CN103430380B - 具有有效折射率梯度的电磁波谐振器 - Google Patents
具有有效折射率梯度的电磁波谐振器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103430380B CN103430380B CN201280013411.3A CN201280013411A CN103430380B CN 103430380 B CN103430380 B CN 103430380B CN 201280013411 A CN201280013411 A CN 201280013411A CN 103430380 B CN103430380 B CN 103430380B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resonator
- refractive index
- radius
- perimeter member
- main body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 67
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 241001609030 Brosme brosme Species 0.000 claims description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 9
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910010282 TiON Inorganic materials 0.000 claims description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 3
- -1 combinations thereof Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
- G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
- G02B6/29338—Loop resonators
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
- G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
- G02B6/29338—Loop resonators
- G02B6/29341—Loop resonators operating in a whispering gallery mode evanescently coupled to a light guide, e.g. sphere or disk or cylinder
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P7/00—Resonators of the waveguide type
- H01P7/10—Dielectric resonators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明特别涉及一种电磁波谐振器(10)，包括主体(15)，其中，所述主体：具有实质上在平面(r,θ)中延伸的结构；包括位于极限半径ri和ro之间的区域中的材料，其中0≤ri<ro，并且ro对应于所述结构的凸壳的半径；以及允许电磁波传播，以及其中，如对材料在平面(r,θ)中的折射率角平均而获得的有效折射率ne(r)在所述区域内减小。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波谐振器领域，特别涉及用于光通信的谐振器领域。
背景技术
谐振器是许多现在和未来集成光子部件的基本构件，集成光子部件例如是开关、激光器、滤波器和传感器。例如，图1示出通过在典型的现有技术环形谐振器中模拟波传播而获得的结果，其特征是内(内部)半径ri，外(外部)半径ro和平均半径rm。
这种谐振器的首要问题来源于它们产生的小倏逝场(evanescentfield)，这使得不能满意地电磁耦合至周围材料。用于环的高折射率材料对于急弯(tightbend)和由此的致密集成(denseintegration)是必要的。然而，随后，光被强有力地限制在环中。仅小部分光是倏逝的，并允许耦合至覆层/周围中的材料(例如，电光聚合物、增益材料或传感器应用下的待检测材料/颗粒)。此外，峰值强度局限于高折射率材料，并且不适用于耦合至周围材料。这还使得光学俘获纳米颗粒、生物实体(例如，细胞)十分困难(高功率、低效率)。在图1中，典型的平面电场|Exy|被叠加到环形谐振器结构。使用的灰度级使得未清楚地呈现场的符号相反的值，这将在随后进一步讨论。
现有技术解决方案如下：
-对于具有非常高的品质因子(Q-factor)(即，十分低的损耗)的环形谐振器，据本发明人所深知，没有实际的解决方案是已知的；
-对于具有中等品质因子(通常Q＜10000)的环形谐振器，可以使用开槽环(slottedring)。然而，开槽环在技术上具有挑战性(即，复杂和昂贵的制造)，并且不适于许多材料、它们的组合、纳米颗粒或与微流体传感器系统的组合(小于100nm的窄槽难以制造和填充)。图2A-B示出开槽环形谐振器的示例(图2A：具有垂直于结构中间平面的竖直狭槽的谐振器，图2B：具有水平狭槽的谐振器。在两种情况下，活性材料位于环材料的中央)。
另一问题是耦合强度精密地取决于环和邻近波导之间的距离(例如，纳米级)。也就是，由于加工误差，即波导和/或间隙的宽度变化，难以可靠地获得临界耦合。
下列文献提供关于本领域背景技术的详细内容：
-“Subwavelengthgratingperiodicstructuresinsilicon-on-insulator：anewtypeofmicrophotonicwaveguide”，Bocketa1.，OpticsExpress18，20251(2010)；
-“InterfaceDeviceforPerformingModeTransformationinOpticalWaveguides”，Chebenetal.，US2008/0193079A1；
-“SubwavelengthwaveguidegratingformodeconversionandlightcouplinginintegratedOptics”，Chebenetal.，OpticsExpress14，4695(2006)；
-“Refractiveindexengineeringwithsubwavelengthgratingsforefficientmicrophotoniccouplersandplanarwaveguidemultiplexers”，Chebenetal.，OpticsLetters35，2526(2010)；
-“Gradient-indexantireflectivesubwavelengthstructuresforplanarwaveguidefacets”，Schmidetal.，OpticsLetters32，1794(2007)；以及
-Z.YuandS.Fan，“Completeopticalisolationcreatedbyindirectinterbandphotonictransitions”.Naturephotonics3，91-94，(2009)。
发明内容
在一方面，本发明体现为一种电磁波谐振器，包括主体，其中，所述主体：
-具有实质上在一平面中延伸的结构；
-包括位于极限半径ri和ro之间的区域中的材料，其中，0≤ri＜ro，并且ro对应于结构凸壳(convexhull)的半径；以及
-允许电磁波传播，
并且其中，如对材料在平面中的折射率角平均而获得的有效折射率ne(r)，在所述区域内减小。
在实施例中，谐振器可包括下列特征中的一个或多个：
-如对材料在平面中的密度角平均而获得的材料的有效密度在所述区域中减小；
-如对材料在平面中的填充因子角平均而获得的材料的有效填充因子在所述区域中减小；
-主体构造有周界部件(peripheralfeature)，配置该周界部件，以获得所述减小的有效折射率ne(r)的；
-所述部件实质上垂直于结构的特征闭合曲线沿径向向外延伸，其中，将所述部件优选配置为齿状物或楔形物；
-谐振器设计用于给定范围的电磁波，优选630nm至860nm或1300nm至1600nm的电磁波，所述部件之间的特征节距，优选弦节距基本上小于所述给定范围的典型波长λm，优选小于λm/2，以及更优选小于λm/4。
-所述特征节距介于30nm至500nm之间，优选介于30nm至200nm之间；
-所述部件的特征深度小于10λm；
-凸壳的半径ro基本上大于λm，优选大于3λm/2，以及更优选大于2λm；
-主体具有优选垂直于所述平面的狭槽；
-谐振器具有盘形或例如环形的闭环结构，其中，优选地，主体是一体的；
-主体包括具有比周围介质的折射率高的折射率的材料，其中，所述材料包括从以下选择的单质或化合物：半导体，例如Si、GaAs、GaN、InP或InGaN；氧化物，例如SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Al2O3或LiNbO3；或者氮化物，例如Si3N4、SiON或TiON；
-谐振器还包括附加材料，所述附加材料围绕所述材料，这样以形成所述周围介质，并优选地包括从以下选择的化合物：氧化物，例如SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Al2O3或LiNbO3；氮化物，例如Si3N4、SiON或TiON；聚合物；油；或者水；以及
-谐振器还包括附加材料，所述附加材料围绕所述材料，这样以形成所述周围介质，其中，所述附加材料的热光系数和所述材料的热光系数具有相反的符号。
在另一方面，本发明体现为包括一个或多个谐振器的集成光学装置，每一个谐振器都如本发明所述。
现在将参见附图，并且以非限制性示例来描述体现本发明的谐振器。
附图说明
图1示出通过在典型环形谐振器(现有技术)中模拟波传播而获得的结果；
图2A-B示出典型开槽环形谐振器(现有技术)；
图3-8D示出根据本发明的实施例的谐振器；
图9示出通过在根据实施例的装置中模拟波传播而获得的一些结果；以及
图10是示出位于如在实施例中获得的谐振器的部分内的有效折射率的典型分布的图形。
具体实施方式
作为对下列说明的介绍，首先涉及本发明的总体方面，其反映在图3-9的各个实施例中。在各情况下，都示出电磁波谐振器10，其均包括主体15，主体的结构实质上在平面(x，y)中延伸，或者在极坐标中等同地在(r，θ)平面中延伸。主体通常为凸形，例如环形、椭圆形或盘形，并照常允许波传播。通常，可认为限定了波传播的两个相反方向D1、D2。技术上，如随后参见图3-9所述，主体填充由两个极限半径ri和ro限定的空间区域，其中，设置了一些材料(适于波传播)。极限半径ri和ro遵守0≤ri＜ro。例如可如下选择极限半径ri和ro：第一半径ri是最大内部半径(如果结构中心被填充，类似盘，则可能为零)。第二半径ro对应于最大外半径，即，结构凸壳(或外壳)的最大半径，也就是，在平面(r，θ)中容纳结构的最小凸集(convexset)。
现在，感兴趣的是，独立于其精确的几何结构，根据实施例的谐振器配置成具有有效折射率梯度。更确切地说，谐振器的有效折射率ne16在平面(r，θ)中沿径向向外减小，例如见图3-6。“有效”折射率指的是如以径向表示获得的(即，在平面中，在θ范围内角平均)平均折射率n。在所述径向表示中，有效折射率仅为r的函数，即，ne≡ne(r)，其中0≤r≤ro，r＝0对应于主体的质心，而r≠0代表距质心的平均径向距离。
如图10所示，由例如图5-9的结构得到的典型ne(r)沿区段[ri，ro]是不均匀的，与普通谐振器不符。代替地，ne(r)取小于n0(即接近ri的标称给定值，即对应于体材料(bulkmaterial))的值。ne(r)的趋势产生这里所谓的有效折射率梯度(有效折射率的梯度)。ne(r)的减小例如可以是逐步的(图10中的虚曲线)或连续的，具有一定程度的曲率(实线曲线)或线性的(点划线)等。其还可减小至零，或者不减小至零。更普遍地，对于例如图3或4的非圆(即椭圆)结构，ne在最小内半径(称为ri’)和最大外半径ro之间可以不是严格单调的。然而，当ri取最大内半径(ri’＜ri＜ro)时，ne应当在所关注区域(即ri＜r＜ro，尤其是ro附近)中减小。换言之，平均起来，ne在周界附近减小。下面，通常在所关注区域ri＜r＜ro中减小的任何特性可以说是在平面(r，θ)中沿径向向外减小。简单的示例是图5的环形谐振器(ri’＝ri)，其中，由于角平均化，有效折射率在周界附近取较小值。
如本发明人所实现的，如上所述的有效折射率允许在谐振器主体外使波部分地移位(delocalize)，由此，在诸如介绍中所述的许多潜在应用的情况下，能够获得对耦合至覆层/周围中的材料的改进。
可以设想能够满足上述要求的许多适合结构/组合，如下所讨论的。
例如，可将有效折射率16取为使得沿结构凸壳(或外壳)的任何局部曲率半径向外减小。这例如是图3的实施例中的情形。在凸壳给定点处的曲率半径可被认为是在该点最匹配外壳的圆的半径。为了表示，主体结构可被认为包括许多弯曲部P1、P2...，每个弯曲部限定各自的曲率半径。在图3中，折射率n沿由所述各自的曲率半径涵盖的各个方向向外减小，即，折射率n沿任何局部曲率半径都减小。相应地，折射率的径向投影ne也沿径向向外减小。
在图3的示例中，主体15实际上包括适于波传播的(活性)材料14，材料14的密度ρ沿任何局部曲率半径都向外减小。结果，角平均(或有效)密度ρe≡ρe(r)也沿径向轴线减小。对应于活性物质(activespecies)的非均匀分布以及相继的有效折射率梯度，相应地绘出密度图(自由比例，ρ归一化为处于0和1之间)。每体积单位包括更多活性物质(高折射率)的区域较暗。
例如可通过改变主体内材料的活性物质的分布来获得适当的密度梯度。在这方面，人们可使用适于改变这种物质分布的任何工艺。结果，活性物质的密度(即，每体积单位的颗粒数量)在平面(x，y)中是非均匀的，其向外减小，这样以获得期望的特性。
现在，可以以不同水平来改变活性物质分布。这可以是例如细粒度的(fine-grained)：利用在主体周界注入的附加(非活性)掺杂剂；通过多步光刻等；通过纳米图案化；通过例如自组装的自底向上技术(bottom-uptechnique)。这样的技术本身是已知的。结果，密度沿任一局部曲率半径向外减小。
然而，在优选变型中，在实践中可能更易于实施：活性物质分布被宏观地改变，由此，材料15的填充因子被改变。即，在制造阶段，适当配置的空间区域被活性材料填充，使得角平均密度具有期望的特性。应当讨论示例。在所有情况下，总之，密度梯度导致有效折射率梯度、期望的特性。
例如，主体15中的材料14可构造有适当配置的周界部件12，以获得期望的折射率梯度。例如，周界部件可向外延伸，这样以减小外壳附近的填充因子，即，主体15周界附近的填充因子。
图4-9示例出该情况。在各个情况下，具有部件的主体结构由外部的外壳(即，凸壳)定界。当凸壳具有非恒定半径时，ro取最大值。相反地，当主体具有闭环结构，即在中央未被填充时(见图4、5或7)，空心获得特征内部闭合曲线类似地，当凸壳具有非恒定半径时，ri取最大内半径。主体的任何特性的径向投影限定在ri’(最小内半径)和ro(最大外半径)之间。然而，在区域ri＜r＜ro中会观察到相关特性的减小。当然，如果结构是环或盘，如图5-9所示，则曲率中心是简并的(degenerate)，并且曲率半径是恒定的。
在图4-9所示实施例中，在周界附近部分地填充活性材料导致在平面中平均产生的有效(径向)密度沿径向向外减小。这继而导致有效折射率梯度也沿径向向外减小。
如能够实现的，可以以多种方式获得周界附近的部分填充因子，例如利用周界空腔(图8E)、诸如垂直于中间平面的狭槽的同心部件(图8F)等，或者还利用径向部件，即，沿径向向外延伸的径向部件。最后一种选择是优选的，如图4-7、8A-8D和9所示。如所见，主体构造有向外突出的径向部件12，这样以产生减小的有效折射率ne(r)。如图所示，例如以齿状物或楔状物12的形式来获得适合的周界部件12。
不管许多产生的界面，如果所述部件实质上垂直于波传播的主方向延伸(即，垂直于表征结构的任何闭合曲线或)，则低损耗是可能的，如图4-9所示。
此外，可以适当地选择两个最接近部件之间的节距(即，特征距离)，这样以使传播损耗最小。通常，将节距选择成基本小于期望的共振波长。实际上，首先确定电磁波的目标共振波长λm，然后能够推导出周界部件的数量和尺寸，之后，由于考虑到在所选的共振波长的，结构中非小数数量的光场波节/波腹，结构的周边得以最优化。因此，与常规开槽环相比，在此，侧壁粗糙度不是限制因素。
下面，假定以径向齿状物的形式设置周界部件，与图4-9一致。齿状物的最外端形成外部的外壳为简化起见，考虑图5的示例，其中，谐振器具有圆形结构。如所见，与齿轮名称类似，所示谐振器的特征在于：
-凸壳(半径ro的外圆)；
-内圆(半径ri)；
-齿根圆(半径rr)，连接齿状物的根部；以及
-节距圆(具有半径rp)，连接齿状物的节点，该节点例如作为齿状物的质心；
注意，为了显示之故，在此如其它附图一样自动地扩大了尺寸。如所见，所述齿状物的特征在于：
-齿状物的数量N(通常较大，例如N≥32)；
-深度h，即，从齿状物顶部到根部的距离；
-特征厚度tc；
-两个最接近的齿状物之间的最近(内)距离δ；以及
-特征节距，即，最接近的齿状物之间的在节距圆位置处的特征距离。
假设N足够大，则特征节距由弦节距pc表示，近似等于曲线节距p，即，pc≈p＝rpΔθ＝2πrp/N，其中，rp是节距圆半径。当齿状物是楔形的时，最接近的齿状物之间的内距离δ通常从δ(rr)＝0变化至δ(ro.).≈roΔθ＝2πro/N。在变型中，δ是恒定的(矩形或正方形齿状物)。有趣的是，有效折射率在深度区域(h)中减小，即使当使用例如矩形或正方形齿状物的高度对称部件时也如此。更普遍地，齿状物的形状可做成三角形、矩形、半椭圆、指数锥形(exponentialtaper)等。
接着，由于现有谐振器的尺寸简单地与共振波长相称，所以可以设想各种电磁波。然而，为了显示之故，下述说明仅关注于光学应用。
现在，即使在光学应用内，也可设想各种范围的电磁波，通常是400-3000nm的电磁波。将该波长范围和所有随后涉及的波长λ指定为真空波长，即，λ＝c/v，其中，c是光速，而v是光频率。对于光数据通信的应用，下列范围是适当的：630-860nm或1300-1600nm。400-3000nm内的其它范围通常十分适于传感应用。
目前，人们可设想，特定谐振器用于给定(窄)范围的电磁波(即，由典型波长λm表征)。所述典型波长λm由谐振器中包含的各种尺寸确定。那么，由于先前所述原因，最接近的周界部件12之间的特征节距pc应当通常基本小于λm。优选地，对于pc＜λm/2，这已确保降低的损耗。当pc＜λm/4时，仍可获得更好结果。通常，对于光学应用中所关注的波长，pc介于30-500nm之间，并且通常介于30-200nm之间。
此外，齿状物的特征深度h可显著变化，正如差数ro-ri、ro-rr或rr-ri，如图8A-8D所示。然而优选地，实际上对于ro-ri＜10λm或h＜10λm，可获得更好结果。在那方面，所述部件可以不重叠，如图8C所示。换言之，在δ(rr＝ri)≠0的情况下，rr可等于ri。
当外壳的(最大)半径ro基本大于λm，优选大于3λm/2时，通常可获得满意的结果。在ro大于2λm时，会获得改进的结果。由于pc优选小于λm/2，更优选小于λm/4，所以通过将pc设置为小于ro/3、ro/4、ro/6和ro/8，可逐渐改进结果。
对于完备性，合适的横向厚度(z轴)通常为50-400nm，正如已知的谐振器那样。通常，主体和部件由硅制成，形成在1微米的SiO2基板层的顶部上。制造这样的装置例如可使用已知的绝缘体上硅(或SOI)技术。可使用本身已知的工艺来制造径向部件。例如可通过标准光刻方法(例如，电子束光刻或光学光刻)来实现所述部件的精确轮廓(definition)，随后通过反应离子刻蚀将该精确轮廓转印至SOI基板中。
更普遍地，用于主体的材料的折射率比周围介质的高，从而允许波传播。用于主体的适合材料包括从以下中选择的单质或化合物：
-半导体，例如Si、GaAs、GaN、InP或InGaN；
-氧化物，例如SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Al2O3或LiNbO3；或
-氮化物，例如Si3N4、SiON或TiON。
在应用中可以设想混合物。
此外，围绕所述材料的附加材料可被设置为装置的一部分，这样以形成具有较低折射率的周围介质。附加材料通常包括从以下选择的化合物：
-氧化物，例如SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Al2O3或LiNbO3；
-氮化物，例如Si3N4、SiON或TiON；
-聚合物；
-油；或
-水。
附带地，所述附加材料的热光系数可具有与主体的主要材料的热光系数相反的符号。相应地，可消除共振波长的热漂移，这对许多应用是有利的。
此外，如图3-9所示，谐振器主体通常具有盘形或环形。尽管一般而言圆形是优选的，但是主体可具有椭圆形或凸形。由于对电极布置的限制，盘形对一些应用(激光器、调制器等)是有利的。优选地，由于加工工艺，主体和周界部件是一体的。
理想地，结构具有高品质因子(或Q)。根据上述说明，在环具有小于5微米的半径时，可获得品质因子Q＞100000。而且，根据应用，为了最高Q、最高光场或最高光梯度，可在数字上最优化齿状物的节距和其它尺寸(使用例如时域有限差分或FDTD模拟)。
此外，在实施例中，上述装置可补充有狭槽40(图7)，如已知装置(图2A-2B)。所述狭槽优选地垂直于平面(x，y)设置。如此，对于一些应用，可有利地增强电场(然而，以增加的损耗为代价)。
接着，为了评估上述装置，已在时域中利用从头开始解麦克斯韦方程组的内部数值工具(in-housenumericaltool)来执行时域有限差分(FDTD)模拟。该模拟结果可相应地被认为是实际的波传播。
例如，可以模拟环形谐振器，其由通过波导的处于或接近环的共振频率的光脉冲激发，如图9所示。对于图1的环形谐振器(现有技术)，也实施波传播模拟。
使用的激发波长λm为1550nm。保留用于图9装置的节距圆半径rp为rp＝1.7λm，该半径对应于图1装置的平均半径。图1和图9中模拟的谐振器具有大约相同的有效半径，并使用相同的高折射率材料。此外，图9的装置中的齿状物的总深度h(在该情况下，对应于ro-ri，虽然在图9中视觉渲染了楔形主体)为约0.5λm，装置设计有80个向外突出的径向齿状物。最后，在图9的模拟中，光从位于波导31的底部左输入口的光源传播到上部波导32的顶部左输出口(dropport)。波传输行进通过楔形环，然后到达顶部左输出口。波导之一和谐振器中心之间的距离为1800nm。其它参数是相同的。
图1和9中的每一个均示出相应平面电场|Exy|的图，由于用于附图的灰度级，未清楚地呈现场的相反值。对于图1(现有技术装置)的模拟结果，获得了小倏逝场，其不能提供到周围覆层材料足够满意的耦合。相反，在图9的模拟中，获得了较大倏逝场。较大倏逝场使得可有效地耦合至周围材料，具有例如介绍中概述的有利应用。例如，图9清楚地示出光从输入口传播至输出口的事件。
此外，模拟的结构使得可接近用于周围材料的场的强度最大值，得到源于光场的较强的光与物质相互作用和光致力(light-inducedforce)。其还减少了用于将耦合调整为临界耦合，并用于两种偏振(TE+TM)的纳米精度。
附带地，如先前所述，本文中所述谐振器结构使得无热环形谐振器具有适合的覆层(覆层具有与主体材料的热光系数符号相反的热光系数)，即使对于两种偏振也如此。没有观察到共振波长关于温度的漂移。
最后，如上所述的谐振器可被认为是总体上用于集成光学，特别是用于硅光子的基本构件。本发明相应地包含由若干如这里所述的谐振器构成的集成光学装置或设备。因此，本发明有利地应用于例如芯片至芯片光互连的应用，其中需要高物理集成密度。
尽管参考特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变，并且可以替代等同物。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改，以使特定状况适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，但是本发明可包括所有位于所附权利要求范围内的实施例。例如，可以使用除了上面那些能想到的材料之外的其它材料。此外，包含在实施例中的齿状物或楔形物不必严格垂直于波传播方向。替代地，楔形物可以倾斜，尽管有较大的损耗，但是产生基本类似的结果。
Claims (20)
1.一种电磁波谐振器(10)，包括主体(15)，其中所述主体：
-具有实质上在平面(r,θ)中延伸的结构；
-包括位于极限半径ri和ro之间的区域中的材料，其中0≤ri<ro，并且ro对应于所述结构的凸壳的半径；以及
-允许电磁波传播，
以及其中，
如对所述材料在所述平面(r,θ)中的折射率角平均而获得的有效折射率ne(r)在所述区域内减小，以及
所述主体构造有周界部件(12)，配置所述周界部件，以获得所述减小的有效折射率ne(r)，以及
所述周界部件(12)实质上垂直于所述结构的特征闭合曲线沿径向向外延伸，以及其中，所述周界部件被配置成齿状物或楔状物。
2.如权利要求1所述的谐振器，其中，如对所述材料在所述平面(r,θ)中的密度(ρ)角平均而获得的所述材料的有效密度在所述区域中减小。
3.如权利要求2所述的谐振器，其中，如对所述材料在所述平面(r,θ)中的填充因子角平均而获得的所述材料的有效填充因子在所述区域中减小。
4.如权利要求1至3中任一项所述的谐振器，其中：
-所述谐振器设计用于具有给定范围的典型波长λm的电磁波，为630nm至860nm或1300nm至1600nm的电磁波；以及
-所述周界部件之间的特征节距(pc)为最接近的周界部件之间的在所述特征闭合曲线位置处的距离，实质上小于所述给定范围的典型波长λm。
5.如权利要求4所述的谐振器，其中：
所述周界部件之间的特征节距(pc)为最接近的周界部件之间的在所述特征闭合曲线位置处的弦节距。
6.如权利要求4所述的谐振器，其中：
所述周界部件之间的特征节距(pc)实质上小于λm/2。
7.如权利要求6所述的谐振器，其中：
所述周界部件之间的特征节距(pc)实质上小于λm/4。
8.如权利要求4所述的谐振器，其中，所述特征节距(pc)位于30nm至500nm之间。
9.如权利要求8所述的谐振器，其中，所述特征节距(pc)位于30nm至200nm之间。
10.如权利要求4所述的谐振器，其中，所述部件的特征深度(h)小于10λm。
11.如权利要求4所述的谐振器，其中，所述凸壳的半径ro实质上大于λm。
12.如权利要求11所述的谐振器，其中，所述凸壳的半径ro实质上大于3λm/2。
13.如权利要求12所述的谐振器，其中，所述凸壳的半径ro实质上大于2λm。
14.如权利要求1至3中任一项所述的谐振器，其中，所述主体具有优选垂直于所述平面的狭槽。
15.如权利要求1至3中任一项所述的谐振器，具有盘形或诸如环形的闭环结构。
16.如权利要求1至3中任一项所述的谐振器，其中所述主体是一体的。
17.如权利要求1至3中任一项所述的谐振器，其中，所述主体包括折射率高于周围介质的材料，其中所述折射率高于周围介质的材料包括从以下选择的单质或化合物：
-半导体，例如Si、GaAs、GaN、InP或InGaN；
-氧化物，例如SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Al2O3或LiNbO3；或者
-氮化物，例如Si3N4、SiON或TiON。
18.权利要求17所述的谐振器，还包括附加材料，所述附加材料围绕所述折射率高于周围介质的材料，从而形成所述周围介质，并且所述附加材料优选地包括从以下选择的化合物：
-氧化物，例如SiO2、TiO2、Ta2O5、HfO2、Al2O3或LiNbO3；
-氮化物，例如Si3N4、SiON或TiON；
-聚合物；
-油；或者
-水。
19.权利要求17所述的谐振器，还包括附加材料，所述附加材料围绕所述折射率高于周围介质的材料，从而形成所述周围介质，其中，所述附加材料的热光系数和所述折射率高于周围介质的材料的热光系数具有相反的符号。
20.一种集成光学装置，包括一个或多个谐振器，每个谐振器如上述权利要求中任一项所述。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP11158530.3 | 2011-03-16 | ||
| EP11158530 | 2011-03-16 | ||
| PCT/IB2012/050820 WO2012123835A1 (en) | 2011-03-16 | 2012-02-23 | Electromagnetic wave resonator with effective refractive index gradient |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103430380A CN103430380A (zh) | 2013-12-04 |
| CN103430380B true CN103430380B (zh) | 2016-08-03 |
Family
ID=45809359
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201280013411.3A Active CN103430380B (zh) | 2011-03-16 | 2012-02-23 | 具有有效折射率梯度的电磁波谐振器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9720178B2 (zh) |
| CN (1) | CN103430380B (zh) |
| DE (1) | DE112012000685B4 (zh) |
| WO (1) | WO2012123835A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10295739B2 (en) * | 2013-04-22 | 2019-05-21 | Cornell University | Athermal optical devices based on composite structures |
| DE102016101813B4 (de) | 2016-02-02 | 2020-08-06 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Asymmetrischer optischer Resonator, optische Vorrichtungen, die den asymmetrischen optischen Resonator aufweisen und Verwendung |
| JP6649788B2 (ja) * | 2016-02-17 | 2020-02-19 | 株式会社ジャパンディスプレイ | 液晶表示装置 |
| CN108267815B (zh) * | 2018-02-09 | 2019-12-13 | 哈尔滨工业大学 | 基于波导与谐振腔耦合的微纳光学马达及其驱动方法 |
| US11860420B2 (en) * | 2021-02-18 | 2024-01-02 | University Of Maryland, College Park | Microgear photonic crystal patterning for chip-integrated optical ring resonators |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10209701A (ja) * | 1997-01-23 | 1998-08-07 | Murata Mfg Co Ltd | 方向変換器および分岐器 |
| US6388541B1 (en) * | 1997-03-26 | 2002-05-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Dielectric resonator having an electromagnetic wave absorbing member and apparatus incorporating the dielectric resonator |
| CN101825767A (zh) * | 2009-03-04 | 2010-09-08 | 株式会社腾龙 | 光学特性可变装置 |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT1192093B (it) * | 1985-07-26 | 1988-03-31 | Carlo Giacomo Someda | Guida d'onda dielettrica a birifrangenza circolare |
| US5274720A (en) * | 1991-08-22 | 1993-12-28 | Olympus Optical Co., Ltd. | Optical system having a ring-shaped waveguide |
| AU2001245287A8 (en) | 2000-02-17 | 2009-07-16 | Aleph Lightgale Corp | Fiber-ring optical resonators |
| US7108819B2 (en) * | 2001-08-27 | 2006-09-19 | The Boeing Company | Process for fabricating high aspect ratio embossing tool and microstructures |
| GB0129638D0 (en) | 2001-12-11 | 2002-01-30 | Blazephotonics Ltd | A method and apparatus relating to optical fibre waveguides |
| US6768851B2 (en) * | 2002-03-13 | 2004-07-27 | City University Of Hong Kong | Optical fiber for ultra-high capacity transmission |
| US6901189B1 (en) * | 2002-05-17 | 2005-05-31 | California Institute Of Technology | Graded-index whispering gallery mode resonators |
| FR2856806B1 (fr) | 2003-06-24 | 2005-11-04 | Cit Alcatel | Fibre optique multimode |
| WO2005008296A2 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-27 | Oewaves, Inc. | Optical coupling for whispering-gallery-mode resonators via waveguide gratings |
| US7480425B2 (en) | 2004-06-09 | 2009-01-20 | Oewaves, Inc. | Integrated opto-electronic oscillators |
| US7400797B2 (en) * | 2004-10-06 | 2008-07-15 | Corning Incorporated | Transverse closed-loop resonator |
| US7440651B1 (en) | 2004-11-17 | 2008-10-21 | California Institute Of Technology | Single mode whispering-gallery-mode resonator |
| US20080193079A1 (en) | 2007-02-13 | 2008-08-14 | National Research Council Of Canada | Interface Device For Performing Mode Transformation in Optical Waveguides |
| US7821473B2 (en) * | 2007-05-15 | 2010-10-26 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Gradient index lens for microwave radiation |
| CN101398496A (zh) * | 2007-09-24 | 2009-04-01 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 滤光片 |
| US7941015B2 (en) * | 2008-10-30 | 2011-05-10 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Ring light emitting diode |
| EP2305026B1 (en) * | 2008-12-25 | 2014-01-22 | Sharp Kabushiki Kaisha | Aquarium |
-
2012
- 2012-02-23 DE DE112012000685.2T patent/DE112012000685B4/de active Active
- 2012-02-23 US US14/005,420 patent/US9720178B2/en active Active
- 2012-02-23 WO PCT/IB2012/050820 patent/WO2012123835A1/en active Application Filing
- 2012-02-23 CN CN201280013411.3A patent/CN103430380B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10209701A (ja) * | 1997-01-23 | 1998-08-07 | Murata Mfg Co Ltd | 方向変換器および分岐器 |
| US6388541B1 (en) * | 1997-03-26 | 2002-05-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Dielectric resonator having an electromagnetic wave absorbing member and apparatus incorporating the dielectric resonator |
| CN101825767A (zh) * | 2009-03-04 | 2010-09-08 | 株式会社腾龙 | 光学特性可变装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9720178B2 (en) | 2017-08-01 |
| CN103430380A (zh) | 2013-12-04 |
| DE112012000685B4 (de) | 2024-09-26 |
| US20140002894A1 (en) | 2014-01-02 |
| DE112012000685T5 (de) | 2013-11-28 |
| WO2012123835A1 (en) | 2012-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Biomimetic sapphire windows enabled by inside-out femtosecond laser deep-scribing | |
| CN103430380B (zh) | 具有有效折射率梯度的电磁波谐振器 | |
| Hunt et al. | Planar, flattened Luneburg lens at infrared wavelengths | |
| Bian et al. | Hybrid wedge plasmon polariton waveguide with good fabrication-error-tolerance for ultra-deep-subwavelength mode confinement | |
| Baryshnikova et al. | Magnetic field concentration with coaxial silicon nanocylinders in the optical spectral range | |
| Bedoya et al. | Reconfigurable photonic crystal waveguides created by selective liquid infiltration | |
| Iliew et al. | Diffractionless propagation of light in a low-index photonic-crystal film | |
| CN104090332B (zh) | 一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜 | |
| Zhu et al. | High coupling efficiency silicon waveguide to metal–insulator–metal waveguide mode converter | |
| Loo et al. | Broadband microwave Luneburg lens made of gradient index metamaterials | |
| Huang | Ultra-long-range symmetric plasmonic waveguide for high-density and compact photonic devices | |
| Butt | Metal‐insulator‐metal waveguide‐based plasmonic sensors: Fantasy or truth—A critical review | |
| Schulz et al. | Topological photonics in 3D micro-printed systems | |
| Chen et al. | Subwavelength structure enabled ultra-long waveguide grating antenna | |
| Shi et al. | Dielectric lens guides in-plane propagation of surface plasmon polaritons | |
| Vlasov et al. | Observation of surface states in a truncated photonic crystal slab | |
| Burckel et al. | Coupling between plasmonic and photonic crystal modes in suspended three-dimensional meta-films | |
| Wang et al. | Embedded metallic focus grating for silicon nitride waveguide with enhanced coupling and directive radiation | |
| Shao et al. | Topological transport in heterostructure of valley photonic crystals | |
| Qian et al. | Compact 90 trench-based splitter for silicon-on-insulator rib waveguides | |
| Gao et al. | Observation of unidirectional bulk modes and robust edge modes in triangular photonic crystals | |
| Zhou et al. | High-efficiency unidirectional vertical emitter achieved by an aperture-coupling nanoslot antenna array | |
| Huang | Metal nanoridges in hollow Si-loaded plasmonic waveguides for optimal mode properties and ultra-compact photonic devices | |
| Kocer et al. | Nano shell impact on Huygens’ metasurface dipolar resonances and optical response | |
| Yoo et al. | Steering second-harmonic radiation through local excitations of plasmon |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |