CN105759326A - 一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计 - Google Patents

一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现全光二极管功能的结构设计。更具体地，是一种基于金属?介质?金属（MIM）波导的表面等离极化激元全光二极管结构。其包括正向入射波导/反向出射波导、增益谐振腔、损耗谐振腔以及正向出射波导/反向入射波导。两环形谐振腔内填充能够对表面等离极化激元（SPPs）实现增益和耗散的电介质材料。波导与增益环形谐振腔、损耗环形谐振腔之间有一定宽度的间隔用于SPPs的耦合。本发明是在金属银薄膜上设计一个波导环形腔耦合结构的基于SPPs全光二极管器件，意在突破传统电子二极管能耗高、速度低等瓶颈问题。同时通过设计不同结构尺寸或者在谐振腔内填充不同介电常数的电介质，可以实现任意波长光波的单向导通。

Description

一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计
技术领域
本发明涉及半导体器件，也属于光子集成领域。具体地说是涉及一种利用金属表面等离激元光波导耦合谐振腔实现的全光二极管。
背景技术
根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。该定律揭示了信息技术进步的速度。然而集成电路在经历了快速发展的半个世纪后，这一速度逐渐变慢。其主要原因在于构成集成电路元器件的空间尺度均已接近其理论极限。电子元器件尺寸的难以减小导致了高功耗，窄带宽和低运算速度，已经不能满足未来大规模数据处理的要求。光子集成技术的发展为突破电子集成的技术瓶颈提供了新的思路，光在信息传播速度、带宽和容量等关键性能方面具有无与伦比的优势。其中，表面等离激元（SPPs）因具有更小的模式尺寸、模式面积，故其非常有希望作为高密度光子集成回路的信息载体，实现纳米量级的光操纵、传输、处理及控制。目前，表面等离激元主要处在理论研究阶段，其在表面增强拉曼散射、纳米光学成像、高灵敏传感等方面均有应用。在光波导与光信息通信处理方面，研究人员设计了实现各种功能的光子学器件，如：滤波器、整流器、光开关等，而基于表面等离激元光学二极管的研究还较少。
将各种光子器件集成到芯片上形成光子回路，是未来通信技术发展的必然趋势。全光二极管是光通讯、光互连网络、全光计算机芯片等进行快速光信息处理的关键器件。因此，在芯片上实现低功耗、高对比度、小体积的全光表面等离激元二极管对下一代通信技术的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明提出一种基于表面等离极化激元波导全光二极管结构的结构设计，意在解决芯片上光学非互易效应，实现光学信号在芯片上的非互易性传输。通过改变结构尺寸或谐振腔内电介质，可以实现任意波长光的单向导通操纵，且结构简单、尺寸小、易于高密度集成。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，包括金属银薄膜；在金属银薄膜上表面延一条直线的两端各设计有一个开口孔形成一对MIM波导；在位于两个MIM波导之间的部分开有一对中心均位于该直线上的环形谐振腔；其中一个MIM波导与邻近的环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第一金属间隔；两个环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第二金属间隔；另一个MIM波导与相邻的环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第三金属间隔。
其中一个MIM波导作为该结构的正向入射波导/反向出射波导，另一个MIM波导作为该结构的正向出射波导/反向入射波导。
靠近正向入射波导/反向出射波导的环形谐振腔中填充有增益特性的电介质材料；侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗；其增益一部分抵消侧壁贵金属的欧姆损耗，另一部分产生净增益，因而该环形谐振腔成为增益谐振腔；靠近正向出射波导/反向入射波导的环形谐振腔内的电介质材料为空气；侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗成为损耗谐振腔。
外部的信号光和泵浦光同时作为入射光波耦合进入本发明的正向入射波导/反向出射波导，并在该波导内空气与金属交界面形成表面等离子波，等离子波沿着正向入射波导传播，部分光波通过第一金属间隔耦合进填充有增益介质的增益谐振腔，在增益谐振腔中由于MIM波导中金属的高反射作用，光波在增益谐振腔内来回反射，符合共振波长的光波在腔内形成驻波，在泵浦光的作用下，增益介质和损耗介质的介电常数发生非线性变化，信号光经过增益介质的增益作用，光强增加。增益后的光耦合进损耗谐振腔，在损耗谐振腔内再次共振，如果增益介质的增益作用大于损耗腔内损耗介质对光的损耗（本发明所述的介电常数虚部为正数的材料以及介电常数虚部为负数的材料可以满足该条件），就会有较强的光通过第三金属间隔耦合到正向出射波导并透射，从而实现二极管的正向导通功能。
外部的信号光作为入射光波通过耦合进入本发明的正向出射波导/反向入射波导，并在正向出射波导/反向入射波导的空气与金属交界面形成表面等离子波，等离子波通过第三金属间隔耦合进填充有损耗介质的损耗谐振腔，在损耗谐振腔中由于MIM波导中金属的高反射作用，光波在腔内来回反射，符合共振波长的光波在腔内形成驻波，信号光经过损耗介质的耗散作用，光强减弱。损耗后的信号光由于光强太弱将不能耦合进增益谐振腔，进而不能从反向透射端口透射，从而实现二极管的反向截止功能。
对于器件几何尺寸，优选地，MIM波导的波导宽度为50 nm；环形谐振腔的外圆半径均为200 nm，内圆半径均为150 nm，在该尺寸下，环形谐振腔的宽度也为50nm；三个金属间隔宽度为10 nm。
本发明基于MIM波导，通过在谐振腔中填充增益和损耗介质实现了SPPs正向传播导通，反向传播截止，意在突破传统电子二极管能耗高、速度低等瓶颈问题。同时通过设计不同结构尺寸或者在谐振腔内填充不同介电常数的电介质，可以实现任意波长光波的单向导通。该设计结构简单，尺寸小，只有几百纳米，具有突破传统光学衍射极限的能力，有利于未来芯片上高密度全光集成光路的集成，因此具有较大的应用价值。
附图说明
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为器件三维结构示意图；
图2为器件俯视图和主要几何尺寸示意图；
1-金属银薄膜，2-正向入射波导/反向出射波导，3-正向出射波导/反向入射波导，4-增益谐振腔，5-损耗谐振腔，6-第一金属间隔，7-第二金属间隔，8-第三金属间隔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构，包括：金属银薄膜1，在金属银薄膜1上设计的一对MIM波导，以及一对环形谐振腔。在MIM波导与环形谐振腔之间有用于表面等离极化激元（SPPs）耦合的三个金属间隔。其中一个MIM波导作为正向入射波导/反向出射波导2，另一个MIM波导作为正向透射波导/反向入射波导3，MIM波导的结构均为一端开口一端封闭。两个MIM波导与两个环形谐振腔之间有一定宽度的间隔用于SPPs的耦合，其分别为第一金属间隔6，第二金属间隔7，第三金属间隔8。
在具体实施例中，靠近正向入射波导/反向出射波导的环形谐振腔中填充有增益特性的电介质材料，其介电常数虚部为正数，侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗，其增益一部分抵消侧壁贵金属的欧姆损耗，另一部分产生净增益，因而该环形谐振腔成为增益谐振腔4。另一个环形谐振腔内填充材料为空气，谐振腔侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗成为损耗谐振腔5。
在具体实施过程中，两个环形谐振腔可以通过电子束光刻或者聚焦离子束的方法在金属银薄膜上刻蚀形成。本发明采用的谐振腔为尺寸相同的圆环结构。
在具体的实施过程中，正向入射波导/反向出射波导2和正向出射波导/反向入射波导3可以通过电子束光刻或者聚焦离子束的方法在金属银薄膜上刻蚀形成。其波导宽度为50 nm。
在具体实施过程中，第一、第二、第三金属间隔6、7、8的设计用于MIM波导与环形谐振腔之间的耦合，其材料为银，其宽度一般为10 nm。
本发明体系中涉及的光与微纳结构的相互作用可以通过麦克斯韦方程的求解来描述，其方法包括有限时域、有限元等。通过时域和频域的数值仿真，可以获得相应的光谱响应曲线。光谱响应的内在物理机制是表面等离激元的谐振。
本发明设计的二极管结构简单，尺寸小，只有几百纳米，易于高密度的光集成，因此具有较大的应用价值。
图2中的g表示各个金属间隔的宽度，R1和R2分别为环形谐振腔的内外圆半径（优选地，g = 10 nm、R1 = 200 nm、R2 = 150nm），MIM波导的宽度w = 50 nm。箭头所指方向是光路的正向入射和出射方向。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明该发明的使用所作的举例，而并非是对本发明的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，包括金属银薄膜（1）；其特征在于，在金属银薄膜（1）上表面延一条直线的两端各设计有一个开口孔形成一对MIM波导；在位于两个MIM波导之间的部分开有一对中心均位于该直线上的环形谐振腔；其中一个MIM波导与邻近的环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第一金属间隔（6）；两个环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第二金属间隔（7）；另一个MIM波导与相邻的环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第三金属间隔（8）。
2.如权利要求1所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，其中一个MIM波导作为该结构的正向入射波导/反向出射波导（2），另一个MIM波导作为该结构的正向出射波导/反向入射波导（3）。
3.如权利要求2所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，所述正向入射波导/反向出射波导（2）与正向出射波导/反向入射波导（3）结构均为一端开口一端封闭。
4.如权利要求2或3所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，靠近正向入射波导/反向出射波导（2）的环形谐振腔中填充有增益特性的电介质材料；侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗；其增益一部分抵消侧壁贵金属的欧姆损耗，另一部分产生净增益，因而该环形谐振腔成为增益谐振腔（4）；靠近正向出射波导/反向入射波导（3）的环形谐振腔内的电介质材料为空气；侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗成为损耗谐振腔（5）。
5.如权利要求1所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，两个MIM波导的波导宽度为50 nm，保证只有TM0模式的波在波导中传播，用该波导做成的光学元器件信噪比较低。
6.如权利要求1所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，两个环形谐振腔的宽度为50 nm。
7.如权利要求1所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，所述第一金属间隔（6）、第二金属间隔（7）、第三金属间隔（8）的材料均为银。
8.如权利要求4所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，所述第一金属间隔（6）构成了正向入射波导/反向出射波导（2）和增益谐振腔（4）的耦合间距，该耦合距离不超过SPPs的趋肤深度。
9.如权利要求4所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，所述第二金属间隔（7）构成了增益谐振腔（4）和损耗谐振腔（5）的耦合间距，该耦合距离不超过SPPs的趋肤深度。
10.如权利要求4所述的一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，其特征在于，所述第三金属间隔（8）构成了正向出射波导/反向入射波导（3）和损耗谐振腔（5）的耦合间距，该耦合距离不超过SPPs的趋肤深度。
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