表示金属层平行于传播方向上表面等离子波的波矢。

7.根据权利要求6所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，金属层的介电常数ε₂依赖于入射光的频率，在近红外波段，用Drude模型描述如下：

${\mathrm{\ϵ}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\∞}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+i\mathrm{\γ})}---\left(3\right)$

其中ε_∞是角频率无穷大时的介电常数，ω_p是等离子频率，γ表示碰撞频率。

8.根据权利要求6所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述布拉格反射镜的反射条件为：

Re(n_eff1)d₁+Re(n_eff2)d₂=λ/2    （4）

其中：n_eff=k_zc/ω为导模的有效折射率，n_eff1和n_eff2根据公式（1），（2）得到；d₁和d₂为折射率分别为和的电介质和金属层的厚度，λ为入射光在真空中的波长。

9.根据权利要求8所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述共振微腔的谐振条件由如下方程描述：

$2{\mathrm{Ln}}_{eff}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}+2\mathrm{\φ}=m\·2\mathrm{\π}---\left(5\right)$

其中：φ代表腔体两端反射造成的相移，m是共振级次,L表示微腔的长度。