CN103048735B - 基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，主要解决了现有表面等离子体波分解复用器透射效率较低的问题。该基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器包括设置在介质层两侧的金属层，介质层一侧的金属层内设置有多个耦合输出共振腔，每一个耦合输出共振腔对应设置有一个出射通道，出射通道设置在金属层远离介质层一侧并与耦合输出共振腔中心对称；该结构具有极强的光束缚效应，能突破衍射极限的限制，在纳米尺度对光进行传输；能和电子器件和传统光子器件进行有效匹配连接，有效解决了光信号的反射问题，在光通讯、光集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种波分解复用器，具体涉及一种基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器。
背景技术
等离子体波分解复用器具有许多优点，例如结构简单紧凑、尺寸小、不受衍射极限的限制、为电子回路与光子器件的兼容提供了可能等，在诸多领域，尤其光集成、光计算和光信息处理等领域，有广泛的应用前景。
基于金属纳米共振腔滤波和金属-介质-金属波导的高光束缚等特性，表面等离子体波分解复用器具有许多独特的优势。一般而言，通过合理设计金属共振腔的几何参数可以有效调节工作波长的位置和透射效率，并将不同波长的光信号从级联的纳米共振腔中分别输出。
表面等离子体波分解复用器作为一种重要的可集成光子器件，有效的解决了传统波分复用器受到衍射极限的限制而导致体积庞大、难以集成等缺点。表面等离子体是一种由外部电磁场与金属表面自由电子形成的相干共振，入射光能量主要束缚在金属表面并向前传播，它能够有效克服衍射极限，为微纳光子器件的研制提供了新的途径，但是金属的固有损耗会导致光信号在金属表面传播的距离较短，透射效率较低。如何提高表面等离子体波分复用器透射效率是目前微纳光集成和光信息处理急需解决的问题。
发明内容：
本发明提供一种基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，主要解决了现有表面等离子体波分解复用器透射效率较低的问题。
本发明的技术方案如下：
该基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器包括设置在介质层两侧的金属层，介质层一侧的金属层内设置有多个耦合输出共振腔，每一个耦合输出共振腔对应设置有一个出射通道，出射通道设置在金属层远离介质层一侧并与耦合输出共振腔中心对称；介质层另一侧的金属层内设置有与耦合输出共振腔数量相同的反射共振腔，耦合输出共振腔与反射共振腔的半径从左至右等差递减，即ri=a-40(i-1)纳米，其中i为自然数，a为常数，可取a为280，按该方式计算，r1=280,r2=240,…,介质层两侧的共振腔距离为Di(i＝1,2,…)，其满足关系式：Di＝λi/(4neff)(i＝1,2,…),λi为第i个共振腔的工作波长，neff为主波导的有效折射率；两个半径相同的耦合输出共振腔和反射共振腔应使得从二者反射的光达到干涉相消。
上述耦合输出共振腔与反射共振腔均为纳米盘型共振腔。
上述金属层为银质金属层。
上述耦合输出共振腔与反射共振腔内填充有空气或其它折射率材料。
本发明的有益效果如下：
1、本发明表面等离子体波分解复用器由金属-介质-金属结构组成，该结构具有极强的光束缚效应，能突破衍射极限的限制，在纳米尺度对光进行传输；
2、本发明表面等离子体波分解复用器集成在一块几微米的金属银上，结构简单、体积小，并能和电子器件和传统光子器件进行有效匹配连接；
3、本发明表面等离子体波分解复用器能使光信号完全由出射通道输出，使透射效率达到最大，并有效解决了光信号的反射问题；
4、本发明表面等离子体波分解复用器输出波长在可见光和近红外波段，在光通讯、光集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为出射通道输出(中心)波长随盘型腔半径关系图；
图3为出射通道输出(中心)波长随盘型腔中介质折射率关系图；
图4为宽度为50纳米的主波导中光的有效折射率图；
图5为透射效率最大时共振腔间距（最优间距）与工作波长关系图；
图6为三通道波分复用器各通道的透射谱图；
图7为无反射共振腔的三通道波分复用器各通道的透射谱图；
图8为三通道波分复用器中光信号的电磁场分布图；
附标记：1金属（银）层；2-主波导；3-出射通道；4-耦合输出共振腔；5-反射共振腔。
具体实施方式
本发明基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器主要由金属（银）层、主波导、出射通道、耦合输出共振腔、反射共振腔这几部分构成，详见图1。
金属层(平板)可利用激光分子束晶体外延生长系统制作。主波导和共振腔可利用聚焦离子束刻蚀技术对金属平板进行刻蚀获得。光信号通过耦合硅波导或锥形光纤引入到主波导中，光信号经过耦合输出共振腔时由于耦合距离小于金属的趋肤深度(共振腔与主波导的耦合距离d为10纳米，耦合输出共振腔与出射通道的耦合距离g为15纳米)，当光信号处于腔的共振波长λi(i＝1,2,…)时，入射光会在腔中形成局部共振，一部分能量将由出射通道输出，一部分能量由主波导出射，由主波导向前传播的光会被反射共振腔反射，这样由不同共振腔反射的光将形成干涉效应。当两共振腔的距离满足Di=λi/(4neff)(i＝1,2,…)时，反射光将干涉相消，入射信号光只能从出射通道输出。入射信号通过不同耦合输出共振腔和反射腔后将由相应的出射通道输出，这样输出的效率将达到最大。
共振腔工作波长可以通过改变腔的参数进行调节，如改变腔的半径可以几乎线性地调节输出信号波长，详见图2，半径在200纳米～310纳米范围内改变时，波长的调节范围为800纳米～1200纳米。
另外，通过在腔中注入不同折射率的介质也可以有效调节输出信号波长，详见图3，半径为250纳米的共振腔中折射率在1.0～1.25之间变化时，波长的调节范围为950纳米～1200纳米。主波导选为空气，其折射率为1.0，宽度为50纳米，其有效折射率在工作波长范围内约为1.4，详见图4。为使信号光输出的效率最大，在不同工作波长处两侧共振腔具有不同的最优间距，详见图5，它们近似符合线性关系。这里我们设计了一个三通道波分解复用器，级联共振腔的半径分别设为r1=280纳米，r2=240纳米，和r3=200纳米。对应的工作波长分别为λ1=1084纳米，λ2=956纳米和λ3=816纳米。最优共振腔间距大约为D1=195纳米，D2=170纳米，和D3=145纳米。这种基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器的透射效率在70%附近，详见图6，其透射效率优于常规的无反射腔的表面等离子体波分解复用器，详见图7。三个信号光将依次从出射通道1、通道2、通道3输出，详见图8，入射单色光信号在波分解复用器中的电磁场图与前面的透射结果完全符合。
该表面等离子体波分解复用器的鲜明特点如下：利用金属-介质-金属波导结构，具有超高的光束缚性，克服衍射极限，尺寸仅有几个微米长；能和电子器件和传统光子器件进行有效匹配连接；能使光信号完全由出射通道输出，使透射效率达到最大，并有效解决了光信号的反射问题；输出波长在可见光和近红外波段，在光通讯、光集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景。
Claims (6)
1.一种基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，其特征在于：包括设置在介质层两侧的金属层，介质层一侧的金属层内设置有多个耦合输出共振腔，每一个耦合输出共振腔对应设置有一个出射通道，出射通道设置在金属层远离介质层一侧并与耦合输出共振腔中心对称；介质层另一侧的金属层内设置有与耦合输出共振腔数量相同的反射共振腔，耦合输出共振腔与反射共振腔的半径从左至右等差递减，介质层两侧的共振腔距离为Di，i＝1,2,…，其满足关系式：Di＝λi/(4neff)，i＝1,2,…，λi为第i个共振腔的工作波长，neff为主波导的有效折射率。
2.根据权利要求1所述的基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，其特征在于：所述耦合输出共振腔与反射共振腔均为纳米盘型共振腔。
3.根据权利要求2所述的基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，其特征在于：所述金属层为银质金属层。
4.根据权利要求3所述的基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，其特征在于：所述耦合输出共振腔与反射共振腔内填充有空气或其它折射率材料。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，其特征在于：所述耦合输出共振腔与反射共振腔的半径从左至右等差递减具体为：ri＝a-40(i-1)纳米，其中i为自然数，a为常数。
6.根据权利要求5所述的基于干涉相消的表面等离子体波分解复用器，其特征在于：所述a为280纳米。
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