CN107976739B

CN107976739B - 一种具有谐振腔波导的光谱调控器件

Info

Publication number: CN107976739B
Application number: CN201711469270.7A
Authority: CN
Inventors: 温坤华; 赖文辉; 林继衍; 郭子聪; 胡钦洋; 方翼鸿
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN107976739A

Abstract

本发明提出了一种具有六边形谐振腔的表面等离子体激元光谱调控器件，分析了该结构的多通道带通滤波特性，进而在腔内引入单/双矩形波导调控谐振腔的共振模式，通过明暗模式干涉效应，实现多个Fano共振现象，并通过改变耦合距离或局部调整矩形波导的宽度、个数、位置等参数，可对Fano共振进行有效地调谐，实现多个非对称线型的Fano共振峰。该亚波长结构可广泛用于光传感与光检测等领域，为纳米集成光子学的发展提供有力支撑。

Description

一种具有谐振腔波导的光谱调控器件

技术领域：

本发明属于光学器件领域，更具体的属于一种具有谐振腔波导的光谱调控器件。

背景技术：

表面等离子体激元是由自由电子和光子相互作用形成的金属表面的局部混合状态。在这种相互作用中，自由电子在与谐振频率相同的光波下振荡，并且表面电荷振荡与光波的电磁场之间的相互作用构成具有独特性质的表面等离子体激元。由于光的衍射约束，目前大多数传统的光子器件仍然是分立器件，而超大规模集成电路技术已经成熟，因此光电回路的融合还需构建一座有效的桥梁。表面等离子体激元的出现为亚波长全光回路的实现提供了契机，从而引起了广泛的关注，被认为是最有希望实现高度集成光电路的方法之一。

近年来，各种基于表面等离子体激元的金属-绝缘体-金属波导结构已经在理论上和实验上得到了验证,各种功能的光子学元件和微纳集成光子学器件已经实现,例如,分路器(splitter)、耦合器(couplers)、马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometers)、Y-形合成器(Y-shaped combiners)和光谱调控器件(filter)等。其中，金属-介质-金属结构光谱调控器件在集成光子学器件与全光信号处理领域中扮演着重要的角色，因此引起了广泛关注，近年来有了很大的发展。金属-介质-金属波导光谱调控器件，根据其设计原理可大致分为两大类别：第一类是基于相位相干的光谱调控器件，如齿形波导光谱调控器件、分叉形波导光谱调控器件。表面等离子体激元通过不同路径传播到同一位置时叠加，它们之间的相位差决定了光谱调控器件的通阻特性；第二类是基于谐振腔的共振特性来实现滤波的光谱调控器件，例如圆环形谐振腔光谱调控器件和矩形谐振腔光谱调控器件、直腔形谐振腔光谱调控器件。当表面等离子体激元波耦合到谐振腔后，只有在谐振腔中形成共振的表面等离子体激元才能够从谐振腔中耦合到出射波导中。

发明内容：

基于上述原因，本文提出了一种具有谐振腔波导的光谱调控器件，实现了多波长滤波以及非对称线型的Fano共振。通过改变六边形谐振腔的耦合距离，添加矩形波导，波导的数量，长度，宽度或角度以及矩形波导与波导位置之间的距离，可以实现结构改变模数，可对器件性能进行改进。最后通过时域有限差分法(FDTD)验证该模型的特性，结果证明其可用于全光集成的信息处理领域。

该结构具体为：其包括基板1以及设置于基板1内部的第一波导2、第一耦合器、第二波导3、第二耦合器、谐振腔4，其特征在于：谐振腔4内还设置有与第一波导和第二波导垂直的竖直波导5，谐振腔4位于第一波导2与第二波导3之间，竖直波导5位于谐振腔4中间，第一耦合器位于第一波导2与谐振腔4之间，第二耦合器位于第二波导3与谐振腔4之间，第一波导2为靠近基板1左端的第一空腔，该第一空腔为一端开口，另一端封闭，第二波导3为靠近基板右端的第二空腔，该第二空腔一端开口，另一端封闭，该第一空腔和第二空腔沿着基板的长度方向延伸，光从第一波导的一端进入，沿着第一波导的表面传输至另一端后，通过第一耦合器将光耦合至谐振腔内，光在谐振腔的表面进行传输，经过竖直波导后输出到谐振腔的输出端，然后传输至第二波导的另一端，光沿着第二波导的表面进行传输至第二波导的一端。

进一步的，基板的材质为银；

进一步的，第一波导、第二波导都为矩形，且在同一水平线上；

进一步的，第一空腔和第二空腔内部为空气；

进一步的，谐振腔的横截面为等六边形结构；

进一步的，竖直波导为矩形结构。

该发明所能达到的技术效果是：利用时域有限差分法分析了该结构的多通道带通滤波特性，进而在腔内引入单/双矩形波导调控谐振腔的共振模式，通过明暗模式干涉效应，实现多个Fano共振现象，通过改变耦合距离或局部调整矩形波导的宽度、个数、位置等参数，可对Fano共振进行有效地调谐，实现多个非对称线型的Fano共振峰。该亚波长结构可广泛用于光传感与光检测等领域，为纳米集成光子学的发展提供有力支撑。

附图说明：

图1：六边形谐振腔光谱调控器件结构示意图。

图2：六边形谐振腔内具有一个竖直矩形波导的光谱调控器件结构示意图。

图3：六边形谐振腔内具有两个竖直矩形波导的光谱调控器件结构示意图。

图4：六边形谐振腔内具有两个水平矩形波导的光谱调控器件结构示意图。

具体实施方式：

图1为本发明基于六边形谐振腔的波导光谱调控器件的结构示意图，其包括基板1以及设置于基板1内部的第一波导2、第一耦合器、第二波导3、第二耦合器、谐振腔4，其特征在于：谐振腔4位于第一波导2与第二波导3之间，第一耦合器位于第一波导2与谐振腔4之间，第二耦合器位于第二波导3与谐振腔4之间，第一波导2为靠近基板1左端的第一空腔，该第一空腔为一端开口，另一端封闭，第二波导3为靠近基板右端的第二空腔，该第二空腔一端开口，另一端封闭，该第一空腔和第二空腔沿着基板的长度方向延伸，光从第一波导的一端进入，沿着第一波导的表面传输至另一端后，通过第一耦合器将光耦合至谐振腔内，光在谐振腔的表面进行传输，经过竖直波导后输出到谐振腔的输出端，然后传输至第二波导的另一端，光沿着第二波导的表面进行传输至第二波导的一端。其中，谐振腔4为等六边形形状，第一波导2、第二波导3宽度为a，并且在接下来的讨论中固定其大小不变。在图1中，p为第一波导2或第二波导3与谐振腔2之间的距离，谐振腔内没有竖直波导结构，已有的研究证明其只会影响透射率，而不改变透射峰的位置,因此在接下来的讨论中固定其大小为30nm。根据Fabry-erot(FP)共振条件，腔内的SPP共振模的相位应满足以下条件：

nkL＝2πm；/>

得

其中k：波矢，λ：入射光波长，m：共振模式，n：折射率，L：有效共振腔长。并且色散与时延满足如下关系式：

τYλY＝λ2dθ/2πcdλ

dρ＝dτ/d

按照以上公式可知，其谐振波长应满足1：1/2:1/3……的比例关系，该结构不便于调谐，因此提出图2的模型，以对共振模式进行调控，实现不同的滤波性能。

因此，若想获得不同模式的波长，可以通过调控折射率或是调控有效共振腔长，即在图1的基础上在谐振腔4内设置竖直波导5的结构，如图2所示，初始设置耦合距离p＝30nm，等边六边形谐振腔4边长q＝250nm，第一波导2、第二波导3的宽a＝30nm，并且在下面的讨论中，保持q和a的大小不变，当在六边形谐振腔4里添加一个竖直波导5，X＝30nm，Y＝300nm，通过与完美六边形结构相比，在添加竖直波导5后可得到截然不同的结果，波长透射峰的中心波长从原来的880nm可平移到1460nm，使能通过谐振腔4的光波波长发生平移。该通带性能基本保持不变，如峰值透射率由原来的0.9变为0.75，半峰全宽(FWHM)则保持为210nm。此外，在610nm波长处出现了新的透射峰，透射率与FWHM分别为0.88和50nm。并且添加竖直波导5、波长为1460nm时光波将从输入波导，经六边形谐振腔4，最后通过第二波导3，耦合后950nm附近光波场强接近于0cd，通过结果表明该结构具备双通道滤波功功能。

接着，研究竖直波导5参数对透射谱的调控。首先固定X＝30nm，设定Y分别为260，280，320nm。当固定波导X＝30nm，Y＝260，280，320nm时，一阶共振膜透射波峰中心波长值分别为1310nm，1400nm，1520nm，而且透射率基本不变，维持在0.7。改变Y的大小，不会影响二阶共振模透射峰中心波长。为了观察透射峰中心波长与Y值的关系，固定X值，Y值以5nm为步长从200nm增加到320nm。结果表明随着Y的增大，一阶模的透射峰发生线性的红移，而二阶模的波长则保持不变。因此该模型与传统的FP腔相比，可灵活地调谐一阶模透射波长，而不会影响其他模式，为光谱调控器件的设计提供更高的自由度。最后，在图2六边形谐振腔4的基础上提出了一对竖直平行的波导结构，即竖直波导5和竖直波导6，两个竖直波导之间的距离为d，如图3所示。当固定X＝30nm,d＝60nm,Y＝260nm时，其中，一阶共振膜透射波峰中心波长值为1420nm，透射率达0.75，FWHM为110nm，二阶共振膜透射波峰中心波长值为1020nm，透射率达0.4，FWHM为40nm。三阶共振膜透射峰中心波长值为610nm，透射率达0.85，FWHM为60nm。添加了两个竖直矩形波导后，六边形谐振腔内的共振模式发生了改变，与只添加一个竖直矩形波导相比，前者在模式上，从二阶模变成三阶模。通过添加竖直矩形波导的个数，表明该模型与传统的FP腔相比，能宏观地调控不同模式，提供更多的滤波通带。并且分别改变Y、X和d三种竖直矩形波导的参数，都使六边形谐振腔内产生3种共振模式数，一阶共振模透射峰基本不变，维持在610nm左右，Y值以5nm为步长从260nm增加到320nm，随着Y的增大，使三种共振模式透射峰发生红移的规律；X值以5nm为步长从10nm增加到50nm，随着X的增大，有着使三种共振模式透射峰发生红移的规律；d值以10nm为步长从40nm增加到120nm，一阶共振模和二阶共振模透射峰发生蓝移，分别从610nm蓝移到600nm与1180nm蓝移到1030nm，而三阶共振模透射峰发生红移，从1550nm红移到1640nm。可以根据上述现象，改变X和Y，d的大小，调控波长模式，使光谱调控器件带通范围发生变化，实现可控的滤去指定波长的功能。该结构能产生多种模式波长,并且能使透射峰发生红移/蓝移，可以根据该现象，改变参数的大小，调控波长模式，使光谱调控器件带通范围发生变化，实现可控的滤波功能。

本发明的另外一个实施例：将竖直平行的双波导旋转90度(变成水平平行矩形波导)，结构如图4所示。当设X＝200nm，Y＝30nm，d＝60nm，在1000nm洛仑兹对称线型的通带左侧(波长为825nm)时出现了一个尖锐的非对称Fano共振峰，且其透射率接近于0.4，Fano共振峰的FWHM约为10nm。当波长为805nm时，出现相位和时延上的突变，相位从2.2π突变为3.1π，相位从0.1跳变为-0.2，出现了负时延，验证了Fano非对称共振峰的出现。

进而固定Y和d的大小，逐渐改变X的大小，当X＝160nm、200nm时，在1000nm洛仑兹对称线型的通带左侧(波长为700nm、805nm)时出现了一个尖锐的非对称Fano共振峰，且其透射率分别为接近于0.6和0.4；而当X＝280nm、300nm时，在1000nm洛仑兹对称线型的通带右侧(波长为1090nm、1140nm)出现了一个尖锐的非对称Fano共振峰，且其透射率分别为0.4和接近0.3。表明随着X的逐渐增大，可产生Fano非对称共振峰，并且能宏观的调控对称峰出现在通带的左侧或右侧。表格1为X＝160nm、Y＝30nm、d＝60nm的相位与时延变化，都验证了Fano非对称共振峰的出现。

表1X＝160nm、Y＝30nm、d＝60nm时的相位与时延变化示意图

从上述结果表明，该结构可调控谐振腔的共振模式，通过明暗模式干涉效应，产生Fano共振现象，并且随着X大小的改变，可使Fano共振峰发生明显的红移或者蓝移。根据该现象，可通过改变X的大小，可有效的调控Fano共振，运用到全光信息处理当中。

进而固定X和d，改变Y的大小，当X＝30nm时，在1000nm洛仑兹对称线型的通带左侧(波长为790nm)时出现了一个尖锐的非对称Fano共振峰，且其透射率0.44；当X＝25nm时，在1000nm洛仑兹对称线型的通带左侧(波长为890和630nm)时出现了两个尖锐的非对称Fano共振峰，且其透射率分别为0.24和0.79；而当Y＝35nm时，不出现Fano非对称共振峰，但产生了两种共振模式，且一阶模和二阶模透射率都接近于0.9，FWHM分别为110nm和80nm，可用于滤波。表明X在25nm到30nm变化范围内，可产生Fano非对称共振峰，并且当增大X时，可宏观调控共振峰的个数或使其发生蓝移。表2：X＝300nm,d＝40nm、Y＝25nm的相位时延变化。

表2X＝300nm,d＝40nm、Y＝25nm的相位时延变化示意图

从上述结果可看出，Y在25nm到30nm的变化范围内，产生明显的Fano共振峰。证明该结构可调控谐振腔的共振模式，通过明暗模式干涉效应，产生Fano共振现象。根据该现象，可通过改变Y的大小，可有效的调控Fano共振峰的个数，并使其发生蓝移，进而有效地运用到全光信息处理当中。

在前面讨论了Fano共振现象与X和Y的关系，最后固定X＝300nm，Y＝30nm，观察d与Fano共振现象的关系，当d＝40nm、60nm、90nm时，在1000nm洛仑兹对称线型的通带右侧(波长为790nm、1100nm、1170nm)时出现了一个尖锐的非对称Fano共振峰，其透射率分别为0.23、0.64和0.23。表3：X＝300nm、Y＝30nm、改变d的大小，当d＝40nm、60nm、90nm的相位与时延变化。

表3X＝300nm、Y＝30nm、改变d的大小的相位与时延变化示意图

从上述结果可以看出，除了d＝50nm的情况下，不同d的大小都产生明显的Fano共振峰，并且共振峰可在洛仑兹对称线型的通带的右侧或者左侧。证明该结构可调控谐振腔的共振模式，通过明暗模式干涉效应，产生Fano共振现象。根据该现象，可通过改变d的大小，可有效的调控Fano共振，使Fano非对称共振峰发生红移或者蓝移。

因此，结果表明，在腔内引入单/双矩形波导调控谐振腔的共振模式，通过系统地研究耦合距离以及局部的矩形波导的宽度、个数、位置等参数对传播特性的影响，改变谐振腔的共振模式，我们发现，该结构可实现滤波并对Fano共振进行有效地调谐，实现多个非对称线型的Fano共振峰，可广泛用于光传感与光检测等领域。

Claims

1.一种具有谐振腔波导的光谱调控器件，其包括基板以及设置于基板内部的第一波导、第一耦合器、第二波导、第二耦合器、谐振腔，其特征在于：谐振腔横截面为等六边形结构，其内还设置有与第一波导和第二波导垂直的竖直波导，该竖直波导为矩形结构，谐振腔位于第一波导与第二波导之间，竖直波导位于谐振腔中间，第一耦合器位于第一波导与谐振腔之间，第二耦合器位于第二波导与谐振腔之间，第一波导为靠近基板左端的第一空腔，该第一空腔为一端开口，另一端封闭，第二波导为靠近基板右端的第二空腔，该第二空腔一端开口，另一端封闭，该第一空腔和第二空腔沿着基板的长度方向延伸，光从第一波导的一端进入，沿着第一波导的表面传输至另一端后，通过第一耦合器将光耦合至谐振腔内，光在谐振腔的表面进行传输，经过竖直波导后输出到谐振腔的输出端，然后传输至第二波导的另一端，光沿着第二波导的表面进行传输至第二波导的一端，通过改变竖直波导的长度或宽度的大小，调控波长模式，使光谱调控器件带通范围发生变化。

2.根据权利要求1所述的一种具有谐振腔波导的光谱调控器件，其特征在于：基板的材质为银。

3.根据权利要求1所述的一种具有谐振腔波导的光谱调控器件，其特征在于：第一波导、第二波导都为矩形，且在同一水平线上。

4.根据权利要求1所述的一种具有谐振腔波导的光谱调控器件，其特征在于：竖直波导为2个或2个以上，且相互平行。