CN107765359A - 基于谐振腔增强波导传输的高效波片 - Google Patents

Abstract

一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，包括：介质衬底；一维周期性金属‑介质‑金属波导层，设置于介质衬底上；介质包覆层，设置于一维周期性金属‑介质‑金属波导层上；其中，一维周期性金属‑介质‑金属波导层由一维周期性排布的金属和介质矩形条带构成；相邻金属矩形条带与位于相邻金属矩形条带中的介质矩形条带构成金属‑介质‑金属波导，在工作波段同时支持TE模式与TM模式传输；介质衬底与介质包覆层以及波导层共同构成法布里珀罗谐振腔。本发明的基于谐振腔增强波导传输的高效波片，具有转换效率高、工作波段宽的特点。

Description

基于谐振腔增强波导传输的高效波片

技术领域

本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片。

背景技术

先进的光学技术已经渗透到了从日常生活、工业生产到前沿科学研究的方方面面。作为光的一项基本性质，偏振态所携带的信息在信号传输与传感测量方面都有着重要的价值。随着人们对光学偏振态所携带信息的不断开发利用，对光学偏振态的调控需求也变得越来越重要。波片是最常见的偏振调控器件，可以对光的偏振态进行各种灵活的调控。传统的波片大多由具有双折射特性的光学晶体制备而来，其利用双折射晶体对不同偏振方向光分量折射率不同的特性在相互正交的透射光之间产生需要的相位差，从而实现对偏振态的调控。由于自然晶体的光学活性较弱，传统波片相对较厚，而且分立的偏振调控器件不便于光学系统的集成化。

新兴的超材料波片以其亚波长量级的有效器件厚度、可灵活设计的工作波段与工作带宽而引起了人们的广泛关注。其中，基于介质超材料的波片可实现超宽的工作带宽与接近于100％的工作效率。但是绝大多数介质超材料波片都是以硅为工作介质，因受限于硅的禁带宽度，该类波片在300太赫兹以上的波段无法保持高效率工作。部分利用宽禁带介质材料如氧化钛的器件虽然能够适应更宽波段，但是其结构高宽比太大，制备难度极大，成本极高，难以普及。基于金属超材料的波片可以通过材料的结构设计来灵活地调节器件的工作波段，但是该类波片利用金属材料的表面等离激元共振，因而损耗会比较高。同时，利用厚度小于波长的单层金属纳米结构的波片无法有效地控制反射损耗，因而光波段的基于谐振腔增强波导传输的高效波片的效率普遍较低。而利用多层金属超材料之间的耦合来同时产生电共振与磁共振以形成惠更斯超表面可以提高基于谐振腔增强波导传输的高效波片的效率，但是目前金属超材料惠更斯超表面的效率仍然在50％以下，且其结构复杂、难于制备。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，包括：

介质衬底；

一维周期性金属-介质-金属波导层，设置于所述介质衬底上；

介质包覆层，设置于所述一维周期性金属-介质-金属波导层上；

其中：

所述一维周期性金属-介质-金属波导层由位于介质衬底层之上呈一维周期性交替排列的金属矩形条带与介质矩形条带构成；

相邻金属矩形条带与位于相邻金属矩形条带之间的介质矩形条带构成了金属-介质-金属波导，该波导在工作波段同时支持TE模式与TM模式的光传输；

所述介质衬底与介质包覆层以及波导层共同形成法布里珀罗谐振腔。

利用所述金属-介质-金属波导对入射光的TE模式与TM模式的模式折射率不同，从波导层一端入射的TE与TM光分量在从波导层另一端出射后会产生附加相位延时差，从而实现波片的功能。

优选地，入射光被散射耦合到金属-介质-金属波导中沿波导厚度方向以波导模式传输。

优选地，所述金属矩形条带和介质矩形条带的宽度和厚度都为亚波长量级。

优选地，通过调节所述介质矩形条带的宽度或者材料种类可以调节TE模式与TM模式的模式折射率；进一步地，通过调节TE模式与TM模式的模式折射率或者所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度可以调节波导中TE模式与TM模式的透射相位延时差，即调节透射光中TE光分量与TM光分量之间的相位差，从而实现波片的功能。

进一步地，通过调节所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度或者TE模式与TM模式的模式折射率还可以调节法布里珀罗共振的位置，从而可以调节波片的透射效率。当法布里珀罗共振位置被调节到波片的工作波段时，波片的透射效率会被提高，从而实现高效率的波片。

优选地，所述基于谐振腔增强波导传输的高效波片工作波长范围为可见光到微波波段。

优选地，所述介质衬底、介质矩形条带与介质包覆层的材料为该波片工作波段内无吸收的介质，例如可以为二氧化硅或氮化硅。

优选地，所述金属矩形条带的材料为金、银、铜或铝。

优选地，所述基于谐振腔增强波导传输的高效波片为四分之一波片或半波片。

优选地，所述介质衬底、介质矩形条带以及介质包覆层材料均为石英，所述金属矩形条带的材料为银，所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度为600nm，所述介质矩形条带宽度为650nm，所述金属矩形条带宽度为150nm；

或者所述介质衬底、介质矩形条带以及介质包覆层材料均为石英，所述金属矩形条带的材料为银，所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度为1500nm，所述介质矩形条带宽度为650nm，所述金属矩形条带宽度为150nm。

从上述技术方案可以看出，本发明的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片至少具有以下有益效果：

(1)相较于现有的波片，本发明利用低色散与低损耗的TE与TM波导模式有效折射率的差别来实现波片的功能，一方面提高了波片效率，另一方面增大了波片工作带宽；

(2)利用介质衬底、波导层、介质包覆层形成的谐振腔来提高波导模式的透射效率，进一步提高了波片的转换效率；

(3)相较于传统的基于光学晶体的波片，本发明提供的基于谐振腔增强波导传输的高效波片的有效器件厚度在亚波长量级，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且该波片器件结构简单，易于制备。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片的剖面结构示意图，其中z坐标方向代表器件垂直方向，x、y坐标方向代表器件水平方向；

图2为本发明一实施例中一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片中一维周期性金属-介质-金属波导层的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例1中偏振沿x轴方向(TM)与偏振沿y轴方向(TE)入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线；

图4为本发明实施例1中偏振沿x轴方向(TM)与偏振沿y轴方向(TE)的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线；

图5为本发明实施例2中偏振沿x轴方向(TM)与偏振沿y轴方向(TE)入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线；

图6为本发明实施例2中偏振沿x轴方向(TM)与偏振沿y轴方向(TE)的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线；

其中：1、介质衬底；2、一维周期性金属-介质-金属波导层；3、介质包覆层；4、介质矩形条带；5、金属矩形条带。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片。图1为本发明一实施例中一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片的剖面示意图。图2为本发明一实施例中一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片中一维周期性金属-介质-金属波导层的俯视结构示意图。

请参照图1和图2，基于谐振腔增强波导传输的高效波片包括：

介质衬底1；

一维周期性金属-介质-金属波导层2，设置于介质衬底1上；该波导层由介质矩形条带4与金属矩形条带5在x轴方向上交替周期性排列而成；

介质包覆层3，设置于一维周期性金属-介质-金属波导层2上；

其中，一维周期性金属-介质-金属波导层2在z轴方向上厚度h小于工作波段的波长，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且该波片器件结构简单，易于制备；

介质矩形条带4在x轴方向上宽度为d1，且d1小于工作波长；金属矩形条带5在x轴方向上的宽度为d2，且d2远小于工作波长。

相邻金属矩形条带5与相邻金属矩形条带5之间的介质矩形条带4构成金属-介质-金属波导，波导传输方向为沿着z轴方向。

入射光耦合进入波导后可以以波导模式传输，TE波导模式与TM波导模式的模式折射率不同，因而从一维周期性金属-介质-金属波导层2一端入射的TE与TM光分量在从波导层另一端出射后会产生附加相位延时差，通过调节介质矩形条带的宽度d1或材料种类来调节TE波导模式与TM波导模式的模式折射率的方法或者通过调节波导层厚度来调节波导传输长度的方法，可以调节透射TE光分量与TM光分量相位延时差的大小；

当透射TE光分量与TM光分量相位延时差调节为90°时，该波导层表现出四分之一波片的功能，当透射TE光分量与TM光分量相位延时差调节为180°时，该波导层表现出半波片的功能。

一维周期性金属-介质-金属波导层2与介质衬底1、介质包覆层3的有效折射率不同，因而可以在z轴方向上形成法布里珀罗谐振腔；

通过调节一维周期性金属-介质-金属波导层2的厚度或者波导层有效折射率大小可以调节法布里珀罗共振的位置，在共振位置处的透射效率提高；

将法布里珀罗共振的位置调节到透射TE光分量与TM光分量相位延时差为90°或180°的波段内则会增强四分之一波片或半波片的透射效率，从而实现基于谐振腔增强波导传输的高效波片。

通过调节金属矩形条带5与介质矩形条带4的宽度与一维周期性金属-介质-金属波导层2的厚度以及介质矩形条带材料的种类，可以实现对波片工作波长的选取，从而将基于谐振腔增强波导传输的高效波片的工作波长调谐到可见光到微波波段任意波长处。所述金属矩形条带5的材料为金、银、铜或铝，介质矩形条带4的材料为在工作波段无吸收的介质材料。介质衬底1和介质包覆层3为在工作波段无吸收的介质材料，可以和介质矩形条带4选用同一种材料。

以下结合具体实施例对本发明提供的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例中的基于谐振腔增强波导传输的高效波片为四分之一波片，可以将入射线偏振光转换为圆偏振光输出，或者将圆偏入射光转换为线偏光输出，其工作波段为1260nm到1560nm，透射效率在90％以上。该四分之一波片的介质衬底、介质矩形条带以及介质包覆层材料都为石英，金属矩形条带的材料为银。一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度为h＝600nm，介质矩形条带沿x轴方向宽度d1＝650nm，金属矩形条带沿x轴方向宽度d2＝150nm。

入射光沿z轴方向入射，电矢量在xy平面内，电矢量方向与x轴呈45°夹角，偏振方向平行于条带方向(即TE入射分量，沿y轴方向)与偏振方向垂直于条带方向(即TM入射分量，沿x轴方向)的入射光分量强度相同。图3为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线，其中标示为TM的实线为偏振沿着x轴方向的入射光分量的透射率，标示为TE的虚线表示偏振沿着y轴方向的入射光分量的透射率。请参照图3，在1.2μm到1.65μm的波段内，两偏振分量的透射率都在90％以上，且两者差别在5％以内。图4为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线。请参照图4，在1260nm到1560nm的波段内偏振方向沿着x轴的透射分量与偏振沿着y轴方向的透射分量的相位差为90°±10°。因而，此时该器件实现了四分之一波片的功能，且其效率在90％以上。

实施例2

本实施例中的基于谐振腔增强波导传输的高效波片为半波片，可以将入射线偏振光的偏振方向旋转90°。该实施例中的半波片工作波段为1170nm到1370nm，透射效率在90％以上。该半波片的介质衬底、介质矩形条带以及介质包覆层材料都为石英，金属矩形条带的材料为银。一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度为h＝1500nm，介质矩形条带沿x轴方向宽度d1＝650nm，金属矩形条带沿x轴方向宽度d2＝150nm。

入射光沿z轴方向入射，电矢量在xy平面内，电矢量方向与x轴呈45°夹角，偏振方向平行于条带方向(即TE入射分量)与偏振方向垂直于条带方向(即TM入射分量)的入射光分量强度相同。图5为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线，其中Tx表示偏振沿着x轴方向的入射光分量的透射率，Ty表示偏振沿着y轴方向的入射光分量的透射率。请参照图5，在1170nm到1370nm的波段内，两偏振分量的透射率都在90％以上，且两者差别在10％以内。图6为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线。请参照图6，在1170nm到1370nm的波段内偏振方向沿着x轴的透射分量与偏振沿着y轴方向的透射分量的相位差为180°±10°。因而，此时该器件实现了半波片的功能，且其效率在90％以上。

与实施例1中的四分之一波片相比，本实施例中半波片的区别在于增大了一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度。由于波导层厚度增大，光波在波导中光程更长，TE模式与TM模式的相位差更大，从而可以将四分之一波片时的90°相位差调节到半波片所需的180°附近，从而实现半波片的功能。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换，例如：所述波片的结构参数可以随相应工作条件而改变，不影响本发明的实现。

综上所述，本发明一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，通过低色散、低损耗的波导模式来调节透射光中正交分量的相位差，并进一步通过法布里珀罗共振增强波导模式透射效率的方法来提高波片的工作效率，具备转换效率高、工作波段宽、易于制备、易于集成化的特点，从而可以广泛应用于传感、通信等诸多领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，包括：

介质衬底；

一维周期性金属-介质-金属波导层，设置于所述介质衬底上；

介质包覆层，设置于所述一维周期性金属-介质-金属波导层上；

其中，

所述一维周期性金属-介质-金属波导层由交替排列的金属矩形条带与介质矩形条带构成；

相邻的所述金属矩形条带与位于相邻的所述金属矩形条带之间的介质矩形条带构成金属-介质-金属波导，所述金属-介质-金属波导在工作波段内同时支持TE模式与TM模式的光传输；

所述介质衬底与介质包覆层以及位于其间的波导层共同形成法布里珀罗谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，入射光被散射耦合到所述金属-介质-金属波导中沿波导厚度方向以波导模式传输。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，所述金属矩形条带和介质矩形条带的宽度和厚度均在亚波长量级。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，通过调节所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度或TE模式与TM模式的模式折射率以调节波导中TE模式与TM模式的透射相位延时差。

5.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，通过调节所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度，即法布里珀罗谐振腔的腔长，或者通过调节TE模式与TM模式的模式折射率，实现对该波片工作波段内透射效率的调节。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，所述TE模式与TM模式的模式折射率为通过改变介质矩形条带的材料种类或所述介质矩形条带的宽度进行调节。

7.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，所述基于谐振腔增强波导传输的高效波片工作波长范围为可见光到微波波段；

所述介质衬底、介质矩形条带和介质包覆层的材料为该波片工作波段内无吸收的介质；

所述金属矩形条带的材料为金、银、铜或铝。

8.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，所述基于谐振腔增强波导传输的高效波片为四分之一波片或者半波片。

9.根据权利要求8所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，所述介质衬底、介质矩形条带以及介质包覆层材料均为石英，所述金属矩形条带的材料为银，所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度为600nm，所述介质矩形条带宽度为650nm，所述金属矩形条带宽度为150nm。

10.根据权利要求8所述的一种基于谐振腔增强波导传输的高效波片，其特征在于，所述介质衬底、介质矩形条带以及介质包覆层材料均为石英，所述金属矩形条带的材料为银，所述一维周期性金属-介质-金属波导层的厚度为1500nm，所述介质矩形条带宽度为650nm，所述金属矩形条带宽度为150nm。